（六）动力设备和机械

十八世纪初期，阿格里科拉描述的那种木桶水泵还在普遍使用。铁泵桶只在重要工厂里应用，不过直径还很小，仅有的用来镗制铁泵桶的工具还是那些业已用来制造枪炮的东西。一组部件装配起来，由一个水轮或若干联结在一起的水轮经由曲柄和杠杆驱动。伦敦大桥处的机械就是这样配置的。亨利·贝顿描述了这设备。这说明载于J.T.德扎古利埃的《实验哲学教程》（Course of Experimental Philosophy）第二卷（pp.436 f.），图275即自该书录制。木轴干长19 英尺，直径3 英尺。水轮直径为20 英尺，带有26 个叶片，每个长14 英尺、深18 英尺。两个带44 个嵌齿的正齿轮装在这轴干上，两端各一个，驱动灯笼式小齿轮转过40 圈，后者销在直径4 英寸的铸铁曲轴上。它们通过一个由连杆、横杆和活塞杆组成的系统来操作四泵组中的每一台泵。泵桶的直径为7 英寸，冲程为2 英尺6 英寸。虽然驱动水泵的杠杆长24 英尺，但活塞杆的运动不可能丝毫不差地垂直而同活塞完全适配，哪怕圆筒镗成真正圆形也罢。实际上，所示出的这种类型水泵依赖于被“淹没”，从而使泄漏效应减至最低限度。

这一时期里有四架水轮在实际应用，分别驱动八台、十二台和十六台（有两架）水泵。这组合水源（每分钟六转）每小时供水123000加仑，其中有五分之一或四分之一损失于泄漏。

轮轴的轴承安装在横杆上，后者铰接在曲轴中心线位置上，并装备有一个升降水轮来适应潮汐形势的装置。然而，这种调整结果发现是多余的。提升装置很少应用，因此，最后就拆除了。

1759 年，这桥中间的一个桥墩被撤除，拱跨58 英尺的单拱取代以往多条狭窄水道中的两条，结果，可从这些水轮获得的动力减少了约35％。随着所需要的供水不断增加，这损失变得相当严重。1763 年，斯米顿应邀就这个问题发表意见。他提议，这条河在这大拱之下被冲刷得很深的河床应当加以提高，方法是倾倒一定数量碎砖石。他还提出，宽水道应从无论哪一边缩狭约3 英尺，两个小船闸应永久关闭。这计划仅执行了一部分。斯米顿设计的一架新水轮曾建造在这大桥的第五个墩（见图274 和275）上。这些水轮的总直径为32英尺，宽度为15 英尺6 英寸。

从斯米顿1771 年的一次报道来看，那时用了一台“大力引擎”（即蒸汽机）来辅助这些水轮。

约克营造公司的历史提供了供水系统实践发展的一个饶有兴味的例子。1676 年，在查林十字站现址或附近开始用畜力装置提升水。这家公司于1691 年组成。1712 年，装设了一台双工作室萨弗里引擎，但结果证明是失败的，因为它的许多焊接接头经常爆裂和泄漏。1719 年，这家公司活动扩展。它出资购进了苏格兰一些没收的地产，在那里开采煤矿和炼铁。1725 年，它装设了一台纽可门引擎。可是，虽然这家公司是煤矿主，但也感到这引擎太浪费了。煤燃料价值达一年1000 英镑。这引擎的应用于1731 年中辍。空气引擎所连用的水泵在伦敦大桥处那种型式上表现出显著进步。它是塞缪尔·莫兰的柱塞式泵，最初由1674 年的一项专利引入。一根旋转的黄铜柱塞（直径12 英寸）充满铅，并负载一堆这种金属的“干酪”。它用链条挂在引擎横杆上。柱塞通过一填函作用，用一对“皮帽”防止经过这填函的泄漏。这样，避免了镗制精密圆筒这种困难加工。这种用于柱塞和活塞的填函料方式成为后来大多数往复式引擎和泵的一个常有特点。

中部所示的水轮通过齿轮驱动图右边清楚示出的两根三连曲轴。曲柄操作左边清楚示出的倾斜横杆，后者驱动右下角和左下角所示的水泵。

1763 年，基恩·菲茨杰拉德（Phil.Trans.，Vol.LIII，p.139）描述了这些工厂中的一台引擎，它有一个直径45 英寸的汽缸，每分钟完成七次半8英尺的冲程，驱动若干内径12 英寸的提升泵和压力泵，提升水100 英尺。及至1775 年，又有一台引擎并存，它的汽缸直径为49 英寸，一分钟完成八又四分之一次9 英尺的冲程，驱动若干直径13 英寸的水泵。

斯米顿于1777 年修理和改良了这些引擎。那台45 英寸汽缸的引擎于1805 年被更换。那台49 英寸汽缸的引擎一直作为备用机，但到1813 年也让位于一种设计更现代化的引擎（Farey：The Steam Engine，1827，p.243 ff.）。这些引擎在尺寸和动力上的增加，表明了这一时期里在这方面总的进步速率。图277和278 代表了十八世纪二十年代在泵设计方面的最佳实绩。一台在上冲程放水，另一台在下冲程放水；两者由同一台横引擎驱动。

