力學引領下改變人類生活的三項發(fā)明

2017-02-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

17世紀科學革命之后,在力學學科引領之下的發(fā)明多的不可勝數(shù)。

如果提出這樣的問題,要求你列舉在力學引領之下的三項發(fā)明,它們對人類的生活產生了重大的影響。你會舉哪三項呢?

依我看來,在力學引領下對人類社會生活產生巨大影響的三項發(fā)明應當是:鐘表、調速器和航空。

一、擺鐘的發(fā)明為人類提供了精確的計時和航海定位

擺鐘的發(fā)明應當追溯到伽利略對擺的等時性的研究。伽利略(1564-1642)是研究擺的運動的第一人。他在17歲時,作為比薩大學一年級的學生,對擺的振動發(fā)生了興趣,經(jīng)過反復實驗得到了擺的小擺動周期與擺長的平方根成正比的結論,從而在理論上為鐘表的核心裝置――擺奠定了理論基礎。這標志著一個新時代的開始。伽利略又是精確研究動力學的第一人,他對自由落體也和對擺的研究一樣,同樣標志著人類對動力學研究的開始。

1641年,伽利略建議利用擺的等時性制造鐘。但是他未能完成,一年后便逝世了。于是制造擺鐘的任務便歷史性地由荷蘭學者惠更斯(1629-1695)擔當了。

1657年,年僅27歲由于發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)而知名的年輕學者惠更斯完成了擺鐘的設計。同年,荷蘭的鐘表匠制成了首架擺鐘。次年,惠更斯出版了他的專著《擺鐘》。在這本書中,惠更斯不僅詳細描述了擺鐘的機構,更重要的是發(fā)表了一系列關于單擺與動力學的重要研究結果。例如,惠更斯系統(tǒng)地研究了圓周運動,引進了向心力和向心加速度的概念。他在理論上論證了單擺的等時性并給出了其周期與擺長和重力加速度關系的公式。

隨后,惠更斯又發(fā)現(xiàn)在大擺動時單擺的周期不再是常數(shù),并給出了在大擺動時也有等周期的擺線理論。所以,我們可以毫不夸張地說,惠更斯在動力學研究上是伽利略的直接繼承人。

擺鐘的發(fā)明對鐘表精度的改進是非常了不起的。在此之前,最好的鐘一晝夜誤差大約15分鐘,而當時最好的擺鐘可以調整到一晝夜誤差不大于10秒。至此我們才可以說,我們確實有了研究地球上物體運動的精確計時裝置。

談到鐘表的改進,還應當提到一位力學家,即英國學者胡克(1635-1703)。他于1676年發(fā)表了對于彈簧的研究結果,后人稱之為胡克定律,即彈簧的伸長與外力成正比關系。胡克對彈簧研究的開創(chuàng)性的工作,使人們對彈簧了解得越來越多。

隨之而來的是出現(xiàn)了兩項改進:一項是彈簧發(fā)條貯能器的改進,另一項是彈簧(或游絲)擺輪的發(fā)明。1674年惠更斯制成基于彈簧擺輪的鐘表。有了這兩項改進,鐘表可以造得更為輕巧,例如,可以在顛簸環(huán)境下工作的鐘和可以隨身攜帶的懷表以及手表的出現(xiàn)。

1707年,英國海軍艦隊發(fā)生了一次慘禍,有三只船失事,超過2000人死亡。原因是艦隊的位置出了差錯。1714年英國國會懸賞二萬英鎊:誰要是能夠找到在海中精確測定經(jīng)度的方法,他就可以得到這筆獎金。條件是到達西印度的6個星期的航行后,誤差不得大于30英里。實際上,當時天文觀測儀器已經(jīng)可以十分精確地測定天上星球的位置了。對于船舶所在的緯度可以直接由觀測星球得到。對于所在地的經(jīng)度,由于星球在天上隨時間在均勻地運動,所以問題歸結于能否制造一架精確的可以攜帶的鐘。這種鐘稱為天文鐘。

