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第20章 技术史描述(16)(1)

电的使用在19世纪70年代快速膨胀。1879年,一套微缩电气铁路展示于柏林博览会上;1883年,电热毯和扁平烤盘出现在维也纳举办的工业博览会上;到1884年,路面电车运行于法兰克福和格拉斯哥。19世纪80年代初,约瑟夫·斯万(JosephSwan)和爱迪生分别在英美两国发明了现代电灯泡。1889年,克罗地亚裔美国人尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)建造了使用交流电的多相电动机,随后威斯汀豪斯进行了改进。同等重要的是变压器。变压器最初是由法国人吕西安·高拉德(Lucien Gaulmd)及其英国合伙人约翰·吉布斯(John D.ibbs)发明的,后来,为威斯汀豪斯工作的美国人威廉-斯坦利(William Stanley)作了改进(T.P.Hughes,1983,pp.86—92)。多相电动机以及高拉德一吉布斯发明的变压器解决了交流电的技术难题,无疑使交流电比直流电更优越,因为直流电不能克服传输时不经济这一难题。在威斯汀豪斯和特斯拉的领导下,倡导交流电的团队击败了爱迪生所领导的提倡直流电的团队。到1890年,主要技术难题都解决了,电被驯服了。随之而来的是一连串的小发明,这些发明提高了可靠性和耐用性,降低了成本。1900年,白炽灯泡的成本较之20年前只有十五分之一,而发光效率则为两倍。

运输

钢铁、化学制品以及电的发展要求新的科学知识,以便它们在实用以前加以完善。可是在1830~1914年的岁月里,大量的技术进步是以新颖的应用和对既有知识精益求精的形式呈现出来的。而且,如果想要使新想法变得实用,对已知技术进行新型组合式的应用常常要求进一步的发明创造。让我们看一看铁路领域。铁路并不是一项严格意义上的“发明”,因为铁路本质上只不过是高压机车和铁轨的结合物罢了。把高压蒸汽机车同铁路系统的原理相结合,尽可能减少车轮同铁轨表面之间的摩擦,这是一种非常重要的洞察力。这种洞察力源自理查德·特里维西克(Richard Trevithick)于1804年的天才进发。对于不熟悉的高压机车问题,工程师们奋斗了二十多年,这些问题包括:使放置在铁轨之上的沉重机车保持精细的平衡,把活塞同车轮连接起来的传动杆、曲柄机构和悬停结构满足了制造更坚固耐用的铁轨的需要,更适合高效锅炉的设计。在蒂莫西·哈克沃斯(Timothyack WOIth)、乔治·斯蒂芬森(George Stephenson)及其儿子罗伯特等工程师的努力下,这些问题解决了,而问题一经解决,铁路系统就不可抗拒地成为19世纪最强有力的推动力之一。人们为机车设计了各种各样的竞争类型。1829年10月,举办了举世闻名的兰希尔(Rainhill)比赛,这场比赛毋庸置疑地决定了斯蒂芬森所设计的“火箭”机车技压群雄。可是很明显,要是没有后续改进,1825~1850年间火车短暂而辉煌的成长本来是不会发生的。例如,发动机和改进了的轮轴的水平放置、车闸、弹簧钢板、连接装置、路基分级、隧道、通讯装置,等等。

