作者：戴吾三,宋成斌
出版社：清华大学出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
技术创新简史试读：
前言
这是一个前所未有的创新时代，神州大地释放出无数的创意和激情，涌动着“大众创业、万众创新”的热潮。
我们何以走到了今天？就像江河是由溪流汇聚，创新大潮追溯也可见其涓涓。回顾历史的经验（包括教训），有助于我们了解历史上创新是如何形成，如何积聚而发挥作用，如何不断刷新世界的面貌。
宽泛地说创新，可以追溯到两千多年前（那是古希腊时期、中国先秦时期），早期局部、离散的创新活动推动了不同地域的人类文明进步。然而不可否认，早期的创新活动缺乏整体的理性自觉，缺乏制度保障等若干要素，致使早期的文明或是衰亡，或虽然延续但无法走出循环的怪圈。
及至西方近代科学革命兴起，加快了科学知识的传播和交流，城市经济发展、航海贸易和公司、专利权等制度出现，采矿冶炼之需要，都为蒸汽机的发明和应用准备了必要条件，自此，创新才成为不可阻挡的趋势。
在人类各种创新活动中，技术创新是最核心的部分。技术创新催生了新产业，开辟了新市场，制造出丰富的物品；技术创新推动经济产生跃进式增长，影响了人类的生活和行为方式。技术创新也为科学研究提供有力的仪器设备，促使科学家更深入地认识世界。
本书聚焦于技术创新的历史。以蒸汽机发明为理论框架的起点，以简明的形式呈现18世纪以来时代演变的特征和重大领域的技术变革，划分蒸汽时代、电力时代、电子时代和计算机时代四个部分，分别描述引领时代的技术创新，引领产业（行业）的技术创新，以及导致产业细分的技术创新和制度创新，同时也重点介绍有影响的发明家、企业家，以及因技术创新而兴盛的知名企业和工业实验室。
从技术创新的历史中，我们可以了解昨天的发明家和企业家，那些所谓成功的故事，也是善于动脑筋的故事，战胜逆境的故事，坚持不懈的故事，汲取这些故事的养料，会激励我们创意的灵感，面对创新的挑战。
从技术创新的历史中，我们可以看到一波又一波的浪潮，以荡涤之势冲击着问世不久的发明产品。在令人目不暇接的变化中，有无技术创新的周期性可循？有无社会、经济的演变规律可把握？这促使我们思考。
更让我们思考的，在前几波的创新浪潮中，中国人是缺席者。深层的问题有：曾以诸多发明和发现领先于世界的中国，为什么在近代落后了？对于这样一个涉及多方面因素的复杂问题，至今并未有统一、明确的答案。结合本书的内容，是否可以说，中国近代没有建立公司、专利制度，没有激励创新的文化氛围，缺乏市场意识，轻视科学技术教育，就只能滞留于传统社会？
今天，崛起的中国高度重视科技创新，在多个重大领域已从创新的跟跑者成为引领者。相信过不了多少年，续写的技术创新历史中一定会增添很多中国的故事。戴吾三>2016年8月第一部分蒸汽时代
自18世纪中叶，欧洲发生了以蒸汽机的发明和广泛应用为标志的重大技术创新（也称第一次技术革命），蒸汽动力突破了人力、畜力和水力、风力的局限；新机器使用推动了从工场手工业到工厂机械化的转变。这次重大技术创新首先发生在英国，主要包括蒸汽机动力革命、棉纺织技术变革、焦煤冶炼技术改良。这些重大技术创新使英国在采掘、冶金、纺织、机器制造和运输领域建立起新的工业体系。其后，法、德等欧洲国家和大洋彼岸的美国陆续仿效英国，在19世纪上半叶开启了各自的工业化进程。第一章蒸汽动力革命
蒸汽机发明于17世纪末，此后百年中不断改进，臻于成熟，先是在采矿业应用，而后进入冶炼、纺织、机器制造和交通运输等需要动力的行业和领域，突破以往水力、风力、畜力、人力的局限，推动了工场手工业向工厂机器生产方式的转变。一、早期的蒸汽机
蒸汽机最早发明于英国。17世纪下半叶，英国的采煤业发展很快，为排出井下积水，需要大量的马匹牵引提升，费用很高，因而，寻求廉价便利的抽水动力便成为突出问题。在伊丽莎白一世（ElizabethⅠ）、詹姆士一世（JamesⅠ）和查理一世（CharlesⅠ）时期授予的全部专利中，几乎七分之一都与矿井抽水有关，可见这一问题受关注的程度。正是特定的问题和需求，推动了从一般抽水设备到蒸汽机的研究。
早期发明的蒸汽机主要有萨弗里蒸汽机、纽可门蒸汽机，而纽可门蒸汽机对瓦特的革新有直接影响。1．萨弗里蒸汽机
准确地说，萨弗里蒸汽机是一种使用火力的抽水设备。在早期研制抽水设备的人当中，以托马斯·萨弗里（Thomas Savery）的工作最为突出，他率先制成实用的机器，并获得专利权。
萨弗里是英国皇家工程部队的军事工程师，对力学、数学和自然哲学都有浓厚的兴趣，他在实验和奇妙机械的发明方面作了很多努力。
1698年7月25日，萨弗里就矿井火力抽水设备申请并获得了一项专利。萨弗里所依据的原理是，在一个密闭的容器中，由于蒸汽的冷凝，能使水位升高到大气压力所允许的最大高度；保留住水，同时对它再施加允许的蒸汽压力，促使水位升得更高。1699年，萨弗里用一个活动模型在皇家学会做了演示，给与会者留下深刻的印象。他还把自己绘制的机器图呈给皇家学会，后来刊登在学会的《哲学学报》上。
萨弗里获得的专利证书的扉页上这样写道：
授予托马斯·萨弗里先生，他独自做出了一项新发明，利用火的推动力来提升水或者驱动各类机械。它可用于矿井排水和城镇供水，以及在没有水力和风力资源的地方用于驱动各种磨机。专利有效期为十四年，条款如常。