技高一籌的鐘表匠哈里森(1693-1776)于1761年以他改進的鐘從倫敦到牙買加的9星期的航海旅程中時鐘僅差5秒,從而贏得了國會的懸賞。

18世紀時,歐洲鐘表進入了市場,有了從教堂、航海、家庭擺設到個人佩戴等各式各樣的鐘表。之后鐘表做得越來越精巧,可以戴在手腕上的手表也出現(xiàn)了。

迄今200多年間,鐘表用于測量各種物理量。測量聲速、光速、各種振動頻率、周期、各種物體的運動以及體育運動。此外它還廣泛地用于航海、航空,各門學科和各門技術的發(fā)展無不得益于鐘表的幫助。

從另一角度講,鐘表的發(fā)展和改進可以說揭開了現(xiàn)代技術的序幕。由于對于它的需求,需要加工大量的鐘表另配件,于是產生了現(xiàn)代車床和現(xiàn)代金屬加工技術。另一方面,鐘表發(fā)展又為歐洲的現(xiàn)代技術發(fā)展培訓了人才。蒸汽機的發(fā)明者英國人瓦特(1736-1819)、紡織機的發(fā)明者英國人阿克賴特(1732-1792)、以蒸汽機為動力的輪船的發(fā)明者美國人富爾頓(1765-1848)等,他們青少年時代都曾經(jīng)當過修表學徒或制作匠。

有一種流行的觀點是很有道理的,即認為歐洲的近代科學技術的起源是古希臘的思辨?zhèn)鹘y(tǒng)與歐洲的手工業(yè)傳統(tǒng)相結合的產物。前者是以達·芬奇、伽利略、惠更斯與牛頓的動力學發(fā)展為代表,而后者便是以鐘表工業(yè)的發(fā)展所培養(yǎng)起的一代新技術人才。

現(xiàn)如今,盡管擺鐘被電子表取代了,不過對在電子表中的震蕩器認知,還是起源于對單擺知識的拓寬。可以說它保留和繼承和拓廣了關于擺鐘的理論和技術。

二、調速器的發(fā)明成就了蒸汽機的廣泛應用

調速器,是一個不起眼的東西。它的簡單原理不過是一個現(xiàn)今理論力學課的習題?？此坪唵?但是他在近代控制技術和控制理論發(fā)展上,卻起到了開天辟地的作用。所以有必要介紹一下它的簡單歷史。

最早的蒸汽機可以追溯到17世紀末,1698年英國人托馬斯·塞維利(ThomasSavery,1650-1715)發(fā)明了利用蒸汽壓力的抽水泵――“礦山之友”,并且報了專利。它的工作過程是:在容器中通入蒸汽,使蒸汽在容器中凝結,利用蒸汽凝結后所形成的真空把礦井中的水抽上來。這種泵有兩大缺點,一方面是對地下水位較低(低于水泵10m)時就抽不上水,另一方面是由于突然進入容器的蒸汽壓力過高而易于爆炸。因此很少被采用。

1712年,英國人托馬斯·紐可曼(ThomasNewcomen,1663-1729)發(fā)明了大氣壓蒸汽機。這種機器具有汽缸與活塞, 在工作時, 先把蒸汽導入汽缸, 這時汽缸停止供汽而汽缸內進水, 蒸汽便遇冷凝結為水使汽缸內氣壓迅速降低,就可以使水吸上來。之后再把蒸汽導入汽缸,進行下一個循環(huán)。最初的這種蒸汽機大約每分鐘往返十次,而且可以自動工作,使礦井的抽水工作大為便利,所以不僅英國人使用,在德國與法國也在使用。

英國人瓦特(JamesWatt,1736-1819)經(jīng)過進一步的研究發(fā)現(xiàn),紐可曼的蒸汽機的效率是很低的,其所以低是由于在用水去冷卻汽缸時,汽缸的溫度變冷了,這樣汽缸又要消耗過多的蒸汽去再加熱。

1765年5月瓦特提出了使蒸汽從汽缸排入另一容器的想法,這個容器后來被稱為冷凝器。經(jīng)過反復試驗與改進,他的裝有冷凝器的蒸汽機在1769年制成了,并在同年的4月25日提出了專利。新的蒸汽機效率提高了很多。

