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力学改变人类生活的三项发明,开辟计时与大航海时代

17世纪科学革命之后,在力学学科引领之下的发明数不胜数,其中,摆钟、调速器和航空,是三项最为重要的发明,它们对人类生活产生了巨大的影响。

伽利略是一位伟大的物理学家,1564年诞生于意大利的比萨。小时候,伽利略就常常喜欢探索、研究和证明问题。有一次,伽利略到教堂作礼拜,礼拜开始不久,一位工人给教堂中的大吊灯添加灯油时,不经意触动了吊灯,使它来回摆动。摆动着的大吊灯引起了伽利略的注意。起初,吊灯在摆动的幅度比较大,摆动速度也比较大,伽利略测算了来回摆动一次的时间。过了一会儿,吊灯摆动的幅度变小了,摆动速度也变慢了,此时,他又测量了吊灯来回摆动一次的时间。让他大为吃惊的是,两次测量的时间是相同的。

这些测量使伽利略发现:吊灯来回摆动一次需要的时间与摆动幅度的大小无关,无论摆幅大小如何,来回摆动一次所需时间是相同的,也就是说,吊灯的摆动具有等时性,或者说具有周期性。

通过在教堂中的观察,伽利略已经知道,摆动的周期跟摆动幅度无关。他猜想,是否跟吊灯的轻重有关呢?是否跟吊绳的长短有关呢?还有没有其他因素呢?

为了模拟吊灯的摆动,他找来丝线、细绳、大小不同的木球、铁球、石块、铜球等实验材料,用细绳的一端系上小球,将另一端系在天花板上,这样就做成了一个摆。他先用铜球实验,又分别换用铁球和木球实验。实验显示,无论用铜球、铁球,还是木球实验,只要摆长不变,来回摆动一次所用时间就相同。这表明,单摆的摆动周期与摆球的质量无关。伽利略又做了十几个摆长不同的摆,逐个测量它们的周期。实验表明:摆长越长,周期也越长,摆动得就越慢。

1641年,伽利略建议利用摆的等时性制造钟。遗憾的是,他未能完成此项工作便逝世了。于是,制造摆钟的任务历史性地由荷兰物理学家惠更斯担当了。惠更斯进行了大量研究,得出了单摆的周期公式,并不断改进技术,于1656年制造出人类有史以来第一个摆钟。惠更斯把制造的“有摆落地大座钟”献给了荷兰政府。1657年,他取得了摆钟的专利权。

1707年,英国海军舰队发生了一次惨祸,共有3艘船只失事,超过2000人死亡。事故原因是舰队定位出了差错。1714年,英国国会悬赏2万英镑,寻求在海中精确测定经度的方法:谁要是能在到达西印度的6周航行中,误差不大于30英里,便能得到这笔奖金。

事实上,当时天文观测仪已可以使人们经由观测星体十分精确地了解船舶所在地的纬度。但对于所在地的经度,由于星体在天上随时间不停运动,要想准确测定经度,必须制造一架高精度的便携式时钟。这种钟就是天文钟。最终,钟表匠哈里森改进的时钟,在从伦敦到牙买加的9周航海旅程中,误差仅为5秒。他获得了国会的这项悬赏。

18世纪时,钟表进入大众消费市场,钟表的种类也越来越多,有了从教堂、航海、家庭摆设到个人佩戴等各式各样的钟表。之后,钟表做得越来越精巧,可以戴在手腕上的腕表也出现了。

迄今的200多年间,钟表用于测量声速、光速、各种振动频率、周期等各种物理量,还被应用于体育运动的准确测时。此外,钟表还广泛地用于航海、航空业。各学科和各技术的发展无不得益于钟表的帮助。

如今,尽管摆钟大多已被电子表等电子计时装置所取代,但对于电子表中的震荡器的认知,还是起源于对单摆知识的拓宽,可以说,它保留、继承和拓宽了关于摆钟的理论和技术。

调速器看似简单,但在近代控制技术和控制理论的发展上起到了开天辟地的作用。

1698年,英国人托马斯·塞维利发明了利用蒸汽压力的抽水泵。它的工作过程是:在容器中通入蒸汽,使蒸汽在容器中凝结,利用蒸汽凝结后形成的真空,把矿井中的水抽上来。这种泵有两个明显的缺点:一是在地下水位较低,低于水泵10米时就抽不上水;二是由于突然进入容器的蒸汽压力过高,易于爆炸。

