行走在18世紀(jì)20年代的英國(guó)原野上，人們會(huì)對(duì)眼前的景色大吃一驚：中世紀(jì)英國(guó)鄉(xiāng)村那種一望無(wú)垠的田園風(fēng)光已然一去不返，大地上出現(xiàn)了無(wú)數(shù)大大小小的挖煤礦坑。
一些煤礦還使用一種冒黑煙、吐白氣的奇怪機(jī)器，推動(dòng)著形狀像蹺蹺板的抽水機(jī)日夜不停地上下做功，把礦坑里的積水抽出地面，使得原先碧綠平坦的原野變成一個(gè)到處污泥濁水、坑坑洼洼的大工地。
從木材到煤炭
這種變化是從16世紀(jì)早期開始的。從那時(shí)起，英國(guó)經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)二百余年的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，人口不斷增加，海外貿(mào)易和戰(zhàn)爭(zhēng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，整個(gè)國(guó)家欣欣向榮。
然而，木材不足的陰影始終威脅著這一片繁榮景象：人口和制造業(yè)的增長(zhǎng)需要越來(lái)越多的木材作為生產(chǎn)、生活的原料和燃料，迅速消耗了原先遍布英國(guó)各地的大片森林。到16世紀(jì)晚期英國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)了“木材危機(jī)”。
木材短缺造成木頭價(jià)格高漲，嚴(yán)重影響了英國(guó)人的日常生活，他們不得不尋找一種替代的燃料做飯取暖，冶鐵煮鹽。
在英國(guó)，替代木材的燃料是現(xiàn)成的：煤炭。英國(guó)是世界上煤炭?jī)?chǔ)量最豐富的國(guó)家之一，它的煤不僅質(zhì)量好，而且埋藏較淺、易于開采；八大礦區(qū)遍布英國(guó)各地，到處都能以便宜的價(jià)格買到煤炭。英國(guó)人很早以前就發(fā)現(xiàn)了煤炭可以作為燃料使用，但是煤炭燃燒時(shí)會(huì)發(fā)出刺鼻的氣味，留下難以清掃的粉塵，嚴(yán)重破壞室內(nèi)環(huán)境、影響人體健康，人們對(duì)它敬而遠(yuǎn)之。
16世紀(jì)以后隨著木材稀缺、價(jià)格高漲，人們已經(jīng)顧不得燒煤禁令，紛紛改用便宜的煤炭生火，同時(shí)煙囪的應(yīng)用大大改善了室內(nèi)燒煤的條件，把煤煉成焦炭用于冶煉金屬的技術(shù)也逐漸成熟，使得煤炭迅速成為英國(guó)人生產(chǎn)、生活的主要燃料，普及開來(lái)。煤炭需求的迅猛增長(zhǎng)推動(dòng)了英國(guó)采煤業(yè)蓬勃發(fā)展。
《魯濱遜漂流記》的作者笛福在倫敦看到煤炭已經(jīng)堆積成山，運(yùn)煤船在泰晤士河上來(lái)回穿梭運(yùn)送不停，不禁感慨“他們不會(huì)是掏空了整個(gè)國(guó)家吧”“哪里的人能用完這么多煤呢？”
煤礦挖過(guò)地下水位之后，地下水不斷涌入礦坑造成礦內(nèi)積水，甚至?xí)蜎]整個(gè)礦坑，導(dǎo)致停工停產(chǎn)。17世紀(jì)初，英國(guó)盛產(chǎn)煤炭的紐卡斯?fàn)柕貐^(qū)的礦主驚慌地向國(guó)會(huì)報(bào)告說(shuō)，由于煤礦滲水問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，紐卡斯?fàn)柕拿旱V再過(guò)20年就會(huì)被地下水完全淹沒。
從水車到蒸汽機(jī)
為了解決排水問(wèn)題，人們絞盡腦汁想出各種辦法。17世紀(jì)早期，人們把原先澆灌農(nóng)田用的工具——鏈?zhǔn)剿嚹脕?lái)給礦坑排水，使得采煤作業(yè)的深度能夠超過(guò)地下1000多米，于是開始大規(guī)模應(yīng)用。但問(wèn)題是：使用成本太高。使用人力驅(qū)動(dòng)水車，需要支付的工資將是一筆天文數(shù)字，使用畜力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)同樣花費(fèi)不菲。
如何才能讓水車不分季節(jié)、不分氣候地有效運(yùn)轉(zhuǎn)呢？有人指望發(fā)明一種能夠不借助外力連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的“萬(wàn)能機(jī)”解決這一難題，但這是徒勞的，解決礦坑排水難題需要真正科學(xué)的助力。
1643年，伽利略的學(xué)生托里拆利用水銀代替水進(jìn)行試驗(yàn)，成功地在玻璃管中造出真空，由此證實(shí)空氣有重量，發(fā)現(xiàn)了氣壓。
托里拆利的試驗(yàn)結(jié)果翻越阿爾卑斯山傳播到北歐，引起各國(guó)科學(xué)家的濃厚興趣。在英國(guó)，科學(xué)家波義耳對(duì)空氣壓力進(jìn)行了科學(xué)的分析，1662年提出了著名的波義耳定律：理想氣體的壓力與體積成反比。至此，人們對(duì)于空氣乃至一切氣體的壓力性質(zhì)已經(jīng)具備了比較科學(xué)的認(rèn)識(shí)。
法國(guó)科學(xué)家帕潘曾經(jīng)擔(dān)任波義耳的助手，他利用液體沸點(diǎn)隨氣壓升高而升高的原理，于1679年發(fā)明出世界上第一臺(tái)高壓鍋。
帕潘由此構(gòu)思出蒸汽機(jī)的工作原理，并于1690年發(fā)表。之后帕潘試想了多種在實(shí)踐中運(yùn)用蒸汽機(jī)的方式，比如推動(dòng)船只、發(fā)射炮彈等，都沒有獲得成功，他本人于1712年在窮困潦倒中去世。
英國(guó)軍隊(duì)工程師薩弗里是把氣壓原理與礦坑抽水聯(lián)系在一起的第一人。薩弗里注意到家鄉(xiāng)德文郡煤礦的排水難題，于是借鑒帕潘的蒸汽機(jī)原理發(fā)明了一種抽水機(jī)，取名為“礦工之友”，1698年取得專利。但是這種抽水機(jī)控制閥門全靠手工，操作復(fù)雜、使用不便，抽水高度有限，安全性堪憂，只能作為自然力抽水機(jī)的補(bǔ)充，沒有獲得推廣。