盡管經(jīng)過了這一系列的改進,蒸汽機的效率算是有所提高,但是由于蒸汽機的速度不能很好地控制。燒煤多時蒸汽多機器就轉得快,燒煤少時就轉得慢,這種不能均衡地轉動的蒸汽機是不能派上大用場的。其時蒸汽機的主要用途就是在礦井抽水。

瓦特的另一項重要發(fā)明是在蒸汽機上安裝了離心調速器,這大約是1782年前后的事情。據(jù)說調速器并不一定是瓦特的發(fā)明,不過瓦特想到把它裝在蒸汽機上,也是一件了不起的創(chuàng)新。

這種調速器的構造是利用蒸汽機帶動一根豎直的軸轉動,這根軸的頂端有兩根鉸接的等長細桿,細桿另一端各有一個金屬球。當蒸汽機轉動過快時,豎軸也轉動加快,兩個金屬小球在離心力作用下,由于轉動快而升高,這時通過與小球連接的連桿便將蒸汽閥門關小,從而蒸汽機的轉速也便可以降低。反之,若蒸汽機的轉速過慢,則豎軸轉動慢了,小球的位置也便下降,這時連桿便將閥門開大,從而使蒸汽機轉速加快。

離心調速器是一個基于力學原理的發(fā)明,他是蒸汽機所以能普及應用的關鍵, 也是人類自動調節(jié)與自動控制的開始。由于人們能夠自由地控制蒸汽機的速度,才使蒸汽機應用于紡織、火車、輪船、機械加工等行業(yè),才使人類大量使用自然原動力成為可能,這才有產業(yè)革命的第二階段。

瓦特的改進蒸汽機的普及速度是很快的,到1790年老式的紐可曼蒸汽機已經(jīng)看不見了,到1790年大約有500臺蒸汽機在英國工作。經(jīng)過了大約不到100年,到了1868年,僅僅在英國就有75,000臺蒸汽機之多。

1805年,在美國蒸汽機被裝上了汽車作為動力。1807年,美國的富爾頓(Robert Fulton,1765-1815)發(fā)明以蒸汽機為動力的輪船。1825年斯梯文森(George Stephenson, 1781-1848)造成了可以在軌道上行駛的蒸汽機車。1800年英國的特里維希克(Richard Trevithik,1771-1833)發(fā)明了高壓蒸汽機。1801年美國人埃文思(Oliver Evens,1755?-1819)造出了真正合用的高壓蒸汽機。

調速器使用后,初期運行很正常。但是當蒸汽機的速度提高后,調速器就不能穩(wěn)定運轉了,會出現(xiàn)時快時慢的現(xiàn)象。最早研究調速器的穩(wěn)定性問題的是英國物理學家麥克斯韋(James Clerk Maxwell,1831-1879)。1868年麥克斯韋發(fā)表的《論調節(jié)器》最早把調速器的運動狀態(tài)用微分方程來描述,他導出了調節(jié)器的微分方程,并在平衡點附近進行線性化處理,指出穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負的實部。麥克斯韋在論文中對三階微分方程描述的具體系統(tǒng)以及具有五階微分方程的特殊系統(tǒng)進行了研究,并給出了系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件。

后來到了1872年,俄國的維斯聶格拉斯基(Иван Алексеевич Вышнеградский,1831-1895)寫出了論文《論調整器的一般原理》,于1876年在法國科學院報上發(fā)表。他和麥克斯韋一樣采用線性化的方法簡化問題,得到了比較完全的穩(wěn)定性條件。

后來英國的儒斯(Edward John Routh,1831-1907)和俄國的李亞普諾夫(Александр МихаиловичЛяпунов,1857-1918)分別在1877年和1892年發(fā)表對于運動系統(tǒng)普遍穩(wěn)定性的理論研究的論文,才最后從理論上比較完全地解決了力學系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