后来，萨弗里又设计了一种更有效的蒸汽机，采用两只容器，一只在充水时，另一只在排水，用于解决科尼什矿井的积水问题。萨弗里还专门写了一本小册子，书名是《矿工之友——火力提水引擎，说明它在矿井中的安装方法以及它适合的其他用途》，这本小册子曾在矿业的股东中流传。
萨弗里的蒸汽机主要用来为城镇或私人住宅供水，也为一些矿井采用，但为数不多，因为在很深的矿井中，要把相当多的水提升到一定的高度，所需的蒸汽压力是很大的，这样就有锅炉爆炸的危险。在矿井中，这种机器必须置于10米深的地方，如果井下水泛滥，就会把机器“淹没”。此外，燃料的浪费也很严重，锅炉的受热面太小，其冷凝方法造成的浪费更严重。萨弗里蒸汽机的缺点后来都被克服，它最终被纽可门、瓦特的蒸汽机完全取代。2．纽可门蒸汽机
继萨弗里之后，由托马斯·纽可门（Thomas Newcomen）发明的蒸汽机成功地解决了深矿井的排水问题，在18世纪20～80年代，纽可门蒸汽机在英国得到大量的应用。甚至直到18世纪末，纽可门蒸汽机仍占据着大半壁江山，同问世不久的瓦特蒸汽机相抗衡。
纽可门出生于英国的达特茅斯，年轻时当过学徒，后来自己做五金生意，他带了个助手叫约翰·柯雷（John Calley），两人常去一些矿区跑生意，因而熟悉矿井的排水问题。出于业务需要，纽可门和柯雷常做一些铜、铁、铅的金属活，这恰好成为制造蒸汽机的必要技术条件。
纽可门起初并不知道萨弗里的蒸汽机，而是独立进行研究，前后花了10年才取得成功。费时之长的原因之一是遇到“比例效应”的麻烦。与萨弗里的无活塞式机不同，纽可门的蒸汽机有活塞、汽缸、平衡横梁等重要部件。纽可门为慎重起见，先试图制作小模型（在小作坊里，无法直接制作和安装大的机器）。他没有任何理论指导，开始也不懂机器尺寸缩小，摩擦和热损失就会增大，以致影响机器的运行效率。当效率低到一定值时，“比例效应”就会使模型无法工作。
在克服了多种困难后，1710年，纽可门成功制造出可实际运行的蒸汽机。不过这时他发现，自己的发明之路已被萨弗里的主专利权限制住了，因为萨弗里的专利涵盖了任何一种应用“火的推动力”的蒸汽机。后来纽可门与萨弗里协商，得到妥善解决。部分原因是，萨弗里知道自己的蒸汽机没有前途，而纽可门的蒸汽机明显优越。
纽可门蒸汽机的结构及工作原理是：锅炉及其附属装置如同一个大的酿造啤酒用的铜制容器，产生的蒸汽近为大气压力。当蒸汽进入锅炉上方的汽缸底部时，主要由悬挂在杠杆另一端的泵杆的重量作用，拉动活塞升到顶部。蒸汽通过排泄管和水密封阀，将已经进入汽缸中的所有空气和水推出，然后关闭与锅炉的连接，喷射冷水，使蒸汽冷凝。所产生的真空致使大气压推动活塞回到汽缸底部，由此提升了泵杆。在进入更多蒸汽以后，运转周期再次开始。
到1725年，纽可门蒸汽机已全面用于矿山抽水。与萨弗里蒸汽机相比，纽可门蒸汽机的效率提高了5倍，安全实用，其排水能力可与50匹马的力量相当，而费用只有使用马匹的六分之一。纽可门蒸汽机先是在英国推广，后来传入欧洲其他国家。1733年，纽可门的专利权期满，使蒸汽机的应用扩散加快，因为它能满足一定的需要而且没有竞争者。在英格兰北部的深层煤田，那里的许多矿井在17世纪末已被水淹没，蒸汽机可使这些矿井起死回生。随着纽可门蒸汽机数量的增加，其机器尺寸也在增大，不过基本结构却没多大改变。
纽可门蒸汽机存在明显局限，它的体积庞大，只能在矿山工作；汽缸的气密性差，效能差，耗费燃料。最终，纽可门蒸汽机被瓦特蒸汽机取代。二、瓦特对蒸汽机的贡献
蒸汽机的重大改进由英国发明家詹姆斯·瓦特（James Watt）完成，由此使蒸汽机技术臻于成熟，不断扩大用途，掀起了英国工业革命的高潮。
1736年1月19日，瓦特出生于苏格兰小城格里诺克，瓦特家族在当地颇有影响，亲戚和朋友中有不少有身份的人。瓦特的祖父创办学校，并担任数学教师，后来出任地区长老会成员，负责当地宗教仪式及民众道德礼仪教育。瓦特的父亲是位造船师，手艺精湛，在当地很受人尊敬，后来由于顾客太多，自己忙不过来，便在自家后院开了一个作坊，长期雇用一些工人，最多时有14人。瓦特的母亲性情温和，待人友善，勤于家务，对瓦特有潜移默化的影响。
瓦特受家庭影响，自幼喜欢动手，13岁时他就在父亲的作坊里制作了一些机械模型。18岁时，他到伦敦学习仪器制造技术。1757年，瓦特受格拉斯哥大学聘用，成为仪器维修工。1763年，瓦特接手修理一个纽可门蒸汽机模型，由此接触蒸汽机，逐步熟悉了结构和原理。在请教了格拉斯哥大学化学教授约瑟夫·布莱克（Joseph Black）之后，瓦特认识到，汽缸交替加热和冷却严重浪费蒸汽的“潜热”，这正是造成燃料损耗和工作效率低的原因。为此瓦特想出用一个分离冷凝器，把汽缸已做功的蒸汽引到凝汽器里凝结，避免汽缸和活塞反复加热，不仅可以加快活塞下降，还可以节约燃料。不过，要将模型制成样机，既需资金又要设备，幸好由布莱克介绍，瓦特认识了企业家约翰·罗巴克（John Roebuck），得到资金支持，使研制得以进展。罗巴克建议申请专利，1769年1月5日，瓦特获得他的第一项蒸汽机专利——“在火力发动机中减少蒸汽和燃料消耗的新方法”（英国专利号913）。该专利的实质要点是采用分离冷凝器。瓦特向罗巴克承诺，等发明成果将来获利之后，将利润额的三分之二支付给他作为回报。不料由于材料与工艺的缺陷，初期研制的蒸汽机不能正常使用。当时，由于缺乏精密镗床，瓦特的蒸汽机缸体是用锡紧贴在硬木块上锻打而成的，制成的汽缸内壁粗糙，直径误差高达3/8英(1)寸，活塞与缸体的间隙需以毡或油布等物填充，致使漏气严重。
