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分享科学与工程学（转）: gordon 2016-12-4 12:07; 注：当年江南制造局总办聂缉椝造过炮啊，三儿子聂云台造过纺织机。（聂缉椝，是李鸿章在沪大办洋务时的得力干将）钢材是西门子马丁炼钢炉冶炼（解决不了复进机，复进弹簧还得从美国买），抗日战争还在用，一二八淞沪抗战，就是十九路军最大的火力支援武器。（最大射程：4300米）科学与工程学直到公元1850 年左右，工程学和一般工业上的技术革新并不怎样依赖当时的科学知识。相反，科学却从某些工程问题的研究获得很多好处，如热力学的发展，一部分就是靠蒸汽机的研究。在公元1850 年之后，把科学应用到工程技术上，就成了工业发展的一个日益重要的因素；到了本世纪，则大多数卓越的技术发明主要都来自科学研究了。在公元1850 年前，虽然具体的科学知识没有对工业发展起很大影响，但科学的方法却对它产生了影响。前面已经讲过，以斯米顿和瓦特为代表的十八世纪工程师们，在改良机器时使用了小型的模型试验方法，并在蒸汽机的发展中取得了相当大成就。在十九世纪上半叶，法国的工程师卡诺和克拉佩龙研究了蒸汽机工作的科学原理，建立了热力学这门科学。与此同时，英国的工程师布拉默、亨利·莫兹利、约翰·克莱门特和惠特沃思等则继承了早期的英国实验工程学传统，致力于一般机器的技术改进。英国的工程师们在十九世纪初叶的研究工作，使单台机器的工匠生产方式得以过渡到标准化机器的大规模生产方式面来。工业要实现大规模的生产，要求制造精密而可以互换的标准化机器部件，问题的中心就是精密工程学。改进制造机器的机器，即发动机和工具机，也取决于工程技术的精确程度。十八世纪的纽可门蒸汽机仍然是工匠工艺水平的产物，比中古时代的水平好不了多少。在十八世纪六十年代，斯米顿曾注意到在他的一部蒸汽机中，28英寸口径的汽缸和其活塞之间有半英寸左右的间隙。为了弥补纽可门蒸汽机的这个缺点，在活塞顶部浇一层水来加以封闭。这个措施使机器多少能够工作，但却降低了机器的效率，因为水使汽缸变冷，造成了一部分蒸汽的浪费。詹姆士·瓦特在改进蒸汽机时，要求汽缸始终保持高热状态，因而不能用水封闭活塞。瓦特的发明一直到汽缸的精密造型法问世之后方才实现；──是约翰·威尔金森解决的，他在公元1774 年取得了发明精密炮筒镗床的专利权。威尔金森的炮筒镗床使得瓦特的改良蒸汽机能大量制造和出售。这种镗床原是为了制造大炮而设计的，这一事实说明精密工程学发展的另一推动力，是适应大量生产标准产品的需要。这种需要首先出现在军事方面，因为军事最需要大量标准化的武器和其他东西。十八世纪末，法国首先实现了用可以互换的同样部件来大量生产步枪。美国的第三任总统杰斐逊记载他在公元1857 年记曾访问制造商勒布朗，在访问时他自己随手拿了几个零件就装成了几支枪。在英国，大规模生产及其所要求的精密工程比较起来是为了民用的需要，不过军事方面的刺激当然也存在。发明家和工程师约瑟夫·布拉默（Joseph Bramah，公元1748－1814）在公元1784 年发明了倒转锁，在公元1795 年发明了水压机。他为了大量生产这种锁，就面临着大规模生产的问题。起初他雇了许多工人用手工方式生产锁的部件，使用的工具都是传统的手工工具，即锤子、凿子、锉刀、锯子等。后来布拉默同他的助手亨利·莫兹利（Henry Maudsley，公元1771－1831）引进了机械工具来协助手工工具，这样就大大地提高了部件的生产率和精密度。这个发展在后来使莫兹利进一步考虑，是否能制造一般的工具机来生产各种不同类型的标准化机件。一般说来，机器的各个部分总是具有圆形、方形或圆柱形等特殊几何形状或其组合形状的金属部件。一根真正精密的转轴应当是个完美的圆柱体，理想的螺丝应当是在这种圆柱体表面刻上一条完美的螺旋线。因此如何大量生产标准机件的问题，可以分成分别制造几种工具机的问题；这些工具机要能在金属上加工出真正的圆柱面或平面，并在金属部件上切削出圆孔或方孔。莫兹利在公元1794 年到公元1810 年间将旧式车床改造成一种精密的工具机，解决了制造精密圆柱体和螺丝的问题。在这以前，车床与其他多数机器一样，主要都是用木头做的，只有重要的运动部件才用金属做。