調速器是一項技術發(fā)明,由于它的重要性,才開始了蒸汽機的普遍使用,從而才有產業(yè)革命。工業(yè)控制論的研究也可以說是從調速器的研究開始的。并且由研究調速器的穩(wěn)定性開始導致研究力學系統(tǒng)穩(wěn)定性的開始和深入。因此,了解調速器的歷史,對于了解蒸汽機的歷史,對于理解控制論的歷史,對于了解運動穩(wěn)定性研究的歷史都是十分重要的。

三、飛機的起飛

1903年12月17日,萊特兄弟第一次實現(xiàn)了人類飛行的夢想。開辟了航空時代。

人類對飛行的向往是源遠流長的。一般通俗地介紹航空歷史的書上,只提到飛機的發(fā)明是兩個賣自行車的萊特兄弟完成的。這給人一個錯覺,似乎飛機是他們心血來潮的幸運所得。其實航空的產生和發(fā)展而是人類世代前赴后繼奮斗和積累的結果,其中首先是力學家研究貢獻,在萊特兄弟之前,至少應當提到三位科學家的力學研究。

第一位是19世紀初,英國人喬治·凱利(GeorgeCayley,1773-1857)為了對空氣的阻力與升力進行定量研究,1804年12月,凱利自己設計和制造了一架懸臂機,用于研究平板的升力和阻力。利用這個裝置,凱利得到了最早關于升力和速度方面的數(shù)據(jù)。他初步的結果是,平板的升力與面積成正比、與迎風角成正比、與速度的平方成正比。他在懸臂機試驗中還發(fā)現(xiàn)了流線型對減少阻力的重要性。他經(jīng)過精心計算,給出了一架飛機的設計參數(shù),并且說:“如果這塊平板能在動力作用下高效率運動,空中航行就會實現(xiàn)。”

大萊特曾說過:“我們設計的飛機,完全按照凱利爵士的非常精確的計算方法?！彼院髞砦鞣降暮娇諏＜叶挤Q凱利為航空之父。

第二位是美國的科學家蘭利(Samuel PierpontLangley,1834-1906),起先曾從事土木工程工作,后來靠自學成為著名的天文學家。他發(fā)展了測輻射熱儀,對太陽光譜測量作出了重要貢獻,1867年,任美國匹茲堡大學的物理與天文學教授。他從幼年便對鳥的飛翔產生了極大的興趣。經(jīng)常連續(xù)數(shù)小時觀看鳥的飛行。

1887年蘭利移居華盛頓,出任當時美國學術權威機構斯密森學會的秘書。他建造了一座60英尺的懸臂機,該機靠煤氣發(fā)動機驅動,外周速度可達每小時70海里。利用這座懸臂機,他進行了大量的空氣動力實驗,研究平板與鳥翼在空氣中運動時的阻力與升力的規(guī)律,由此得到了許多定量的結果,并且糾正了前人的不少錯誤。蘭利將他的研究結果寫成一本書《空氣動力學實驗》,于1891年由華盛頓的斯密森學會出版。這本書是最早的比較系統(tǒng)的實驗空氣動力學著作,對后來的飛機研究者,包括萊特兄弟影響很大。

除了實驗室研究外,蘭利還動手做飛行試驗。他先后從1891年開始試制了橡筋動力模型飛機、設計并制造了輕型蒸汽機、并且設計了空中旅行者0-6共7個型號的飛機模型、對其中的第5、6兩號在1896年進行了成功的飛行、后來又在1903年進行了兩次不成功的載人的飛行試驗。后來因為財政拮據(jù)和新聞界的冷嘲熱諷,以及蘭利本人年事已高(接近70歲)的諸多原因,放棄了試驗,蘭利也于1906年逝世。后人總結他載人飛行的失敗主要是由于結構上的不合理,當時他的發(fā)射架如果采用輪式起落架,試飛很可能是另一種結果。

萊特兄弟首先從制造滑翔機開始,逐漸改進。他們研究前人的經(jīng)驗,其中包括達·芬奇、喬治·凱利、蘭利教授、馬克辛(機槍的發(fā)明者)、查紐特、帕森斯、托馬斯·愛迪生、利林塔爾、阿代爾、等等的事跡與經(jīng)驗。其中特別是凱利和蘭利關于飛行的理論資料。到1902年秋,已經(jīng)積累了上千次滑翔經(jīng)驗,掌握了飛行的理論與技術。