1773年，罗巴克因经营不利陷于破产，蒸汽机研制被迫停顿。同年8月，制造商马修·博尔顿（Matthew Boulton）看好瓦特蒸汽机的前途，买下了罗巴克转让的利润分享权利，尽管当时它被多数人视为分文不值。
博尔顿有创新魄力也精通商业运作，他来自当时英国机械制造的中心伯明翰，那里有熟练的技术工人和最先进的设备，而这正是瓦特所需要的。博尔顿的索霍工厂坐落在伯明翰，工厂是他从父亲那里继承来的，最初规模很小，博尔顿靠着精明强干，不久就将其发展成为一家大企业。
1774年，瓦特迁居伯明翰，把索霍工厂作为蒸汽机的试验和制造基地。在瓦特和工人的努力下，蒸汽机很快就实现了正常运转。特别是由机械商威尔金森（Wilkinson）发明的镗床鼎力相助，可以镗制出吻合性好的汽缸和活塞。
威尔金森出生于一个工业世家，后来子承父业，经营炼铁厂，由于经常接受锻造火炮的订单，他熟悉当时的镗孔工具和方法。为了适应加工汽缸的需要，威尔金森对传统的镗床进行改进。1775年，威尔金森为瓦特的蒸汽机镗制出一台汽缸，其良好的气密性确保了所要求的真空。据博尔顿的描述，威尔金森加工的50英寸直径的汽缸，(2)其误差不到旧英币1先令的厚度。由此，瓦特的蒸汽机试验因汽缸性能的提高而获成功。
不过还有问题，再有8年瓦特的913号专利到期失效。瓦特意识到这将影响他获得足够利润，在博尔顿的帮助下，瓦特向议会申请延长专利期限，1775年5月获准，延长1到1800年期满。
瓦特早期制造的蒸汽机是直接作用式的，为适应更多的用途，也为阻挡住其他的竞争对手，1781年10月25日，瓦特和博尔顿为“太阳和行星”齿轮联动装置申请专利（英国专利号1306），这是瓦特有关蒸汽机的第二项专利，是蒸汽机革新过程中取得的最重要突破之一，这套装置的实用性非常强，可以连接到多种机械设备上，以适应需要旋转运动的工作场合。
1782年，瓦特设计的双作用式蒸汽机使他获得了他的第三项专利（英国专利号1321），新设计使蒸汽交替工作于活塞两侧，使活塞往返运动时都产生动力。1783年，第一台双作用、旋转式的试验性蒸汽机建成，被用来带动小型谷物碾磨机。由于未能妥善解决活塞杆与横梁扇形轮之间的刚性连接问题，这台新机器并不实用。针对这一问题，1784年，瓦特设计了三杆平行传动连杆机构，彻底解决了双作用式蒸汽机的结构问题，很快获得新专利（英国专利号1432）。数月后，他又造出更为精巧的“平行四边形运动”机构，此后一个多世纪，这种机构成为旋转式杠杆蒸汽机的特征。
瓦特的蒸汽机进入纺纱厂、面粉厂和铁厂等许多需要动力的领域，表现出良好的性能。正如博尔顿的预见，对瓦特蒸汽机的订单从全国各地纷至沓来，瓦特和博尔顿开始获得巨额利润的回报。1788年，为保证负载变化时速度恒定，瓦特又发明自动控制蒸汽机速度的离心调速器，同年获得专利。此后，瓦特基本从改进蒸汽机的工作中退出，双作用式旋转式蒸汽机也成为当时的标准机型。很长时间里，对这种蒸汽机的进一步发展，仅限于部分机构的改进。
蒸汽机自17世纪末出现，在18世纪逐步成熟。先是在采矿业得到应用，而后进入冶炼、纺织、机械制造和交通运输等需要动力的各个领域，推动了工场手工业向工厂机器生产的转变，并最终由英国影响欧洲，进而影响了世界。三、瓦特的专利期满之后
1800年，瓦特的蒸汽机专利期满，各种限制条款随之失效，不少发明家、工程师早就憋了一股劲，跃跃欲试对蒸汽机进行革新。瓦特的蒸汽机，压力不超过1.5个大气压，而改进的蒸汽机在2个大气压以上。高压蒸汽机的体积和重量大大缩减，这就使蒸汽机便于移动，可以有更多的应用。
19世纪初，英国的理查德·特里维西克（Richard Trevithick）、亚瑟·伍尔夫（Arthur Woolf）、美国的奥立弗·伊文思（Oliver Evans）等发明家都程度不同地对蒸汽机进行改进或革新，由此推动了高压蒸汽机的发展。
特里维西克是煤矿主的儿子，年轻时已表现出机械设计才能。1790年，19岁的特里维西克已是英国康沃尔矿山的工程师。1792年，为了避开瓦特的专利，特里维西克协助发明家威廉·布尔（William Bull）制成一台倒置式蒸汽机，使蒸汽机的结构大为简化。不料，两人的做法不为瓦特所忍，瓦特控告他们对分离冷凝器构成侵权。两年后，法院裁决禁止生产倒置式蒸汽机。特里维西克再想辙，转而研究杠杆式高压蒸汽机。到1800年，他制造了三台高压蒸汽(3)机，蒸汽压力达到25～30磅/平方英寸。