在工作时，待加工的材料用踏板带着转动，切削的刀具是用手拿着的。莫兹利将车床全部改成铁的，这就解决了由于木头太易变形而使工作件的定中心和校直受到破坏的问题。此外，他又发明了滑动刀架，使刀具同车床的中心轴线的距离保持不变。后来他更将滑动刀架同机器的转动相耦合，使刀架能和中心轴线平行地作直线运动。这样一来，车床上转动的任何材料就能自动地加工成为一只精密的圆柱体。它的大小取决于工具的最初位置，而且只要装置好了，车床就能生产出任何数量的同样的圆柱体来。再利用带动刀架平行于车床中心轴线运动的耦合器具，就能在圆柱体上刻出螺纹，实现标准螺丝的大规模生产。这种发展同军事的关系，可以从下一事实看出来，即莫兹利获得的第一批大量订货是由海军部在公元1800 年给他的，因为海军部正需要用机械来大量生产船用索具的标准滑车。除了圆柱体和螺丝以外，平面部件或真正的平面也是少不了的，在改良以前，生产平面的方法是将一个铸件或者锻件的面用凿子修成大体上是平的，然后再用另一个已判定为是平的面来磨它。这种方法会带来极不精密的结果，因为即使两个面在所有点上都接触，这两个面也不一定就是平面。同布拉默和莫兹利在一起工作过的约翰·克莱门特（John Clement）部分地解决了这个问题。他在公元1825 年发明了加工金属的刨床，使待修平的材料作直线运动，这时固定刀具就会作平行的刨削。但为了使这个机器及其产品标准化，也需要有一个具有真正平面的部件。这种标准平面由同克莱门特和莫兹利一起工作过的约瑟夫·惠特沃思（Joseph Whitworth，公元1803－1887）造了出来。惠特沃思认识到，两个在所有点上紧贴的面并不一定是平面，但要是有三个面能两两紧贴的话，那它们就一定是真正平坦的。同样三根杆件中的每一对如果在一张平面上能完全贴合的话，它们的横截面就一定具有真正的直角。利用这些真正的圆柱体和平面，惠特沃思在公元1830－1850 年间制成了能测量出一英寸百万分之一误差的标准螺旋规以及其他的精密车床、刨床、钻床、磨床和牛头刨床，这使他在公元1851 年的世界博览会上赢得了闻名全世界的声誉。有了这些工具机之后，标准化的织布机、纺纱机、蒸汽机和其他的重要机器设备，就能大量生产，同时又因为这些机器的机件和构造都精密得多了，运转速度就能提高许多。十八世纪的纽可门蒸汽机每一分钟最多只能作二十个冲程，但十九世纪下半叶的蒸汽机则可以每分钟作二百五十个以上的冲程。机器的精密化和高速度使得一种新的材料占据了重要的地位，这就是钢。生铁太硬太脆，熟铁又太软，都不宜用来制造高速运动的部件。只有钢才具有符合需要的强度和韧性。人们早就能用鼓风炉直接生产大量的含碳很高的生铁。公元1784年亨利·科特（Henry Cort）发明了反射炉，将生铁中的碳在炉中几乎全部烧尽，这样就可以大量生产熟铁。但是一直要到公元1856 年贝默（Bessmer）发明了转炉、西门子发明了平炉炼钢法时，才有可能大量生产含碳很低的钢。钢和工具机两者使十九世纪下半叶的工程学发展具有新的特点，即出现了大规模生产的标准机器，它们是用精密加工的钢制部件构造的，并能以高速度运转。同时热力学又为蒸汽机的改良和其他热机的发展提供了理论基础。在发展蒸汽机的热力学方面作出杰出贡献的，是格拉斯哥大学的工程学教授威廉·兰金（William Rankine，公元1820－1872），他在公元1859 年发表了《蒸汽机和其他热机手册》。此外还有德国的佐伊纳（Zeuner）和法国的伊恩（Hirn）。这些人使热力学在工程师中得到普及，但并不能对蒸汽机作很多改良，热力学并没有在这个领域中带来多少帮助，因为蒸汽机还远远够不上是理想的热机，而且多数的理论性建议都已经在实践中达到了。理论表明高压和大膨胀可以提高蒸汽机的效率，但是理查德·特里维雪克（Richard Trevithick）早在公元1802 年就造成了高压蒸汽机，而乔纳森·霍恩布洛尔（Jonathan Hornblower）甚至更早就发明了大膨胀蒸汽机。然而热力学理论在其他地方却找到了用武之地。这门科学包括了所有热机理论，无论是正向作用还是反向作用都能描述。凯尔文在五十年代曾经指出，如果将机械能施加到一部热机上，使它的工作向反向进行，那就会使低温处的热抽到高温处去，这样它在低温处就成为致冷机，而在高温处成为暖气机。