轮船与铁路相似。轮船也没有包含什么真正的新思想。明轮是早期轮船的推进装置,数百年前已为中国人所知。第一艘轮船其实是带有辅助发动机的帆船,蒸汽动力只是用来对付不利的风浪,帮助摆脱困境。“大草原”(savannah)号是第一艘横跨大西洋的轮船,在这次为期30天的航程中,发动机的使用时间总共是80小时。直到14年以后的1883年,“皇家威廉”(Ryalwilliam)号轮船才主要依靠蒸汽动力从魁北克航行到格雷弗森(Gravesend)。在19世纪后半叶,有两项主要发明有助于轮船的彻底革新。其中之一是螺旋桨。螺旋桨代表了不可能只同一个人的名字联系在一起的发明实例。数学家丹尼尔·伯努利(Daniel Bernoulli)于1753年提出了螺旋桨的思想,但早期的实验都没有成功。直到法国人弗利德里克·索维奇(Frederic Sauvage)才用实验证明了螺旋桨的能力,并于19世纪30年代早期获得了多项专利。1838年,出生于瑞典的约翰·爱立信(John Ericsson)以及弗朗西斯·史密斯(Francis Smith)在英国对螺旋桨作了进一步的改进。对轮船的发展至关紧要的另一项发明是船用蒸汽机。高压蒸汽机难以在大海上使用,因为海水会把盐沉淀在锅炉的底部,导致锅炉爆炸。表面冷凝器把冷却冷凝器的水同冷凝器里的水隔离开来,从而解决了上述问题。19世纪30年代开发的表面冷凝器,大约在1850年开始普遍使用。复合蒸汽机于1854年第一次用于轮船。在19世纪后半叶,轮船的结构逐渐从木船体转移到铁船体。木材不可避免地限制了船只的大小,最大的橡木船不超过250英尺长,而普通船只要短得多。制造铁船时则大小随意,而且虽然大部分成本(以及水对船只的阻力)同长度的平方成正比,但载重量却同长度的立方成正比。伟大的英国工程师伊桑巴德·布鲁内尔(Isambard Brunel)是首批认识到这一点的人士之一。他设计了第一批螺旋桨驱动的横跨大西洋的大型铁船:“大西方”(Great Western)号和“大不列颠”(Gteat Britain)号。“大西方”号于1858年下水,长度差不多’700英尺,是19世纪建造的最大船只(Headrick,1981,p.143)。19世纪70年代后期,钢开始取代铁作为主要的轮船结构材料。这种替换相当迅速:到1891年,全部在建船只超过80%都是由钢建成的(Fletcher,1910,p.28)。船只越大意味着海运成本越低。燃料成本和船员规模的增长速度小于所取代的比例。技术变革从而让规模经济得到了实现。

起初,蒸汽机的优势主要是速度和机动性:在19世纪刚开始的时候,从英国邮寄给加尔各答的书信可能需要等两年才收到回信。位于孟加拉湾的轮船常常不得不等待好几个星期才得以沿胡格利(Hooghly)河上溯80英里到孟加拉市,而且季风排除了快速的回航。到19世纪40年代,从伦敦到加尔各答的单程航行时间已降至六个星期,而到1914年只需两个星期(Hea&ick,1988,p.20)。随着成本的降低,轮船成为帆船的真正且不可战胜的竞争对手。

虽然如此,新的造船技术仍花费了几十年时间才排挤掉旧技术(Hatley,1973)。之所以如此,部分原因在于木制帆船的建造也经历了快速的进步(Iaumas and Gille,19。79b,pp.291—98;Davis,GaJlman,and Hutchins,1991)。在1820~1860年间,帆船进行了彻底的重新设计。索具和船帆进行了翻新;帆的数量增加了,引进了收帆技术(通过折叠或者系住部分帆来减小帆的面积)。新设计的帆船速度更快,所需船员更少。绳索被更耐用的金属缆绳取代,木制件被金属件代替。船只变得更修长,更为流线型,帆变得更小,数量更多。美国和英国的造船者在1850年以后建造了著名的快速大帆船,这股革新浪潮由此达到了顶峰。这种快速帆船用来运茶,速度可达15节。速度最快的快速大帆船可以在三个月里从中国航行到英国(hatteton,1909,p.270)。轮船取代了短程帆船,但是帆船依然统治了长途航线,这种情况一直持续到19世纪末期。哈勒(Haller,1971)指出,技术本质的不同造成了成本差异,成本差异导致了上述现象。在20世纪,随着连接主要大洋的运河的完工,以及伴随着更好的船用蒸汽机而来的燃料效率的提高,宣告了帆船的消亡。上述两种船只都以前所未有的速度变得更大,动力更强,速度更快。虽然1815年的典型船只同1650年并没有很大不同,但是到1890年,商船和军舰却同半个世纪以前的前辈没有什么共同之处。其结果是,运输成本急剧下降。在19世纪前半叶,运费每年下降0.88%,这主要反映了帆船上的技术进步。而在1850年以后,运费的降速提高到每年1.5%,如果考虑到渐增的劳动力成本,那么这种速度给人的印象更为深刻。尽管其中包括某些管理上的改善,但是毋庸置疑,跨洋运费的下降是技术进步的结果(Harley,1988)。