贝利多对巴黎圣母大桥处的供水系统的描述，也体现了基本原理理解上和建造方法上的一般进步。1670 年由若利装设的最早水轮和泵跟同时代在伦敦大桥的那些一样粗糙。著名的马利工厂建造者拉内坎曾改进了它们，但在1737 年，它们被认为已经过时。贝尔纳·福雷·德·贝利多（1698—1761）在那年奉派去报道它们的状况（Arch. Hyd.，Part I ，Vol.II，Book III）。

圣母大桥供水系统当时的水轮，直径为20 英尺，宽18 英尺，因此，在尺寸上同贝顿描述的伦敦大桥那里的水轮很相仿。但是，在塞纳河比较缓慢的水流中，它每分钟仅完成两转。贝利多提出，叶片数目应从六增加到八，速度增加到一分钟三转，而这意味着，叶片以三分之一的水流速度运动。他进行的计算表明了，如此可能产生多大动力。因之，他根据下列各点严厉批判了当时现有的泵：

（1） 阀室和通路的形状造成妨碍。

（2） 它们包含太多的直角转弯。

（3） 管道太小。直径3 英寸的支管不可能令人满意地承担直径七、八英寸的圆筒放水；6 英寸的提升干管应当增加到至少8 英寸。

把图279 的旧阀门同图280 的阀门作比较，就充分地表明，贝利多懂得不受限制的均匀水流的重要性。图280 还表明了他设计的新活塞。

阿格里科拉在1556 年描述的水轮的结构，直到十八世纪后半期才发生明显变化，这期间欧勒（1750—54）、德帕西厄（1753）和斯米顿（1752—59）三人根据水力学原理对之作了批判修改。贝利多（1737）和德扎古利埃（1744）在描述当时的实践时夹进了理论讨论和计算。但是，他们的理论非常含糊而又不精确，对设计不起作用。

贝利多提供了装设在图卢兹的一台正式叶轮机的图，这叶轮机依靠一垂直轴工作。不过，它的作用谈不上效率。欧勒提出了一个重大改良，即装设弯曲叶片，把水流引入这种水轮的转子，其进入角使水进入转子时没有相对沿周速度。但是，这思想没有产生直接结果。它充其量只能用于对通常结构的水轮作科学批判。但是，欧勒的机械经验尚不足以胜任这一任务。

斯米顿既是工匠、咨询工程师，又是科学家，而且是造诣很深的科学家。因此，在致力于改良他设计和装配的机械的性能的同时，他还能对机械的性能做严格科学的考察。他亲手制作否则不可能得到的模型和设备，并按照实地经验和实验室实验批判流行理论。

1752 和1753 年，斯米顿制作了水轮和风车机构，并利用它们获得了宝贵资料。他打算等到“有机会把由此得到的种种结论付诸实践，放到各种各样场合，用于各不相同的目的，以便能够向皇家学会保证，他感到它们已达致成动”的时候［像他于1759 年3 月3 日宣读论文《关于水和风的自然力量的实验探索》（Experimental Enquiry concerning the Natural Power of Water and Wind）时向皇家学会作的解释那样］，再发表这些资料。

《实验探索》中描述的第一系列试验用图281和图282 中所示的装置进行。水在被测水头之下经由一开口可变的闸排放，通过一台模型下射水轮（图281）的叶片。这水头实际上保持恒定。借助一台容易经校正的泵加以测量的水流中，放有一根杆，其截面积膨胀到活塞面积的一半，使得在泵的上下冲程中水位升降相等。图282 用特写示出的一个棘轮装置使水轮可同用于测量所产生动力的升降滑车相联接和脱离。

机械描述和测量的祸根在于所用术语的混乱。斯米顿的术语也不是理想的。但是，他谨防惯常的含混性。为此，他清晰地定义他的测量所利用的那些量。在斯米顿看来，“动力是强度、万有引力、冲量或压强的发挥，以便产生运动。”在数值上，它是所施加的重量和这重量在给定时间内降落的高度之乘积。在水力学中，这积成为在这给定时间内通过的水的重量乘以这水释放时的水头。每一所产生的动力都有相应的“效应”，后者是所提升的重量（包括为克服摩擦所必需的重量）和在给定时间里提升的高度之积。

这些实验旨在弄清楚，在怎样的特定负载和速度之下，这效应达致最大。采用了一种机巧的装置来测定冲击水轮的水的速度，避免了因注孔形状带来的复杂因素。水轮由在R 处（图281）的重物“驱动”，并加以调整，直至转速保持固定不变，不管水流动与否。于是，水的速度和水轮叶片的速度相等，而这速度可以容易地计算出来。所施加的重量等于水轮的摩擦阻力，而这重量在正常试验运行时必须加于水轮所提升的重量，以便给出为计算“效应”所需要的重量。