所以致冷机就是热力学的一个应用；用压缩氨原理的现代型主要致冷机是慕尼黑的卡尔·林德（Carl Linde）在公元1873 年发明的。但热力学的主要应用还是在正向作用的热机发展方面，从热产生机械能，其中特别重要的是内燃机和蒸汽涡轮机。第一部有些特殊化的内燃机就是用火药发火的传统大炮，其中机械能来自气缸内部产生的热量。而不象蒸汽机那样来自外部。克利斯提安·惠更斯和他的助手但尼斯·帕潘在十七世纪八十年代曾企图用炸药做燃料制造内燃机，但没有取得进展。实际上，直到煤气工业的发展提供了适当燃料，同时工具机、钢的生产和热力学发展之后，人们才能制造内燃机。公元1862 年比奥·德·罗克斯（Beau de Rochas）继承早期法国工程师的分析传统，发表了一本小册子，在热力学的基础上提出一种理论上的操作循环，企图制造一部高效率的内燃机。这就是著名的四冲程循环理论，后来被德国人奥托（Otto）采用来制造煤气机，在公元1876 年取得专利。戴姆勒（Daimler）在公元1883 年制成了汽油机，普里斯曼（Priestman）在公元1885 年发明了重油机，但重油机中所引起的问题要到十年后才由鲁道尔夫·迪色儿（Rudolph Diesel）真正解决。同样，蒸汽涡轮机的力学原理也是人们早就知道的。在古代，亚历山大里亚的希罗就曾经根据这个原理制造玩具。在十八世纪末，博尔顿曾担心已作出设计的蒸汽涡轮机可能成为蒸汽机制造业的有力竞争者。但是他的同伙詹姆士·瓦特安慰他说：“除非有上帝能使东西以每秒一千英尺的速度运动，蒸汽涡轮机就不会对我们有什么害处。”可是由于具备了钢和精密工程学两项条件，法国的拉瓦尔（Laval）在公元1889 年造了一部涡轮机，其转子的边缘速度超过每秒1500 英尺。人们已经知道，蒸汽从涡轮到真空的直接膨胀，可以产生每秒4000 英尺左右的速度，而要获得高效率，就必须使涡轮机转子的速度相当于这个数字的一半。这样的转子速度仍然比较危险，而且也难以应用。这使机器的用途非常有限。在拉瓦尔的涡轮机中，蒸汽以单级膨胀的方式通过单个转子，这是产生上述不合要求的速度的原因。英国的查尔斯·帕森斯爵士（Charles Parsons，公元1854－1931）在公元1884 年获得了一种涡轮机的发明专利；在他的机器中，蒸汽经过一系列分级膨胀并通过几个转子，这样产生的速度就比较便于控制。拉瓦尔涡轮机的转速由每分钟10，000 转提高到30，000 转，帕森斯涡轮机的转速则可以低得多，从每分钟750 转提高到18，000 转。比起蒸汽机来，蒸汽涡轮机更接近于完善的热机，因此在设计涡轮机时，热力学也就起了更密切的作用。蒸汽机的效率不高，是由于受到往复式运动的本身限制。蒸汽的膨胀使汽缸变冷，当新的蒸汽再次进入汽缸时，就不可避免地要耗费一部分热量使汽缸再热。涡轮机中的蒸汽则是不断地从这一级到下级连续膨胀，并同时逐渐冷下来。每一级都有其本身的温度，并使蒸汽通过来保持这个温度不变。这就避免了在蒸汽机中由于热度的周期性变化而引起的损耗。因此在涡轮机中，热力学理论能得到更好的应用。与此同时，发电机正在发展；蒸汽涡轮机的重要用途之一就是带动发电机，因为两者的转轴速度很容易调整为同一个值。同涡轮机相比，发电机更是应用科学和产物；实际上电气工业的大多数设备都在一定阶段上依赖于相应的科学进步。伏打电池的发明促进了电镀的发展，其发明专利为科尼希斯贝尔格的卡尔·雅各比（Karl Jacobi）和柏林的维尔纳·西门子（Werner Siemens）于公元1839 年获得。伏打在公元1799 年发明的原始电池不太可靠，直到供给恒稳电流的电池出现后，电的早期重要应用才能实现。这种电池是伦敦皇家学院的约翰·丹尼尔（John Daniel）在公元1836 年发明的。他的同事查理·惠斯通应用丹尼尔电池为电源，又用了斯特金（Sturgeon）在公元1825 年发明的电磁铁作为记录器，在下一年制成了一个可供实用的电报机。陆路电报并没有引起多少新问题，但在公元1850 年铺设连接多佛和加来的第一条海底电缆时，发现信号畸变，速度也很慢。格拉斯哥的凯尔文研究了这个问题。