特里维西克创造力旺盛，兴趣广泛，不久又迷上制造蒸汽机车。蒸汽机车要求大功率、小体积的动力机，蒸汽机只有提高压力才能实现这些要求。1802年，特里维西克试制成一台高压直接作用式蒸汽机。同年，他和堂兄维维安（Vivian）一起，申请了一项关于“蒸汽机在构造和应用方面的改进”的专利，这项专利涵盖了固定式和道路机车用两种蒸汽机的机械构造细节。1804年，特里维西克制成他的第一台轨道式蒸汽机车，该车的蒸汽机性能优异，机车可载重25(4)吨，以每小时4英里的速度行驶，全部操作只需要一人。特里维西克的发明举动，后来成为乔治·斯蒂芬森（George Stephenson）发明蒸汽机车的动力。
1804年后，特里维西克的主要精力用在推广蒸汽机车方面，由于经营不善，他的公司一直亏损。为挽回败局，特里维西克不得已出让蒸汽机的专利权，却于事无补，1811年宣布破产。1812年特里维西克回到康沃尔，制造矿山用蒸汽机。由于先前的声望和对高压蒸汽机的精通，他再次受到矿主们的欢迎。
与特里维西克差不多同时，远在美国的伊文思也痴迷把普通蒸汽机改造为高压蒸汽机。伊文思原是个修车工，坚持努力，终有所成。1797年，他申请获得一项蒸汽车的专利。1803年，当时整个美国蒸汽机不过6台，伊文思就建造了一台使用蒸汽机的挖泥机。第二年又造了一台垂直固定式蒸汽机，装有6英寸直径的双作用式汽缸、有8英寸冲程。与特里维西克一样，伊文思的蒸汽机采用了带内部火焰板和烟道的圆柱形锅炉。伊文思的工作在美国有很大影响。
比特里维西克晚几年，英国的伍尔夫进行复合式蒸汽机的研究。伍尔夫是个多面的工程师，1811年，他与在兰贝斯的技师汉弗莱·爱德华兹（Humphrey Edwars）合伙，成功制成复合式蒸汽机。这种蒸汽机有两只并排设立的汽缸，两根活塞杆被连接到做平行运动的同一根枢轴上。经过测试，与一台简单的瓦特蒸汽机相比，复合式蒸汽机能节约50%的燃料。数年后，爱德华兹去法国发展，他在法国申请蒸汽机的专利，并与一家公司联手成立新公司，专门制造新型蒸汽机。到爱德华兹去世时，他所在的企业制造了约100台复合式蒸汽机。后来法国其他公司也购得制造权，这种蒸汽机在法国生产了约60年。
在英国，蒸汽机一直在不断改进。一个重要因素是，从1811年开始，煤矿主们定期出版一份各矿山蒸汽机应用性能的报告，这无形鼓励了竞争，促使蒸汽机的效率提高，当然也包括操作管理的改善。四、蒸汽机走向世界
回顾历史，可能会有人认为，蒸汽机代表了那个时期的先进技术，应该容易被接受，越新的蒸汽机推广应用越快。其实不然。
1830年之前，尽管蒸汽机的数量在稳步增长，但水车和风车在欧洲的动力源中仍占居主导地位，因为水车和风车造价比蒸汽机便宜、运行维护也方便。直到1830年之后，蒸汽机才快速跃升至动力源的主导地位。高压复合式蒸汽机的成熟，促使运行成本降低，对蒸汽机装机容量的迅速增长起到决定性的作用。
使用成本的下降是导致蒸汽机大幅度扩展的根本原因，不过其过程并非一帆风顺，在不同的行业、不同的国家有很大差别。
在英国的纺织行业，蒸汽机的推广应用就遇到阻力。以兰开夏棉纺织工厂的技术改造为例，该工厂直到19世纪40年代晚期还在沿用老式的低压蒸汽机，而此时距造出能够大幅降低煤炭消耗量的高压蒸汽机已有几十年。直到1847年，英国国会通过了《10小时工作日法案》（Ten Hours Bill），才迫使这些企业主不得不采用先进设备以抵消工人劳动时间缩短产生的影响。
在欧洲大陆，蒸汽机推广应用差别很大。许多国家的资源和交通条件无法与英国相比，如法国几乎没有煤炭资源，后来也极少发现煤矿。当时德国尚未统一，鲁尔地区的丰富矿藏还不为人所知，这种情况下不可能积极引进蒸汽机。又如荷兰盛行风车，对采用新动力机器没太大兴趣。
比利时的情况特殊一些，这个国家具有金属加工的丰富经验，是重要的机器制造商集中地。早在1720年，比利时就从英国购进一台纽可门式蒸汽机，不久就能进行仿制。然而，由于比利时的煤炭矿床特点，可直接通过水平坑道排水，不存在深井积水问题，于是生产商只将少量的蒸汽机用于本国煤矿，而制造的大部分机器都用来出口。对于国内其他产业，水车动力足够满足需求，对采用瓦特蒸汽机并不积极。
美国却是另一番景象。由于地广人稀，资源丰富，加之许多新移民来自英伦三岛，熟悉故乡的情况，美国对应用蒸汽机表现出极大热情，先是直接从英国购买，再是比着图纸制造，其后是将技术吸收消化再创新。
从表1的统计数字可见，从1840年起，蒸汽机装机容量在西方主要国家都在持续增长，反映出蒸汽机不再局限于矿井，而是扩展到需要可靠动力以代替水力装置的行业和领域。如一家大型铁厂或机器制造厂需要装备众多功率不等的蒸汽机，以用来推动鼓风机、转动轧辊、驱动气锤，或操作升降机、吊臂和其他的控制设备。表1 蒸汽机总容量 （单位：千马力*）资料来源：兰德斯．解除束缚的普罗米修斯．谢怀筑，译．北京：华夏出版社，2007：223。* 1马力=745.700瓦。
这些数字可能不够精确，但足以清楚地表明，从1840年到1870年，发达国家每10年总装机容量都有超过一倍的增长。其中，德国实现了巨大的飞跃，这一飞跃与其煤铁产量的飙升一起，宣告了一位新的工业巨人的诞生。
与上述国家相比，当时的中国对蒸汽机完全是另一种态度。据史书记载，1792年（清乾隆五十七年），英国派遣马戛尔尼使团访华，翌年在承德避暑山庄觐见乾隆皇帝，使团带来众多的礼品，其中就有蒸汽机模型。结果让英国人大失所望，清朝皇帝和大臣对远洋的这些新奇东西根本不感兴趣。在他们看来，这些洋人的东西，不过是些无用的奇技淫巧罢了。