令P=斯米顿的动力即这水在给定时间里消耗的功；

Q=在这给定时间里通过这水轮的水的重量，根据水泵冲程数目计算得到；

H=计算得到的水头=V²/2g；

W=水的作用所提升的重量；

w=克服摩擦所需要的重量；

h=W 在这给定时间里所提升到的高度；

E=这动力在这给定时间里对负载产生的效应或者所做的功；

那么，P=Q·H，以及E=（W＋w）h。

可以注意到，P 和E 是在给定时间里所做的功的总数量。斯米顿没有利用“动力”概念作为“做功的速率”。

对于水头、水流和负载的不同值，做了七组实验。一份表格形式的记录在每种情形下都给出同最大效应相对应的速度。

在没有运动发生时，水轮受到最大“力”的作用。最大“效应”发生在水轮速度处于水速三分之一到二分之一之间的时候——前一个值相应于高速度，后一个值相应于大量水流。在最大效应上，效应约为“动力”的三分之一。

从这些实验结果，斯米顿引出以下几个结论：

H 近似等于实际水头，尤其对于大的注孔开口；

对于H 的一个给定值，E∝Q∝U；

对于Q 的一个给定值，E∝H∝U²；

因此，对于一个给定的开口，E∝Q·H∝U·U²∝U³。

斯米顿的装置（见图282）很容易适应于下射水轮应用。下面的注孔关闭，水道fg 固定在其位置上。水轮的正面加以变换，棘轮反向，轴升高，使叶片得以清除停滞在泄水道的水。像前面一样，对于每一种水头和开口，都做一组预备实验，以便确定给出最大效应的负载和速度。然后，把十六个这种最大效应场合的结果列成表，加以比较。当从最小水头到最大水头时，效应和动力之比从 变化到 ，其平均值约为 ，而在下射水轮的情形里为 。上射水轮是一种依赖重力工作的反作用机械。由于依赖所传递的冲量，这种上射水轮因非弹性物体间碰撞而损失了潜藏在水头中的动力的一半。

如果效应对动力之比系相对于水轮本身的高度来取，则在几乎一切场合均可得到比最大为 ，而相比之下，当考虑到所消耗的总水头时，比为 。水轮相对整个降落越高，效应也将越大。因水头超过为使水略高于水轮轮辋速度地流向水轮所需要的水头而产生的冲量，基本上由于水斜向进入叶片而耗费掉。轮辋速度越低，效应就越大。然而，实际上还是需要略高于每秒3英尺的速度，否则，水轮尺寸就变得太大。而且，由于这个缘故，对于很大的水轮，通常速度都相当高。

上射水轮的最大负载乃使水轮周沿的速度减小到其恰当值。低于每秒2英尺时，运动变得不平稳，无论模型试验和大水轮都如此。图283 和284 示出斯米顿后来的两种水轮，它们由罗巴克博士于1769 年装设在卡伦铁工厂。

由于认识到斯米顿概述的那些原理，水轮得到了改良，变得更为有效。十八世纪下半期，材料和工艺又有了改进。这种水轮阻碍了蒸汽动力的进步。实际上，空气蒸汽机本质上是一种泵抽装置，因此，斯米顿及其同时代人通常都通过利用蒸汽机提升水来驱动上射水轮，从而获得连续旋转运动。即使当旋转式蒸汽机已成为极其普遍采用的动力源的时候，在水充裕而煤稀罕的地方，就是在十九世纪晚期，水轮已最终在水轮机极高效率面前相形见绌，水轮仍然在建造和使用。

另一方面，在十八世纪里，风车在流行性、效率和精巧构造等方面都达于极致。但从此之后，风车便每况愈下。风车的起源是一个思辨和猜想的问题。总之，“柱式风车”似乎最早是在波罗的海沿岸出现的，这种形式风车延续了几个世纪，今天仍散见于各地（图285）。

柱形风车的结构如下所述。装设了四个圬工墩，上面架设一对十字杆。立柱竖立在十字杆的交叉点上。这立柱是一根直径约2 英尺的实心杆，由十字杆借助称为“方杆”的倾斜构件支撑。一根称为“冠杆”的坚牢旋转横杆设在立柱顶上，水车的上层结构则建筑在这横杆之上，构架和机械的重量由一个环承载，这环围绕方杆交叉点处的立柱。

动力取自一个大的嵌齿“闸轮”，后者围绕一根木“风轴”，此木轴伸出风车建筑之外承载翼板。翼板由称为风车翼的锥形长木件支承，这些翼固定于比较坚牢的“座台”之上，后者榫接于风轴的凸出端。

借助一根长长的木尾杆，这种风车整个地转进风眼，所必需的动力由一个小的可携式绞盘施加，这绞盘捆绑在一根立柱上，这些立柱则适当地装设在一个围绕风车底座的环上。

一种较晚类型的结构示于“塔式风车”（图286）。这种风车不是整个地转动，而是仅仅一个承载风轴和翼板的头转动，这头安装在一个滚柱环上，后者装设在一座圬工塔或木塔的顶上。这种支承方法使得能够达到很大的高度，使得风车更容易转动，并且开拓了风车动力的可能用途。

拉梅利于1588 年在他的《各种人造机器》（Diverse et Artificiose Machine）中用图说明了柱式和塔式水车。各个荷兰著作家的著作，例如皮特尔·林德佩希的《建筑力学宝书》（Architectura Mechanica of Moolenboek）（1724 年）、《万宝全书》（Groot Algemeen Moolenboek）（1734 年）和J.范·齐尔的《万用机器舞台万宝全书》（Theatrum Machinarum Universale of Groot Algemeen Moolenboek）（1734 年）都用大幅工作图说明更加精致得多的机构。