1712年,英国人托马斯·纽可曼发明了大气压蒸汽机。这种机器具有汽缸与活塞,可以自动工作,使矿井抽水的便捷性大大提高。

但英国人瓦特经过研究发现,纽可曼的蒸汽机由于在用水冷却汽缸时,汽缸的温度降低,为加热汽缸就要消耗更多的蒸汽,因而效率偏低。为此,1765年5月,瓦特提出使蒸汽从汽缸排入另一容器的想法,这个容器后来被称为冷凝器。经过反复试验与改进,装有冷凝器的蒸汽机在1769年制造完成。

改进后的蒸汽机效率大大提高,但仍存在问题:速度得不到很好的控制。烧煤多时,蒸汽多,机器就转得快;烧煤少时,就转得慢。这种不能均衡转动的蒸汽机是无法派上大用场的。

1782年前后,瓦特在蒸汽机上安装了离心调速器。这种调速器的构造,是利用蒸汽机带动一根竖直的轴转动,这根轴的顶端有两根铰接的等长细杆,两根细杆另一端各有一个金属球。当蒸汽机转动过快时,竖轴也加快转动,两个金属小球在离心力作用下,由于转动加快而升高,这时与小球连接的连杆便将蒸汽阀门关小,从而使得蒸汽机的转速同时降低。反之,若蒸汽机的转速过慢,则竖轴转动缓慢,小球的位置便会下降,这时连杆便将阀门开大,从而使蒸汽机转速加快。

离心调速器是一个基于力学原理的发明,是蒸汽机所以能普及应用的关键,也是人类自动调节与自动控制机械的开始。由于人们能够自主控制蒸汽机的运转速度,才使蒸汽机广泛应用于纺织、火车、轮船、机械加工等行业,使得人类大量使用自然原动力成为可能,最终才有了产业革命的第二阶段。

瓦特所改进的蒸汽机很快便在生产中得到迅速普及。1805年,在美国蒸汽机被装上了汽车。1807年,美国的富尔顿发明以蒸汽机为动力的轮船。1825年,斯蒂文森造出可以在轨道上行驶的蒸汽机车。

1903年12月17日,莱特兄弟第一次实现了人类飞行的梦想。其实,在莱特兄弟之前,至少应当提到3位科学家的力学研究。

大莱特曾说过:“我们设计的飞机,完全按照凯利爵士非常精确的计算方法。”他所提到的这位凯利爵士,就是被称为“航空之父”的英国人乔治·凯利。

1804年12月,为了对空气的阻力与升力进行定量研究,乔治·凯利设计和制造了一架悬臂机,用于研究平板的升力和阻力。利用这个装置,凯利得到了最早关于升力和速度方面的数据。他在悬臂机试验中还发现了流线型对减少空气阻力的重要性。经过精心计算,凯利给出了一架飞机的设计参数。他认为,如果这块平板能在动力作用下高效率运动,空中飞行就会实现。

美国科学家兰利是一位自学成才的天文学家。兰利从小便对鸟的飞翔产生了极大兴趣,经常连续数小时观看鸟的飞行。1887年,兰利移居华盛顿,出任当时美国权威学术机构史密森学会秘书。他建造了一座高60英尺的悬臂机,该机靠煤气发动机驱动,外周速度可达每小时70海里。

利用这座悬臂机,兰利进行了大量的空气动力实验,研究平板与鸟翼在空气中运动时的阻力与升力的规律,由此得到了许多定量数据,并且纠正了不少前人的错误。1891年,兰利的著作《空气动力学实验》出版,该书是最早的比较系统的实验空气动力学著作,对后来的飞机研究者,包括莱特兄弟影响很大。

除了实验室研究外,兰利还动手做飞行试验。从1891年开始,他试制了橡筋动力模型飞机,设计并制造了轻型蒸汽机,设计了7个型号的飞机模型,并进行了两次不成功的载人飞行试验。后人认为,兰利载人飞行的失败主要是由于结构上的不合理,假如他的发射架采用轮式起落架,试飞的结果很可能完全不同。

有人曾说过:“莱特兄弟教会了世界飞行;但是,是谁教会了莱特兄弟去飞行的呢?从最广泛的意义上说,是一位出生于法国、在芝加哥长大的工程师恰纳特。”

恰纳特是一位铁路工程师。他对飞行一直保持浓厚的兴趣,其关于飞行的力学知识在19世纪80年代一直处于前沿。恰纳特与莱特兄弟一直保持联系并指导他们,恰纳特甚至亲自去过莱特兄弟的飞行试验场地。

1894年,恰纳特出版了航空业的经典著作《飞行力学进展》。这本书后来变成航空业的一本经典著作。

莱特兄弟进行了世界上最早的飞行之后,飞机得到迅速发展,这期间的每一项改进都是力学研究的突破。人们突破了音障和热障,后来又发明了直升机。到现在,天空中有各种用途、各种性能的飞机在飞行,民用航空业已成为人们远距离旅行的主要交通工具。

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