又过了半个世纪，清政府尝到英国坚船利炮的滋味，才被迫开始转变认识。
(1)1英寸=2.54厘米=0.0254米。
(2)1先令=12便士=英镑，1971年英国货币改革时被废除。
(3)1磅/平方英寸=6.895千帕=0.0703千克/平方厘米=0.068大气压。
(4)1英里=1.609千米=1609.34米。第二章纺织技术变革
对英国来说，棉花和棉纺织技术都非本土产物，而是从海外传入的。直到16世纪末期，棉纺织业才在英国逐渐扎根。早期的棉纺织技术都是手工操作，由于市场需求，加之利益驱动，棉纺织技术和生产方式发生变革，从手工向机械和机器发展，从家庭作坊向工厂集中，棉纱和棉布产量大幅度提高，促进了英国的经济贸易。一、棉纺织业的兴起
英国的地理位置，比中国的黑龙江省还要偏北，但气候却温和得多，这是因为来自墨西哥湾的大西洋暖流，为它带来了温和湿润的海洋性气候。英国适合多汁牧草生长，畜牧业发达，毛纺织业有悠久的传统，也是英国重要的产业。
而另一方面，东方印度等国生产的棉织物品，两千多年前就传播到地中海沿岸，当地的工匠也很早进行仿制。14世纪时，这一仿制技术向欧洲中部地区扩散，与英国隔海相望的安特卫普城（今属比利时）成为棉纺织业集中的城市，而所需的原棉仍来自东方。
16世纪末，随着航运和海外贸易的发展，大量印度、孟加拉等国的棉织品直接输入英国，影响了民众的衣着和生活品质。1585年爆发的战争使安特卫普城陷落，许多工匠跨过英吉利海峡，逃往英国定居，随身也带去了棉纺织技术。按西方学者的说法，这就成为英国棉纺织业的起源。
棉纺织业在英国逐渐扎根。特别如兰开夏地区，气候条件极适于纺纱，许多个体工匠买回原棉在家里加工，他们将其制成粗棉布，或染成朱红布，再通过中间商运到伦敦等城市出售，或者辗转卖到其他国家。
英国棉纺织业的初期，产品的品质不高，数量也微不足道。伦敦等大城市所出售的棉织品多数还是从印度运来，不仅有印度的花布，还有中国的丝绸，很受上流人士的喜爱。
棉织品和丝绸的大量进口，引起毛纺业的不满，毛纺业主设法阻挠。为此，英国议会于1700年颁布禁令：严禁印度、波斯和中国的印花棉织物输入，凡因违法而被扣押的货物，予以没收、拍卖或再输出。
而在那时，很多英国人已习惯使用棉织物，禁令可以挡住海外进口，不料也刺激了对本土棉织物的需求。随着美洲殖民地的开辟，所种植的棉花大量输入英国，原棉在利物浦港卸船，再转运到距离不远的曼彻斯特，在那里的工厂进行加工。
正是不同要素的汇聚，推动了英国棉纺织业的兴起，使产品量增加，质量也在提升。
故按西方学者的说法，是1700年英国议会的禁令，促成了英国棉织物（代替印度织物）的成功。二、纺织技术四大发明
纺织行业中，纺与织是既区别又联系的两大部分，各自有不同的技术环节，不管哪个环节生产过剩或不足，都会引起整体的失衡。正是个别环节的发明造成不平衡，引发了连锁式的发明，从而导致纺织业的整体变革。
18世纪，英国的纺织业先后出现了多项发明，最重要的发明有：凯伊的飞梭，哈格里夫斯的珍妮纺纱机，阿克莱特的水力纺纱机，克朗普顿的走锭精纺机。这些发明大大促进了棉纱和棉布的生产，推动了纺织工业革命。1．飞梭
飞梭的发明，改变了延续千百年的人手传梭，使英国纺织业变革迈出关键的一步。
飞梭是由英国技工约翰·凯伊（John Kay）于1733年发明的。凯伊生活在英格兰中部的兰开夏，这里是纺织业中心。凯伊原来是制呢绒工，后来成为技工。凯伊熟悉机械结构，社会产生的新需求促使他想办法革新。
过去很长时间，织工织布都是将梭子从一只手传到另一只手，这样织出的布幅宽与人的两臂长相当。若要使布幅变宽，就得用两个织工。凯伊想到使梭子滑动，以代替用手。经过多次尝试，凯伊取得成功，他申请专利获准。从此，属于凯伊的英国专利号542（1733年5月26日颁布）就有了历史意义。
凯伊的飞梭结构如下：织机的两边各装一个击梭器，可沿金属杆在筘座上滑动，带有木把手的操纵绳把两个击梭器连接在一起。从一个方向急拉绳子，击梭器就会将梭子弹射过经纱（交错形成的梭口）。梭子被对面的击梭器挡住，再向相反方向急拉绳便将它弹射回来。梭子带有4个轮子，由走梭板引导。采用飞梭，一个织工可以织出任意宽的布，速度也明显提高。
飞梭应用后，6个纺纱工提供的纱线只够一个织布工用，造成纱线紧缺，打乱了以往缓慢的生产节奏，成为推动纺织革命的重要因素。
西方学者对飞梭有高度评价，如保尔·芒图在《十八世纪产业革命》中写道：“这一发明产生了无可估量的效果。一个产业中的不同工艺构成了一个整体，相当于把那些相互依赖的若干运动构成了系统，这些运动都对应于相同的一个节奏。这一技术改进虽然只是加速了操作中的一个环节，却打破了通常的节奏。”2．珍妮纺纱机
珍妮纺纱机（也称多锭纺纱机）的发明者是英国纺织技工詹姆斯·哈格里夫斯（James Hargreaves）。
18世纪50年代，随着飞梭的推广应用，传统的手工纺纱已难以满足需求，棉纱供应出现短缺。1761年，英国手工艺协会悬赏制造新的纺纱机，要求新发明“一次能纺6根毛线、亚麻线、大麻线或棉线，而且只需一人开机器或看管机器”。