这些示图不仅表明了风车的结构，而且还表明了它们所应用的机械以及用于安装它们的器械。铁用得很少。风轴在轮端处的轴颈部分地是一些铁杆，它们齐平面地沉埋在木轴之中。支承风轴翼板端的轴承是硬木或石头制成的。在远离翼板的那一端，一个活塞销兼起轴承和止推两种作用。这销是铁的，在一个铁轴颈中活动。铸铁耳轴是在十八世纪初引入的。斯米顿应用完全铁制的风轴，如同图287 所示装设在泰因河畔纽卡斯尔的“烟囱式风车”那样。

驱动带木或铁绞盘头的“灯笼式”小齿轮的那些大齿轮，其硬木嵌齿的齿根据一种简单的约略估计方法确定。这些齿在节距圆以下的各齿面相互平行。在节距圆上面，它们被制成圆弧，其圆心在节距圆上，半径等于节距。这只能对一种尺寸齿轮和小齿轮给出接近恰当的啮合。

铸铁齿轮之用来取代木嵌齿和绞盘头，归功于斯米顿。他约在1755 年引入这一改良。他还从荷兰引入把滚柱（这头在滚柱上旋转）安装在固定于一个环的销之上的做法，使滚柱保持正确间距，而又不让销承受重量。

如拉梅利（1588 年）所说明的，早期风车的翼板是长方形的，被翼一分为二，在它们的全部长度上保持固定倾斜角。十八世纪的荷兰风车中，倾斜角同离轴的径向距离成比例地减小，从而使风和翼板表面保持恒定相对速度。

斯米顿似乎是最早以科学方式研究风车翼板设计问题的人。他的实验和结论的说明载于上面已提到过的《实验探索》之中。自然风很不一定，因此，无法用于实验目的。于是，斯米顿制造了人工风。为此，他把风车翼板安装在一根水平臂上，这臂固定在一根垂直轴上，这轴上安装有一个鼓。对缠绕在这鼓上的一根绳索施以适当张力，就可以按所需速度驱动这垂直轴。这轴的旋转同一个可调节的摆的节拍同步。其效应通过使风轴刮起一个小重物而加以测定（图289）。摩擦也被测定，计算中给它考虑一定的容差。

对帆的不同型式和展距以及不同的倾斜角，做了一系列试验，总共十九次。这些试验得出了下述结论。

（一） 关于翼板的最佳形式和位置：

（1） 帕朗和马克劳林以往下的理论结论是错误的。按照这两位作者的见解，倾斜角也即翼板平面和翼旋转平面间的倾角应为35°。实际上通常采用这角的一半，在这种情况下，最大负载和每分钟转数之乘积增加百分之五十。帕朗的角给出“最大的力”，但因速度太慢而无法做有用的工作。

（2） 在理论上，倾斜角随着离风轴的径向距离增加而减小，将使整个翼板在向风侧呈凸表面。荷兰实际上最好的做法是让翼板以凹面对着风。实验表明，“当风吹到一凹面时，这整个面将获益，尽管每个部分分别来看并未得到最大好处。”

斯米顿对于代表翼板相对风轴的外径之各相继六分之一的那些位置，求得了最佳角度为18°、19°、18°、16°、12.5°和7°。

（3） 斯米顿最早的翼板是长方形的，这种翼板运动时跟随着翼。他给这些翼板的前沿增添一块三角形布，基底为原始翼板宽度的一半。这样，他扩大了这些翼板，使之面积增加百分之二十五。他发现，这种增加是有益的，但需要更大的倾斜角。

（二） 空载风车翼板的速度和加载而产生最大动力时的速度之比约为3∶2。

（三） 最大负载等于恰使翼板停止的负载的六分之五。

（四） 翼板的效应受下列诸法则支配：

（1） 翼板速度∝风速。

（2） 最大负载∝（风速）× （翼板速度），即∝风速²。

（3） “效应”∝（最大负载）×（风速），即∝风速³。

然而，如果负载恒定，则风车在风速增大时无法发挥其最大动力。实际上，“风车在顶着一个固定对立物起作用时，大大丧失其效应。”

（五） 对于相同的风速，不同大小的类似翼板的性能受一种“比例效应”支配。

（1） 由于翼板尖端的速度同风速成一定比率，所以，在给定时间里，转数必定随着极限半径的增加而成比例地减小。

（2） 风产生的力∝半径²。这力的杠杆臂∝半径。

因此，所产生的转矩∝半径³。然而，由于转速∝半径的倒数，所以，作为转矩和给定时间内转数之乘积的效应仅相当于类似风车中的半径²。

可以注意到（斯米顿未提出这一点），虽然风车的动力（斯米顿的效应）按半径的平方增加，但活动零件的重量将至少按半径的立方增加，而且，如果要提供同样的强度，则增加更甚。因此，一座个别风车的尺寸必定有一个经济上的界限。

斯米顿求得，在使用他的扩大翼板时，一座翼半径30 英尺的风车的动力相当于18个人或 匹马的力量，当使用普通的荷兰翼板时，则相当于10 个人或2 匹马的力量。这么巨大的尺寸，却只得到很小的动力。这使风车不能同蒸汽机相匹敌，尽管风车运行成本很低，维护也简便。

