可这一升一降之变,如何能转化为持续的机械运动?
如欲造蒸汽之车”,当如何设计器物,使蒸汽胀缩往复,驱动车轮转动?”
朱由校闻言,嘴角勾起一抹笑意,起身走到殿角的铜壶旁。
那是昨夜值守太监烧水用的器具,此刻壶中尚有馀温。
他指着铜壶道:“徐卿且看此壶,水沸则蒸汽出,壶盖便跳。
这蒸汽本是水遇热所化,体积较水膨胀百倍不止,如同一群急于冲出牢笼的壮士,拥挤之间便生出推力,此即压力”。”
他拿起案上的毛笔,比作活塞,插入铜壶嘴:“若将壶嘴封死,只留一可活动之木塞,蒸汽膨胀无路可走,便会奋力顶起木塞。
这便是蒸汽动力的本源。
至于持续发力,只需如农夫灌溉一般,烧沸之水化为蒸汽做功后,再注入冷水使其冷却收缩,形成负压拉动木塞回位,如此循环往复,便如人呼吸一般,动力不绝。”
解释力与运动时,朱由校走到殿中,推开一张紫檀木案,案几滑动数尺后方才停下。
“徐卿见否?推案时施力,是为改变其静止状态。
松手后案几仍能滑动,是因其有惯性”,如人奔跑后难以骤停。
箭矢离弦后,无手推力却能飞行,正是惯性使然,而非有什么隐力”。
之所以会停下,是因空气阻力、地心引力这些外力”在阻碍它。
若在无阻力之境,这箭矢便能永不停歇地飞行。”
谈及杠杆,朱由校取来案上的镇纸与毛笔,以镇纸为支点,将毛笔架于其上:“此为杠杆,镇纸所在是支点”,靠近支点一端顶重物,另一端施力。
摇柄越长,动力臂”便越长,如以长竿撬巨石,只需一分力,便能撬动十分重的物体。
手稿中的公式,便是将这长”与省”的关系说透,如欲起重千斤,便算准支点位置与摇柄长度,按此理制造,万无一失。”
最后,他在纸上画了一个简单的气缸示意图,一边画一边道:“若要造蒸汽机械,可铸一铜筒,内置可滑动之木塞,筒底通锅炉,筒侧设两扇机关门。
蒸汽从底门入,胀而推木塞上行;木塞到顶,底门闭而侧门开,冷水注入使蒸汽冷却收缩,木塞便因负压下行。
随后侧门闭而底门开,蒸汽再入,如此往复,木塞便上下不停,再通过齿轮连接车轮、船浆,便能驱动车船前行。”
徐光启凝神静听,目光随着朱由校的手势与画作转动,脸上的困惑渐渐褪去,取而代之的是壑然开朗的光芒。
当朱由校讲完蒸汽循环之理时,他猛地一拍大腿,失声赞道:“陛下圣明!原来如此!蒸汽胀缩如呼吸,木塞往复似舂米,臣此前只知其一,不知其二,竟没想到这无形之力,能以器物约束,化为持续之功!”
他再看那力学公式,先前觉得晦涩难懂的数字关系,此刻竟变得清淅明了:“杠杆量化之理,臣今日方悟!如造起重器械,只需按陛下所授公式计算,便能精准设计,无需再凭经验摸索,既省时又省力!”
“惯性————阻力————原来箭矢飞行,是因其惰性”不愿停,而非有外力推动。
陛下此论,真乃开天辟地之见,颠复千古认知!”
他激动得老泪纵横,再次躬身叩首:“陛下以通俗之喻,解格物深奥之理,臣茅塞顿开!
臣这便回科学院,率众院士依陛下所授之法,即刻研制蒸汽机械,必先造出那蒸汽气缸”,再图车船之器!”
朱由校扶起他,温声道:“徐卿不必急于求成,格物之学,需循序渐进。
若有疑难,可随时入宫问对。
朕盼着早日见到你们造出的蒸汽器械,届时大明水师战船、陆地运输,都将迎来巨变。”
“臣等一定将蒸汽机造出来!”
看着徐光启跃跃欲试的模样,朱由校也是适时泼了冷水。
“徐卿。”
朱由校的声音沉静下来。
“朕虽将原理授你,但你可知,这蒸汽机械要真正落地,尚有两道天堑横亘在前?”
徐光启闻言一怔,躬身道:“臣愿闻其详。”
“其一,是精密加工之困。”
朱由校抬手蘸了醮墨,在纸上画了个简单的气缸与活塞。
“你看这二物,需严丝合缝,间隙不得超过毫厘,方能保证蒸汽不泄,压力不散。
可如今我大明的金属加工,全凭工匠手工锻打、锉磨,即便是最巧的铁匠,也难将误差控制在毫米之内。
此前朕命人试制小型气缸,结果活塞与缸壁间隙过大,蒸汽一冲便泄,毫无推力。
强行磨小活塞,又导致二者贴合过紧,根本无法往复运动。”
他语气凝重了几分,继续说道:“其二,是材料强度之弊。
蒸汽机内的蒸汽压力,远非铜壶烧水可比,需达到数倍大气压方能驱动重物。
可如今的铸铁脆硬,钢材杂质过多,根本承受不住这般压力。
朕曾听闻,西洋有试制蒸汽器具者,因材料不堪重负而爆炸,匠人尸骨无存o
我大明若要试制,若无坚韧耐用的钢材,