哈格里夫斯有心接受挑战，他学过木工，也修理织机，具备技术条件。一个流传很广的故事说，1764年的一天，哈格里夫斯的妻子在家中纺纱，他进门一不小心把纺车打翻，本来水平的纱轮变成了直立，可是仍在转动。哈格里夫斯一下受到启发：把多个纱锭竖立排列，用一个轮子带动，就可以提高工效。
哈格里夫斯试制成新的纺纱机，并用女儿的名字“珍妮”命名。新纺纱机的大致结构是：一个主木架，有一排竖着的锭子。主架上横跨着两个平行的木制轨道，这两个轨道在主架上可自如地前后滑动。经过梳理引出一根根的棉线，在两个轨道之间运动，被绕在锭子上。纺纱工一只手使架子前后运动，另一只手转动把柄，带动转轮驱动锭子，便纺成纱线。
1765年，哈格里夫斯为发明申请专利，到1770年才获准。尽管晚了几年，然而新发明一传开，还是引起当地织工的恐慌，一群工人闯入哈格里夫斯家砸烂了他的机器。还想不到的是，新纺纱机结构简单，容易模仿，一些商人看好机会，大量仿制出售。哈格里夫斯气恼地去打官司，却因势孤力单，接连受挫。
珍妮纺纱机在推广应用中，又有发明家对其进行改进，从最初8个锭子，增加到18个、30个，有的甚至达到80个，使纺纱机的效率提高了数十倍。
1778年，哈格里夫斯早逝。他死后仅过了10年，据统计，英国拥有的珍妮纺纱机已达两万多台，传统的手摇纺车几乎全部被取代，英国的纺织业发生了重大变化。3．水力纺纱机
1769年，英国人理查德·阿克莱特（Richard Arkwright）制造了由水力驱动的纺纱机，由水力代替人力纺纱，成为推动英国纺织工业变革的重要发明之一。
1732年，阿克莱特出生在兰开夏。长大后受家境所迫而当理发匠，这一职业使他交际广泛，信息灵通。18世纪60年代，飞梭的应用导致纱产量匮乏，纺织业失控，人们对此议论纷纷。精明的阿克莱特意识到，若能提高纱线的产量和质量，就会给他带来运气。
阿克莱特认识一些机械制造匠，通过交流，他掌握了纺织机械的基本构造和性能。1769年，阿克莱特在朋友的帮助下制成水力纺纱机（要知道他本来是机械的门外汉），并获得14年的专利权（英国专利号931）。当年，阿克莱特即争取到银行投资，建起一座纺纱厂。第二年又与富商合作，扩大了工厂规模。1771年，阿克莱特再与合伙人建立新的大型纱厂，选址在克罗姆德福峡谷，靠奔腾的水流驱动水轮，带动多台纺纱机运转。
1772年，阿克莱特工厂的工匠科尼亚·伍德（Coniah Wood）对水力纺纱机进行重要技术改进，引进移动式锭轨代替销钉来导引卷绕纱线，伍德申请并获得专利。水力纺纱机的应用，使之可纺出高强度的纱线，织出优质棉布，由此扭转了此前优质棉布需从印度进口的局面。1773年，阿克莱特建起一座新纺织厂，首次织出英国本土产的优质棉布。
1775年，阿克莱特获得第二个专利（英国专利号1111），其专利范围几乎覆盖了当时纺织机械的所有机构。阿克莱特凭借充足的资本和专利权放手大干，自1775年起，沿着德温特河和特伦特河，建起一座座属于他的水力纺织厂。由于设备先进、科学管理，这些工厂都快速发展。到1779年，以克罗姆德福纺纱厂为例，该厂拥有300名工人、几千个锭子，其厂房规模和生产方式已与现代工业相近。
水力纺纱机的应用，加快了纺织业从小作坊向工厂化的进程，许多手工业者被逼得难以维持生计。1779年，愤怒的失业者闯入伯卡尔克的一座纺织厂，捣毁机器，焚烧厂房。袭击使阿克莱特蒙受很大损失，但这种反抗不能阻止机械化的推进，阿克莱特的事业继续发展。
阿克莱特的成功也引起同行业者的羡慕，许多中小企业开始效仿他的管理模式，并暗中仿制他的机器。1781年，阿克莱特将模仿他的企业主告上法庭，控告他们侵犯了自己的第二项专利。由于专利书用语晦涩，阿克莱特对其专利的说明含混不清，结果败诉。次年他再上诉，因得到瓦特的帮助而获胜。1785年2月，法院判决阿克莱特的专利有效，并判给他1先令的赔偿。这次胜诉使阿克莱特十分得意，也形成对中小厂家的致命打击。共同的利益促使兰开夏和德比的纱厂主们结成同盟，再上诉至高等法院，起诉阿克莱特的所谓发明实属剽窃。原告方的托马斯·海斯（Thomas Highs）和凯伊起了重要作用，在他们有力的证词面前，阿克莱特被迫低头。原来，水力纺纱机的真正发明者是海斯。这一发明早在1767年，在发明过程中，凯伊曾帮助海斯调整机轮，对机器的构造非常了解。阿克莱特则是在1768年通过凯伊获得水力纺纱机的模型，并于次年申请了专利。再据其他人的证词，阿克莱特的第二个专利也被推翻，它只是综合了约翰·利斯（John Lees）、哈格里夫斯等人的发明。1785年6月，阿克莱特的两项专利都被法庭撤销。
虽然阿克莱特不是真正的发明者，但他却能综合别人的发明加以利用，并将之推向社会，其贡献要超出单纯的发明者。尽管在专利问题上表现不诚实，但这并没使阿克莱特的事业和威望受到影响。1786年，因对英国纺织工业的贡献，阿克莱特被册封为爵士。4．走锭精纺机
走锭精纺机的发明，是综合珍妮纺纱机与水力纺纱机两者优点所做的改进，它归功于英国工匠萨缪尔·克朗普顿（Samuel Crompton）。
1753年，克朗普顿出生在兰开夏。受当地环境的影响，年轻的克朗普顿自开作坊，因而对纺纱机械十分了解。当时，珍妮纺纱机与水力纺纱机是纺纱机中的主力军。前者生产的纱强度高、捻得好，但纱线较粗，不适合做纬纱；后者纺出的纱虽说细，但捻度不够，纱线软而易断。为此，克朗普顿有心吸收两种机器的优点制造新的机器，以纺出更高质量的棉纱线。