安德鲁·米克尔（1719—1811）对风车的机构作了一些重大改良。米克尔是个有独创性的水车设计师、农场主和磨坊主，还是著名的脱粒机发明者和风车设计师约翰·伦尼（1761—1821）的师傅。

如上所述，1750 年以前，风车头用尾杆拖拉转动，而这在疾风中是十分吃力的工作。那年，米克尔引入了“扇尾”传动装置。安装了一座小的辅助风车，同主翼板相垂直。当主风车正确地调整好之后，辅助翼板便静止不动。然而，如果风向转变，辅助翼板便又活动起来，借助蜗轮一蜗杆和小齿轮一齿条机构，提供3000 比1 的减速，驱使风车头转动起来，直到主翼板吃足满风，这时，辅助翼板复又静止。如果风车自动地面向风，那么，阵风和狂风损害翼板的危险便大大增加。因此，米克尔在1772 年作了调整，把翼板分成若干不均等开合的部分，开裂也受到控制，于是，过量的风便被自动“漏掉”。（参见Arthur Titley：Notes on Windmills，载Trans.of the Newcomen，Society，Vol.Ⅲ。）

威廉·丘比特对自动开合的百叶窗式翼板的应用作了改进，于1807 年取得了专利权。米克尔的装置是一个安全阀。丘比特的装置是一个可调整的调节器。布翼板给出比较强力的驱动，但比“软百叶帘”式样更难控制。

虽然可调翼板调节了传动速度，但面粉机的成功工作要求调整磨石间孔隙。在早期的风车中，这是用手工调节的。后来使用离心调速器。托马斯·米德（1787 年）和斯蒂芬·胡珀（1789 年）获得这种装置的专利权，但它在1787 年之前已在应用。

1776年4 月25 日，斯米顿向皇家学会宣读了一篇论文：《为赋予始于静止态的重物体不同速度所必需利用的机械动力的数量和比例的一次实验考察》（An Experimental Examination of the Quantity and proportion of Mechanic Power necessary to be employed in giving different degrees of velocity to Heavy Bodies from a State of Rest）。这篇论文通常被同上面已提到过的1759 年的《实验探索》相提并论。

斯米顿的《实验考察》没有给力学理论增添什么新东西。但是，它让人注意到，实干家和科学家头脑里都对功率、功、力、时间和距离等量之间关系存在混淆认识。伽利略的动力学一直沿着两条路线发展。牛顿第二定律把力定义为质量和单位时间里在其中引起的速度之乘积。这自然导致把所产生的运动的数量即动量，定义为质量和所获得速度之乘积。另一方面，惠更斯从力同它所作用的物体的运动距离的关系来考察力，因而认为，活劲即M·V²是更合理的量度。

如果E=使物体移动距离S 而做的功，

F=产生这运动的恒力，

M=物体的质量，

V=时间t 中在这物体中引起的速度，

那么，E=F·S=(1/2)M·V²，而冲量I=F·t=M·V 。

这两个陈述的无论哪一个都可从另一个推导出来。然而，其中一者尤其引起相当大的混淆。两个物体相碰撞时，其间的运动传递使这体系的总动量保持不变。但是，如果这两个物体不是完全弹性的，则就有活劲的损失。甚至像德扎古利埃和贝利多这样的权威人物也在这个问题误入歧途。

德扎古利埃（Experimental Philosophy，Vol.II，p.92）认为，这分歧是措辞上的争执。但是，他在把理论运用于工程计算时也走入歧途。他引用了安托万·帕朗（1666—1716）的话，大意是，当一个下射水轮的叶片以水速的三分之一运动时，这水轮能做最大的功。（斯米顿发现，当损失小时，这个数字接近二分之一。）这时，水的三分之二以同速度平方成正比的力驱动水轮，克服了那将完全阻止水轮转动的阻力的 。这力乘以水速的三分之一，便给出原始水头可供的功的 ，作为可以预期的最大输出。

科林·马克劳林在他的《流数》（Art.907，p.728）中用微积分重复了这个帕朗—德扎古利埃论证，但未加批判。斯米顿在1751 年开始做经典实验时，怀疑这些结论不精确，并证明，在最佳条件下，“效应”对“动力”的实际比大于三分之一。德扎古利埃也指出（Exp.Phil.，Vol.II，p.532），“根据他自己的经验，一座制造精良的上射水轮［和一座下射水轮］在同样时间里磨同样多谷物，但用的水少十倍”。同时，大量经验证实，斯米顿的实验证明了，效应动力比在一座精良上射水轮中至少为三分之二，或者说是一座相当的下射水轮的两倍。

另一方面，贝利多（Arch.Hyd.，Vol.I，p.286）和斯威策（Hydrostatics and Hydraulics，1729，Vol.II，p.293）则认为，如利用相等的水量，则一座下射水轮将比一座上射水轮产生多六倍的效果。因此，德扎古利埃和贝利多两人各自对上射和下射水轮的相对价值的估计，相差竟然达60 比1 之巨！