他在公元1855年指出，陆路电报和水路电报所处的环境条件有一个重要差别，海水是导体，空气则是很有效的绝缘体，因此绝缘层包着的海底电缆就同海水组成了电容器，这使发送信号时电缆的一端充电慢，另一端放电也慢。凯尔文指出，如果在具有很高导电率和大截面的电缆中使用小电流，并且用厚的绝缘材料来保护电缆，就能够使信号的延滞降低到最小限度。要使用小信号电流就要求用灵敏的记录仪来检测它，因此凯尔文在公元1858 年设计了镜式电流计，在公元1867 年设计了自动虹吸印码器。在公元1858 年铺设的第一条大西洋海底电缆，由于使用强信号电流，只发送了七百次电报后就毁坏了；在公元1866 年铺设第二条电缆时就采纳了凯尔文的建议。电的进一步应用在德国和美国有突出的发展。这两个国家在一定程度上绕过了作为早期工业革命特征的蒸汽机动力和煤气照明的使用。它们比英国更直接地采用电气照明和电力输送。特别是美国当时人中稀疏，毗邻村镇之间的距离较远，用电作为通信手段就显得格外重要。美国的电报出现于公元1838 年，比英国只迟一年。发明者是肖像画家莫尔斯（Morse）。他设计了以他命名的电码来传送信号。肯塔基州的一位音乐教师戴维·休斯（David Hrghes）于公元1854 年发明了自动信号记录器和收报机。在公元1876 年，贝尔（Bell）和爱迪生发明的电话则完全是美国的产物。德国发展发电机主要是为电镀工业提供动力，美国则是为了供给电气照明。虽然丹尼尔电池所供给的少量电力对于电报通讯已经够用，但对于大量消耗电的电镀工业则是不够的。法拉第在公元1831 年证明，使线圈在磁场中运动就能产生电。在公元1840－1865 年间，人们按照这个原理制造了好几种电磁发电机，主要供电镀用电。这类机器是用一个绝缘导线绕成的线圈在一个永久磁钢的磁场中旋转，它的效率很低，因为最好的磁钢也只能提供弱磁场。公元1866 年柏林的西门子改用强有力的电磁铁代替磁钢，并用机器本身产生的一部分电向电磁铁提供所需要的能量。从此以后，所有发电机都以西门子电机为原型，使用由发电机本身产生的电流供电的电磁铁，效率比早期的电磁机高得多。这就为电气工程的进一步发展开辟了道路。亨弗利·戴维曾经发现，在两根碳棒之间通过电流时会产生强光。从五十年代起，在灯塔、剧院和其他场所使用了大支光的碳弧灯照明，其电源起先由电磁机供给，后来则由发电机供给。戴维还发现，当电流通过细的白金丝时会发出光度较弱的光，而白金丝则在空气中一会儿就烧掉了。在公元1879 年，英国的约瑟夫·斯万（Joseph Swan，公元1828－1914）和美国的托马斯·爱迪生（Thomas Edison，公元1847－1931）根据戴维的原理，同时但各自独立地发明了电灯，他们将一根碳丝放在抽去空气的玻璃球泡内，可以点燃很多小时。爱迪生发明了更多的附加设备，使电灯照明得到广泛使用，因而能够比斯万更好地利用电灯的发明。爱迪生在靠近纽约的门罗公园实验室设计了一种电压恒定的发电机，保证在线路中电灯亮度稳定，不受其他电灯开闭的影响；他还创造了经济配电的三线制。公元1882 年他在纽约建立了第一个发电站，向公众供电，同时生产电气照明所需的电灯。爱迪生在公元1883 年注意到有些电灯泡在使用后逐渐变黑了。他想这是由于从灯丝上放出了某种粒子的缘故。他将一块金属板封在灯泡里，发现当电灯点亮时，金属板带负电荷，如果将正电位与板相连，就有电流通过，但用负电位相连时就没有这个效应。这就是爱迪生效应，它在后来引起了电子管的出现。电子管的发明主要是由弗莱明在公元1904 年和李·德·福雷斯特（Lee de Forest）在公元1906 年实现的。在本世纪，电子管使得为麦克斯韦的预见和为赫兹发现的电磁波获得应用，先是用在无线电广播和电视上，最近又用于远距离客体进行无线电定位上。最后电子管还促进了许多复杂电子装置的发展，其中特别突出的是电子计算机。电子计算机具有人脑的某些属性，例如记忆、初等判断能力和计算能力。有人认为，在工业中采用电子计算机代替人来做那些要求比较简单判断动作的事，会引起一场第二次工业革命，使人类从比较机械和重复的脑力活动中解放出来。; 224 次阅读|0 个评论

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