最后,他們決心制造裝有發(fā)動機與螺旋槳的飛機。經(jīng)過艱苦的研究,終于制成了4缸8馬力的內燃發(fā)動機,并且用樅木制造了螺旋槳。1903年12月17日在北卡羅來納州的刺鬼山海岸(Kill Devil Hills beach),對他們制成的“飛行者”1號進行了試飛。經(jīng)過4次試飛,最好的成績是在空中飛行59秒,飛行距離259.7米的記錄。那次試飛,他們發(fā)了50封邀請信,結果只來了5個人,報界對此反映冷淡。到1905年,美國著名的科學普及雜志《科學的美國人》說這次試驗只不過是一個騙局。可是,就在這一年,萊特兄弟的第三個改型飛機在10月5日那天,一次飛行了38.6千米,在空中持續(xù)飛行38分又3秒鐘。

1901年萊特兄弟為了實驗和改進翅膀,建造了風洞,他們研究與比較了200種以上的機翼形狀。這個風洞大概是美國第一座風洞。

除了萊特兄弟好學,向一切從前的和當時的人學習以外,還應當特別提到的是有一位著名的工程師直接指導萊特的力學知識。這就是法裔工程師恰納特(Octave Chanute,1832-1910)。他是一位著名的鐵路工程師,主持設計過復雜的鐵路橋梁,采用新的材料進行施工。

他對飛行一直保持濃厚的業(yè)余興趣,而且他關于飛行的力學知識在19世紀80年代一直處于前緣。他與萊特兄弟一直保持通信,指導他們,并且親自去過萊特兄弟的試驗場地。在1886年8月于布法勒(Buffalo)他在美國第一次組織召開了關于航空研究可能性的討論會。這也就是美國科學促進協(xié)會(American Association for the Advancement of Science (AAAS))的第一個系列會議。

之后他與他知道的任何有志于航空研究的人通信。1889年在多倫多又召開了AAAS 的會議,會上他正式將航空計劃作為一個工程問題。在1893年他趁芝加哥世界博覽會之機,在芝加哥組織召開了一次國際航空會議。許多對航空有興趣的著名人物出席了會議,其中有斯密森學院的秘書蘭利、發(fā)明家愛迪生等。之后于1894年他出版了《飛行力學進展》,后來這本書成為這方面的一本經(jīng)典著作。

恰納特對萊特兄弟的指導是無私的,他不僅用通訊的方式回答他們的任何問題,還親臨指導。他們之間的來往的信件,就有200多封。所以美國人羅杰·勞紐斯(Roger D. Launius)說:“萊特兄弟教會了世界飛行,但是是誰教會了萊特兄弟去飛行的呢?從最廣泛的意義上說是一位出生于法國,在芝加哥長大的工程師――恰納特。”

萊特兄弟進行了世界上最早的飛行之后。飛機得到迅速發(fā)展,不論從飛機結構上、飛行控制和穩(wěn)定性操作性上,還是從飛行速度以及航空發(fā)動機的改進上,它的改進和發(fā)展的每一步都是力學研究的突破。人們突破了音障和熱障,后來又有直升機的發(fā)明。到現(xiàn)在飛行在天空有各種用途各種性能的飛機,民用航空已成為人民遠距離旅行的主要的交通工具。

結論

以上所舉的三項發(fā)明,都是對人類社會生活產生巨大影響的發(fā)明。他們所根據(jù)的最原始的力學原理是十分簡單的:一個單擺、一個離心調速器、一個具有攻角運動的平板的升力。這三個力學模型,簡單得是現(xiàn)今中學生都能夠進行定量計算的物理課程的習題的難度。不過從最開始的力學原理的研究到根據(jù)原理得到的發(fā)明,以及隨后的不斷改進,是經(jīng)過許多不同特長的杰出人物的努力和創(chuàng)新,是經(jīng)過幾代人的貢獻才有現(xiàn)在的結果。人類文明的歷史就是這樣前赴后繼不斷發(fā)展的歷史。

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