贝利多关于风车翼板速度的见解同样也不可靠。他力主（Arch.Hyd.，Vol.II，p.72），风车翼板的形心应当以风速的三分之一沿其自己的圆圈行进。翼板形心以20 英尺的半径划出126 英尺的圆周。它通常一分钟行20 圈。因此，它的运行速度为每分钟2520 英尺。这速度的三倍约为一小时80 英里，也即接近飓风的速度。

斯米顿认识到，在能够把工程实践同理论联系起来以前，还需要某种比同时代人所提供的更好的计算基础。他发明了一种装置，用它能够测定，为了赋予同一个物体不同速度，必须消耗多少“机械动力”。

两个铅圆筒（每个重3 磅）安装在一根水平的圆柱形白杉杆上，后者穿过一根垂直轴，这轴以一坚实的钢杯为支枢，由一外加的重物驱动，中间借助一根绳索，后者缠绕在两个筒M 和N 之一个上，这两个筒在垂直轴上转动。M 的直径两倍于N。主动重物以1∶4 之比轮番施加于两个筒，回转质量处于整个可以得到的最大半径及其一半处。斯米顿根据观察推论，相等的机械动力在作用于小筒时像作用于大筒时一样产生相等的效应，但产生这效应所花时间要长一倍。他还得出结论：

如果P 是机械动力，

W 是所施加的重量，H 是它的降落，

V 是在时间t 里赋予回转质量的速度，

那么， P=W·H∝V²，

以及，V 既同W 也同t 成正比例：

V∝W·t。

无论这些质量在小的还是大的半径上回转，相等动力在它们中都引起相等速度。

于是，如果M 是启动的质量，那么，

W·H=(1/2)MV²=进入该系统的能量，以及

W·t=MV=进入该系统的动量。

然而，由于缺乏确定的单位和命名法，斯米顿未能阐明，他的实验已证明了，考察外加力所引起的运动的两种方式都是正确的。他满足于说，牛顿的追随者忽视了驱动力所必须行过的距离，而他们的对手没有考虑到产生效应所花的时间。他力主，通用量度应当是机械动力（W·H），它由所产生的机械效应的总量来度量，而不管达致效应所花时间的长短。不管水流速度快慢如何，一定量的水在给定水头下总是磨那么多谷粒。

及至1700 年，同哈特曼·朔佩尔在1568 年说明的状况相比，机械车间的配置和设备已经稍见进步。莫兰的柱塞泵也许要求空心黄铜铸件长10 英尺、直径10 英寸，并具有精确的圆柱形表面。车削这种柱塞，需要比以往使用的更为重型的车床。不过，床身仍是一对坚牢的板条。加工粗坯用的手工具也和木工凿不同，差别不是在使用方法上，而在于截面更坚牢以及对于刀刃的刀面角不同。柱塞泵那时很少见，而且十分昂贵。这部分地是因为材料运往现场的运输费高昂。

纽可门引擎在原地建造。主要技工由最初从当木匠学会手艺的工匠担任。铁匠和管子工当助手。不过，指导操作的人是水车设计师，他们逐渐发展为工程师，在传统技艺上再增添使用冷錾和锉的技巧。机械仍主要用木材制造，用手锯，用斧修整。

英国最早的锯床是伦敦附近的一个荷兰人在1663 年装配的。但是，由于工匠深恶痛绝，它不久就被弃置。直到1767 年，才有人重做了这种实验，那是一位伦敦木材商，他在工艺学会支持下，在莱姆豪斯附近安装了一座风车来驱动一组横割锯。这破坏了锯工的行业习惯和特权，结果引起了一场大骚乱，其间这座风车被捣毁。然而，当局这时说服人们相信，必须扩大应用机械。结果，骚乱者遭到惩罚，风车主得到赔偿，风车又重建起来，蒙准运行，不再受干扰（S.Smiles：Industrial Biography，1863，p.165）。

新的大型制造工业的早期先驱之一是约翰·罗巴克博士（1718—94）。罗巴克最早受的是医学和化学的训练（他于1745 年在伯明翰行过医）。在伯明翰期间，他发明了制造矾的铅室工艺。这导致他于1749 年在普雷斯顿潘斯建立一座工厂。他还在这一地区开设了一家陶器厂。他同合伙人一起在1760 年又在卡伦创设了苏格兰第一座铁工厂。这些工厂的工作包括熔化矿石以及制造枪炮和其他铸件。在附近的金内尔豪斯，为了研制詹姆斯·瓦特的发明，最早尝试按照罗巴克和瓦特取得的专利建造实际大小蒸汽机。

如此扩大应用铸铁，要求设计和装配用于生产铸铁和加工铸件的强大机械。斯米顿应邀担任顾问。作为给这个时期的鼓风炉供风所需要的那种机械的一个例子，图291 和图292（采自斯米顿的Reports，Vol.Ⅰ，p.364 f.）示出1769 年安装在卡伦铁工厂的鼓风引擎。机架和横杆仍是木质的。但是，汽缸和曲轴是铸铁的，因此，管件用得很多。而顶住一把刀具，其直径等于汽缸直径，安装在一根由水车驱动的轴上。另一方面，枪炮通常是旋转的，而不旋转的钻头尖则用一根手动螺杆进给。