从1774年起克朗普顿开始试制，到1779年取得成功。他的机器采用水力纺纱机的粗纱筒管和珍妮纺纱机的滑动架，架子上安装锭子，锭子可在运转中前后走动。这台机器可纺出又细又结实的纱线，加之装有可移动的锭子，所以得名“走锭精纺机”。因它是珍妮纺纱机和水力纺纱机“杂交”的产物，又被后人戏称为“骡机”。
克朗普顿有发明的天赋，却缺乏办企业的才能。在走锭精纺机发明后，克朗普顿既没想到抓紧申请专利，也不积极地推向市场，只是将机器安在自己的作坊里，满足于家庭式的生产。
走锭精纺机的效益明显，克朗普顿生产的纱线引起了外界注意。克朗普顿的发达也引来某些人的嫉妒和猜疑，有人想方设法偷看他的作坊，终于发现了不同常规的新机器。克朗普顿无奈，只好将他的机器公开。由于没有专利权的保护，他只能用与人约定的方式，由机器使用者自愿认捐付给他酬金。岂不料很多人不讲信用，到最后克朗普顿只收到捐赠款60多英镑。
在提高纺纱效率和质量方面，由于明显的技术优势，走锭精纺机很快推广。在克朗普顿机器的基础上，又有人加以改进。最初克朗普顿制作的机型有40个纱锭，只适用于小作坊，到1782年便发展为带滚筒的大型机，实现了规模化生产。1790年，水力驱动的走锭精纺机出现，纱锭数已达到四百个。
英国的纺纱工约翰·肯尼迪（John Kennedy）对走锭精纺机做出重要改进。1790年左右，肯尼迪对机器的滑架做了部分改进，使之能够纺出多种类型的纱线。1793年，肯尼迪又着手进行蒸汽机驱动走锭精纺机的研制，1800年获得成功。这一发明使走锭精纺机为大型纺纱厂普遍采用。
英国纺织工业的发展，克朗普顿有不可磨灭的功劳。为此，1812年英国议会通过决议，奖赏给克朗普顿5000英镑。而这一年，仅英国就有360家工厂使用走锭精纺机，纱锭总数达到460多万。三、大洋彼岸轧棉机
轧棉机用于将棉花纤维从棉籽上剥离，1793年由美国人伊利·惠特尼（Eli Whitney）发明。这一看似简单的发明，当年却因它的广泛应用，影响了对英国的棉花原料供应，也影响了美国的历史进程。
17世纪初，美国南方开始发展与棉花有关的产业。美国南方终年温暖，具有得天独厚的种植棉花的条件。18世纪末，美国东南部建起水力驱动的纱厂，一时间，对棉花的需求激增。当时南方适宜种植的棉花属短纤维品种，棉籽又小又硬，用传统的工具很难剥离，只能用手，这是一项耗时费力的工作。
1792年，惠特尼从耶鲁大学毕业，在去佐治亚州的途中他结识了格林将军（Nathanael Greene）的遗孀，受邀到庄园里做客，正是在这里碰到了剥棉籽的问题。受格林夫人的鼓动，惠特尼尝试着解决。惠特尼有制作小发明的经历，16岁时，他在父亲的农场自己建了一个小作坊，做钉子和铁丝。借助已有的技术知识，惠特尼10天就做成样机，经试验改进，半年后正式制成轧棉机。
惠特尼的机器内装有一个圆筒，上面缠着做成细齿状的金属丝，手摇曲柄带动圆筒转动，送入的棉花被轧，棉花纤维从细齿缝中拉出，而棉籽被阻挡住。旁边一个带硬毛刷的滚筒，将圆筒上的棉花刷下来。惠特尼的轧棉机操作简便，一个人一天可以轧二十几千克棉花，大大提高了效率。
惠特尼向种植园主们展示了他的轧棉机，他们感到十分惊奇，毫不迟疑地要求惠特尼供给他们机器，然而惠特尼制造机器的速度不够快，无法及时供货。由于轧棉机结构简单，容易被仿制，因此许多种植园主便模仿制造。1794年，当惠特尼拿到轧棉机的专利时，市面上已有了很多仿造品。
借助轧棉机的帮助，种植园主能够种植更多的棉花，并且只需很少的时间来加工处理。然而，种植园主们没有向惠特尼的发明支付费用。
惠特尼未能获得收益，为此他告到法庭，结果是他付出代价也挡不住不法行为。1802年，南卡罗来纳州答应用5万美元购买惠特尼的专利，却一直拖到1805年才付清。1808年和1812年惠特尼两次向国会申请更新专利，都遭到拒绝。这期间，轧棉机在美国南部需求旺盛，销售量持续增长。
轧棉机的发明使棉花种植业利润大增，棉花种植面积迅速扩大，许多种植园主都改业种植棉花。1793年美国棉花产量2500吨，1825年升到10万吨，棉花出口增长了20倍。为了获得足够的劳动力种植棉花，种植园主从非洲贩运更多的奴隶，奴隶们的生活和劳动条件非常艰苦。美国北方许多人反对奴隶制，而许多南方人则维护现状，这种冲突最终成为1861年爆发美国内战的原因之一，轧棉机也由此成为影响美国的重要发明。第三章冶铁技术创新
18世纪，英国冶铁技术有两个重大创新，一是用焦炭取代木炭冶炼铁矿石，二是把生铁转化为熟铁的“搅拌”工艺，这二者使得1780年到1840年间廉价铁生产量急剧增长，并使英国冶铁业在欧洲的领先地位一直保持到18世纪末。另外，为适应冶铁和驱动水车的水流供应，鼓风装置也有一些重要创新。这些冶铁创新，为制造蒸汽机零部件、纺织机机架、铁轨、铁桥等提供了材料支持。一、焦炭取代木炭
在西方，早期冶炼矿石的燃料是木炭。因而，英国过去的冶铁厂都设在林木茂盛的地区。可以说，早先各冶铁厂为了所需的燃料，都对周边的森林进行过毁灭性的采伐。