在某些场合,一个看似简单的技术方案,却花费很长的时间才制造出来,这似乎令人惊讶。纵观整个19世纪,技师们都在实验一个装置——自行车,自行车使单人能够坐在上面飞快地推动自身前进。人们实验了各种各样主要旨在娱乐目的的自行车,例如脚踏两轮车,前轮大后轮小的脚踏车。然而直到1885年考文垂技师约翰·斯塔利(John Kemp Starley)造出了“流浪者”牌安全自行车后,今日平稳而易于操纵的自行车才变得切实可行。这些自行车由扁环节链带动,大小一样的两个轮子使自行车的结构平衡,这些几乎没有超出普通人的能力。自行车的事例表明,不论是纯粹的技术因素,还是单纯的经济因素,甚至是这两种因素的结合,都不能完全说明技术变革。在词汇最深层次的意义上,自行车是一个新生事物,它没有用相似的更有效的技术取代既有技术。在19世纪90年代使用自行车的人们,以前要么走路,要么使用公共交通工具。由于自行车的特性覆盖了多个方面,所以难以对自行车进行最优设计:速度、舒适、安全、优雅和价格等全都要加以考虑,而且必须在它们之间进行权衡。在最佳类型出现以前,必然进行了长期的实验(Pinch and Bijker,1987)。在全新产品的情况下,消费者的干中学和生产者的干中学同等重要。自行车成为大众交通工具之后,对城市居住方式产生了难以估量的影响。经过若干年的改进,自行车的设计稳定下来,1900年以后,自行车的改进就很少了。在某些观点看来,自行车为汽车和摩托车开辟了道路,并提供了一种便宜、民主而又个人化的交通工具。希拉姆·马克西姆(Hiram Maxim,1840—1916)是马克西姆重机枪的发明人(但在发明蒸汽动力的飞机上失败了),他指出,“自行车引发了一个新的需求,这个需求超过铁路承载的能力。后来情况发生了变化,自行车满足不了它所引发的这个需求……答案就是汽车”(转引自Dardwell,1972,pp.19-200)。

已知技术附带了众多重要的原创贡献,汽车的发展代表了这种新颖结合的范例。内燃机是由海更斯在17世纪首先提出的。1824年,卡诺描述了蒸汽机作为动力源的局限性,并指出加热的空气是产生动力的最佳潜在手段。尽管研究工作一再延长,但结果表明,把蒸汽动力用在车辆上是困难的(Evans,1981)。在19世纪,数十个发明者认识到了内燃机相对于蒸汽机的优势,他们纷纷在此问题上一试身手。1859年,比利时人让一艾迪恩·勒努瓦(Jean—Etienne Lenoir)首先建造了一台内燃机的工作模型,1876年,德国旅行推销员尼古劳斯·奥古斯特·奥托(Nicolaus Augustto)加以完善,利用四冲程原理建造了一台内燃机。奥托自1860年以来一直处理这个问题,这是他在一份报纸上读到勒努瓦的内燃机之后开始的。奥托未经正规训练,是一名颇有灵感的业余爱好者。虽然该问题最终利用四冲程发动机得以解决,但是奥托最初是为了得到足够高的压缩比而把四冲程发动机视为解决这一问题的权宜之计的。奥托的四冲程发动机至今依然是汽车发动机的心脏,但人们只是在后来才把它称赞为一个辉煌的突破(Bryant,1967,pp.650—57)。有趣的是,四冲程原理在较早的时期就被认为是使勒努瓦发动机得以有效工作的惟一手段。1862年,法国工程师阿方斯·罗切斯(Alphonse Rochas)利用卡努瓦的热力学理论,详细说明了奥托型发动机原理,用以描述高效内燃机,并由于这种想法获得了一项专利,可是这项专利从来没有真正实行过。不过,奥托的发明并没有受到罗切斯的理论见解的影响。“寂静的奥托”取得巨大的财务成功。之所以被称为“寂静的奥托”,是为了同噪音更大、不那么成功的早期机型区别开来。内燃机的优点并不在于寂静无声,而在于它可以在短时间内启动或者停止,这是与蒸汽机不同的。

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