在镗缸过程中，铸件用链条拴在台车上，被链条和卷扬机拖拉

镗床的重型镗刀盘倾向于从汽缸的底部而不是顶部排除金属。因此，随着汽缸转过一个直角，镗削重复三次。结果得到的不是精确圆柱形的表面，而铸件本身起导承的作用。原始铸件的任何不精确性都会带到已加工的工件上。斯米顿用来把镗杆的导端安装于小台车上的装置，仍然使铸件本身导引刀具的纵向运动。这些缺陷在纽可门引擎汽缸中造成的后果很小。但是，它们却导致斯米顿认为，瓦特的改良不切实际，应予拒弃，因为这些改良要求一种他认为不可能获得的工艺精确度。如我们在后面将可看到的那样，瓦特的困难是由伯沙姆的约翰·威尔金森（1728—1808）解决的。威尔金森在1775年发明了一种空心圆筒形镗杆，两端都安装在轴承上。威尔金森的镗床和他的镗杆（后来的式样）示于图294（采自Trans.of the Newcomen Soc.，Vol.V，E.A. 福沃德在那里讨论了镗杆的发展）。

威尔金森的镗杆空心、带槽，直径为10 或12 英寸。一根实心杆沿管的中部向下行。这实心杆不旋转，但通过那驱动刀具旋转的外杆中的槽控制镗刀盘的纵向运动。一根加重杠杆和一个棘轮操纵一根带小齿轮的轴，它们借助实心杆末端固定于其上的一个滑动齿轮拖拉这实心杆，从而把回转刀具向固定的汽缸铸件进给。下部图中所示的螺杆据认为是后来改进的结果。

威尔金森的空心镗杆发明没有专利权保护。因此，达比于1780 年在科尔布鲁克代尔仿造和安装了它。此后的不多几年里，又有三四个引擎制造家这样做过。另外，1795 年在博尔顿和瓦特的索霍铁工厂也仿制过。威廉·默多克于1799 年引入了一种蜗杆蜗轮传动机构。螺杆进给据认为是利兹的马修·默里引入的。年轻的詹姆斯·瓦特于1802 年在默里的著作里读到了它，于是，索霍厂便进行仿制。这种进给机构在许多年里一直被该厂奉为标准做法。

这些长螺杆的切削提出了一个难题。如果用锤和凿切削，再用锉刀抛光，那么，就要花费大量劳力，而且还要极其细心。然而，福沃德在上引的论文中， 从T. 吉尔的《工艺和显微术之库》（Technological and Microscopical Repository）（1830 年）中引用了一段论述，它说明了一个名叫安东尼·鲁宾逊的锻工约在1790年给马修·博尔顿解释的一种方法。一台冲床需要一根直径6 英寸、长7 英尺的铁螺杆。鲁宾逊在划分螺纹时，在一张纸上画一些直线，纸的宽度恰好等于被车削的杆的圆周长。把这张纸围绕这根杆粘住，用针孔冲冲出这些线，再用一把锉刀把这些冲出的标记连接起来形成螺旋线，这时便可用手切割出最初几圈螺纹。然后，在一个放在这个带螺纹部分之上的铁盒内铸造一个模板金属螺母。配以刀具，它便用作为给这杆其余部分切削螺纹的板牙。六个人用绞盘手柄提供动力。

机械的推广应用，成为十八世纪末年的一个标志。这种推广在很大程度上有赖于培训新型的机工，他们能够以必要的精确度加工金属。在这种培训中，约瑟夫·布拉默（1748—1814）和亨利·莫兹利（1771—1831）建立的工厂起着表率作用。（参见S.Smies：Industrial Biography，p.183 f.；以及J.W.Roe：English and American Tool Builders，Yale，1916，Chs.Ⅰ—Ⅳ。）

约瑟夫·布拉默（1748—1814）原先一直干农活，直到十六岁那年因一次事故致使右踝伤残，遂不得不改行从事机动性不强的木工业。作为一个富有创造力的发明家，他不久便运用自己的技艺来研制许多有用的器械以及从机械上使它们臻于完善。他的第一项重要专利是1778 年他那著名的抽水马桶，并于1783 年作了改进。1784 年，他获得了一种制拴锁的专利。他为此得到了一笔可观报酬，但这专利直到1851 年才被一个名叫艾尔弗雷德·霍布斯的机工选中。在这过程中，这位极其有才干的机工为了制作一些灵巧的工具，不得不花费了不下51 个工作小时。然而，这些带可互换零件的锁的制造，要求当时工匠还不具备的高度技能，也要求应用具有当时不可能达到的高精确度的机械器具。布拉默致力于发明和制造这种机械时，亨利·莫兹利是他的得力助手，当时莫兹利还是个18 岁的小伙子。莫兹利在19 岁时当上了布拉默的领班，帮助他设计水压机和其他机械。莫兹利只是到了1797 年才离开布拉默，因为后者粗暴地拒绝他提出把工资增加到每周30 先令以上的请求。

水压机的困难在于，如果衬垫非常密实，足以抵挡工作冲程中所使用的巨大压力，那么，当这压力释放之后，压头就不会返回。莫兹利建议利用皮杯，它仅当施加压力时紧紧地压住压头，而当压力释放时，便松掉。结果就解决了这个问题。这使这项发明获得了生利的成功。