另一方面，英国煤炭资源丰富，很早也知道用煤。中世纪时期，英国城市中已普遍使用煤来取暖，并且也把煤用做烧石灰、烧砖、制皂、印染等行业的燃料。就锻造金属和金属加工来说，完全可以用煤，与木炭没有什么差别。然而，若熔化矿石特别是铁矿石，那就大不一样了。因为煤中含硫，一燃烧就挥发，铁矿石受含硫化物的作用，炼出的生铁显脆性，不能锤打加工。当时的工匠也不知如何补救这种缺陷，冶炼铁厂继续燃用木炭，随着木材减少，木炭价格攀升，而冶炼铁厂附近的丰富煤藏却未被利用。
17世纪时，有人尝试用煤冶炼铁，如建立反射式高炉，让火焰通过转折来舔烧放在炉床上的矿石，而火焰中充满硫蒸气，同燃烧的煤直接作用一样，炼成的铁还是显脆性。
直到1709年，英国企业家亚伯拉罕·达比（Abraham Darby）做出发明，实现了人们百年来寻找的焦炭冶炼方法。
达比早年在德比郡的一家麦芽酒酿造厂做过学徒，后来迁到布里斯托尔，在那里与人合伙制造家用的铜锅。后因铜的成本高，他们决定尝试用铁铸锅，获得成功。1708年，达比来到希罗普郡的科尔布鲁克代尔（Coalbrookdale）安家设厂，他租下一个旧冶铁炉和几个锻炉，用冶炼出的铁水灌到砂型铸造铁制品，燃料先是用木炭，不久改为煤，用生煤（即取自煤矿的原煤）试验，没有成功。达比没有泄气，他利用在麦芽酒酿造厂的技术，把煤烘烤成焦煤（就像烘烤麦芽变干枯那样）。另外，他改进高炉的内径以适应焦炭冶炼铁，并安装了新的鼓风装置。
1730年，达比的儿子接替早逝的父亲经营科尔布鲁克代尔铁厂，他改进烘制焦炭的方法，并加强用水车带动的鼓风系统。原来高炉鼓风是通过高处的水池往下泄水，驱动水车带动鼓风的“风箱”。当干旱季节上水池蓄水不足时，需要将水运送到上水池补水。1732年，达比二世修建了用马车输送水的轨道。到1742年，又安装使用了纽可门蒸汽机，将下水池的水提升到上水池，而高炉鼓风仍借助水车驱动。直到1781年，采用瓦特的“太阳和行星”齿轮联动装置蒸汽机，可直接带动鼓风装置用于高炉鼓风。至此，冶铁业不仅摆脱了对木材的依赖，也逐步摆脱了对水力的依赖，科尔布鲁克代尔因此成为英国18世纪重要的冶铁中心。
焦炭冶铁开启了英国的冶铁技术创新，随着更多的冶铁厂采用焦炭冶铁，英国冶铁业快速发展。从1780年到1840年，英国廉价生铁的生产量急剧增长，从大约每年40 000吨增长到2 000 000吨（见图3-1）。英国的生铁产量（1740—1839）
焦炭冶铁在带来冶铁业兴旺的同时，也促使英国冶铁业向中西部和南威尔士产煤区集中，进一步带动了英国煤矿业的繁荣。二、生铁转化熟铁
当用焦炭作燃料大量生产生铁时，一个新问题又出现了：这种生铁不能锻压，只适于铸造，怎样才能把这种生铁转变为熟铁（又称锻铁、韧性铁）呢？
在经济需求的压力下，实践又一次走在理论前面。用木炭冶炼的生铁，通过加热锻打可以转化为熟铁，而用焦炭冶炼的生铁，由于含硅量较高，需要反复加热和锻打，要耗费更多的劳动和费用。最终是亨利·科特（Henry Cort）解决了这个问题。
科特是英国海军部军需部的工程承包人，他知道技术的重要，经过试验，1784年科特用“搅炼法”将生铁转化熟铁成功，他为此获得专利权。科特与一些上层人士熟悉，他巧用人脉关系推广自己的发明。
搅拌法大致是这样：生铁里充满不纯的杂质，先把它打成碎块，放在焦炭火上炼，使它失去一部分碳素。然后再掺一些矿渣（富含氧化铁）放到反射炉的炉床，当生铁熔融时，生铁里的碳素会与空气中的氧结合。为了促进这种结合，用搅拌棒不时地搅动金属液，不久达到一种“沸腾”状态，并伴有特有的蓝色火焰。改变火力的强度，金属液聚集成一种海绵状的熟铁块，把这种熟铁块送到轧辊机中去压延成条状。使用轧辊机被认为是科特发明中最具创新的部分。在这之前，熟铁的生产是用锻锤锻打，而利用轧辊机，12个小时即可加工完成15吨铁，大大改变了用锤锻打的低效率。
1782年，瓦特与科特见面，当即肯定了搅拌法的发明，瓦特还写信告诉格拉斯哥大学的化学教授布莱克。起初，英格兰中部的大冶铁厂老板对科特的发明不以为然，但看到产品后很快就改变了态度，他们主动找上门来，请求科特允许使用他的专利。
就在科特的未来展现一片光明时，不料1789年他受到债务牵连而被起诉，个人企业破产，专利证也被没收，那些签订过协议的冶铁厂老板趁机不再支付他的专利使用费。科特的发明就这样成了公共财产。不过，也由此促进了这一技术的扩散。
搅拌冶炼成为英国生产熟铁的基本方法，产量呈现巨大的增长，价格大幅度下降。英国的生铁和熟铁生产极大地满足发展工业的需求，对于日后铁路和轮船运输业的发展、对于机器生产设备的广泛运用都发挥了至关重要的作用。三、热鼓风技术
在冶铁中采用热鼓风是一项重要创新，它颠覆了传统的水车带动“风箱”往冶铁炉送冷空气的方法，对冶铁业发展产生了深远的影响。
早期的鼓风装置离冶铁炉比较远，常常在半英里之外，这是因为“风箱”要用水车驱动，而安置水车必须靠近河流。为了提高融化铁矿石的效能，如何向冶铁炉里吹入更多的空气，成为当时要解决的一大问题。工程师尼尔森（Neilson）着手进行研究，而他的成功很有戏剧性。尼尔森原本设想通过加热空气来增大压力，以为可以增加气
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]