布拉默后来的发明包括现在习见的啤酒机（1797 年）、木刨床（1802年），在后一种机床中，几把刀具固定在一个水平圆盘上，就像端面铣床那样，而圆盘在一根垂直轴上旋转；以及英格兰银行长期用来印钞票号码的那种机器（1806 年）。然而，他的久远影响与其说来源于他自己的大量卓越发明，还不如说来源于他在自己在皮姆利科的工厂里培养了一整代机工，他们的进一步发明把工程生产确立为这个国家的主要工业之一。

用机械大批生产工程产品方面的第一个重大步骤，是在塞缪尔·边沁爵士（1767—1831）的鼓动下作出的。他是更有名的杰里米·边沁的弟弟。受以海军部名义视察欧洲各港口的豪伯爵的委派，边沁假扮“效率工程师”掌管波将金在南俄罗斯的一家很大的但管理极不善的工厂。劳力十分充裕，但毫无技能。边沁认识到，只有在机械加工过程中养成技能，才能从这支劳力取得效益。他于1791 年被封为爵士，在一次同土耳其人的海战以后就任准将，在那次战争中发生军舰史上第一次壳板起火。他于1791 年返回英国，替木工机械申获专利权。他竭力把这种机械引入军舰修造所。

他的专利设计在1793 年大大扩充。船舶部件的制造（海军部要求每年不少于100000 个），更不用说易损零件的更换，令人赞赏地按他的目标进行。在自1794 到1812 年当海军监察长期间，他制订了一项使船舶部件的生产完全机械化的计划。

1800 年，边沁遇到了马克·伊桑巴尔·布律内尔（1769—1849）。布律内尔是法国流亡者，前海军军官。那时，边沁刚从美国回来，在美国时曾当过枪炮监制人。布律内尔也正在制定一项船舶部件制造计划，同边沁的相似。边沁目光敏锐，而且气度恢弘。因此，他看出并承认，布律内尔的计划比自己好。于是，他立即就采纳了它。亨利·莫兹利这时已经独立，应布律内尔的聘请建造了第一批样机。从1800 到1808 年，他一直忙于这项工作。他无疑致力于使具体设计臻于完善。总共包括44 台机器，种类齐全；这些机床略经修改后，在木块用于给帆船装配帆的时期里一直被奉为标准。

1810 年，莫兹利同乔舒亚·菲尔德合伙，后者是海军部的制图员，曾在塞缪尔·边沁的部下服役。这家商号把机构开设在兰贝思，后来以“莫兹利—菲尔德公司”驰名世界。

亨利·莫兹利（1771—1831）的声誉主要来源于他划时代地发明了刀架车床，它带有精密的导螺杆和可互换的齿轮。

“极杠车床”是一种远古的器具。刀架在先前已有其他人提出过，在《科学辞典》（Dictionaire des Sciences）（1772 年）里载有详细图示说明。贝松（1579 年）和其他人说明了，如何用一根螺杆导引其他螺杆的切削。列奥那多·达·芬奇描绘过几种类似装置。霍尔茨阿普费尔在他的《车削和机械操作》（Turning and Mechanical Manipulation）（1847 年）中引述了一系列给人深刻印象的机构，它们都是十八世纪里制造或描述的，用于在各种材料上机械制造圆柱面、螺纹以及复杂几何形状。不过，把装饰性车削装置转变成工程车间的工具，能够以前所未有的精确度车削重型机器零件，以致从此成为一切工程车间的主角，这业绩应当归功于亨利·莫兹利。

莫兹利第一台螺纹车床是在1797 年制成的，其时他尚受雇于布拉默。首要的当务之急是获得一种精密导螺丝杆（图297）。莫兹利使用一种大致适配于汽缸的新月状刀具。精确的螺距角用大的带刻度齿轮和切线螺杆定位。一个切螺纹工具跟刀具安装在同一个可调刀架上，它切割业已用导缺刻标定的螺纹。

莫兹利采取这种方法用木材和软金属制造了大量螺杆。他发现，用这种方法比用别的方法能够达到更高精确度。因此，他就选用了其中最佳者来生产他第一台刀架车床的导螺丝杆。

在1797 年的车床里，刀架（带有一个同导螺丝杠啮合的螺母）在两根约3 英尺长的平行三角形导杆上运行。导螺丝杆由固定的（右手）床头的心轴通过齿轮驱动，它使承载切螺纹工具的刀架的纵向移动同工件被心轴驱动时的转动同步。导杆确保，无论随转尾座可能在哪里夹紧，工具的路线总是和工件对准。

三年以后，莫兹利在他自己的车间里制造了图298 所示那种远为发达的机型。借助可互换的齿轮，一根导螺丝杆能够做到给出宽广范围螺距。不久就发明了更大型的机床，车床也已能车削蒸汽机和其他机械所需要的重型零件。十九世纪初年，对这些机械的需求正与日俱增。一整系列机床——刨床、铣床和牛头刨床——也都由于复制平面和运用莫兹利的强力精密车床而成为可能。不过，这发展已属于十九世纪的历史。

十八世纪机械工程最瞩目的成就是蒸汽机的发展。这段历史应当专辟一章。