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世界科技全景百卷书: 弹簧的历史
大多数材料都有不同程度的弹性，如果将其弯曲，便会以很大的力量恢复其原形。在人类历史上，一定很早就注意到树苗和幼树的树枝有很大的挠性，因为许多原始文化利用这一特性，在特制的门后或笼子后楔上一根棍，或者用活结套在一根杆上向下拉；一旦松开张力，这根棍或杆就会往回弹。他们就用这种办法来捕捉飞禽走兽。实际上，弓就是按这种方式利用幼树弹性的弹簧；先向后拉弓，然后撒手，让其回弹。中世纪时，这种想法开始出现在机械上，如纺织机、车床、钻机、磨面机和锯。操作者用手或脚踏板给出下压冲程，将工作机械往下拉，这时用绳索固定在机械上的一根杆弹回，产生往复运动。 弹性材料的抗扭性不压于它的抗挠性。希腊帝国时期 （大概是公元前4世纪）发明了用搓成的腱绳或毛绳拉紧的扭簧，用以代替简单的弹簧来加强石弩和抛石机的威力。这时人们开始认识到，金属比木头、角质或任何这类有机物质的弹性更大。菲洛 （其写作年代约为公元前200年）把它作为一项新发现来进行介绍。他估计读者是难以置信的。凯尔特人和西班牙人的剑的弹性，引起了他的亚历山大城的前辈的注意。为了弄清楚剑为什么有弹性，他们进行了许多实验。结果他的师傅克特西比发明了抛石机，抛石机的弹簧是用弯曲的青铜板作成的——实际上是最早的片簧；菲洛本人又进一步改进了这些抛石机。富有创造性的克特西比在发明这种抛石机后，又想出了另一种抛石机—一它利用汽缸内空气在受压的情况下产生的弹性工作。 在很久以后人们才想到：如果压缩一根螺旋杆，而不是弯曲一根直杆，那末金属弹簧储存的能量就会更大。据伯鲁涅列斯基的小传记载，他制作过一口闹钟，其中使用了若干代弹簧。最近有人指出，在附有一些奇特的螺旋弹簧钟表图的15世纪末叶的一本机械手册中有这架闹钟的图样。这类弹簧也用于现代的捕鼠器。带圈簧 （水平压缩而不是垂直压缩的弹簧）的钟表，在1460年左右肯定已开始使用了，但基本上是皇室的奢侈品，大约又过了1个世纪，带弹簧的钟表才成为中产阶级人士的标志。 控制流动方向的阀门 由于阀门只让水或其他流体（如空气）沿一个方向流动，几乎可以肯定地说，它最先是作为需要这种运动的早期工具——风箱的一个部件出现的。阿格里科拉在研究文艺复兴时期的冶金学的文章中说，锻铁炉风箱有一个比风眼稍长和稍宽的薄板，“薄板上覆盖着山羊皮，是用皮带捆在板上的，毛边一侧冲地面”。放置的方式是：当风箱鼓起来时，薄板打开；当风箱收缩时，薄板关闭。”瓣阀肯定远比阿格里科拉的时代为早，同楔形板风箱一样古老。但它问世的具体年代却很难确定，因为瓣阀这个术语来自古老的皮袋型风箱 （在这种风箱中，操作的人可以用脚或手将风眼堵住）。显然，最早的模型大约是希腊王朝时代的青铜灯，但在罗马后期的诗人奥素尼乌斯之前还没有人提到过青铜灯的阀门。奥索尼乌斯把陆上快咽气的鱼的鳃。比作在掬木腔内往复运动时通过孔眼交替进风和挡风的羊毛阀。 可以说，机械上使用阀门的历史起始于克特西比的压力泵。维脱劳维斯和赫罗对压力泵作了详细的说明，他们说：“灵巧地安在管道口内的环形薄片，不会让压入容器的东西再往回跑。”看来克特西比压力泵的原始瓣阀呈长筒形，那时已用来搞屋顶通风。后来改用矩形阀，但名称仍保持不变。已经修复了几台罗马压力泵，其阀门已严重腐蚀，但还是可以辨认出来。赫伦在讲到用双气缸压力泵作灭火器时，还介绍了一种原始的跳动活门，一些在三根弯柱上滑上滑下的小圆盘。克特西比的水力机件有用来控制空气进入管道的滑阀。除此以外，在文艺复兴时期前，所有的泵和风箱阀都是瓣阀 （或铰形阀）。 达·芬奇发明的一种锥形跳动舌门，无疑是拉梅利的机械发明手册 （1588）中所画的那些舌门的来源。跟拉梅利同时代的阿勒奥蒂，在自动木偶戏中采用了一种蝴蝶阀来控制管道内的水流。但是，从赫伦的时代直到发明蒸汽机，这些跳动舌门没有一种得到广泛应用，各种阀门也没有什么变化。蒸汽机（需要对流入和流出顺序进行更精确的控制）导致了跟发动机的运转有关的精密阀门的出现，这些阀门包括纽科门设计的释放积蓄在气缸中的空气的“喷气阀”、默多克的滑阀（1799）和使双动发动机的活塞保持平衡的平衡阀。 蒸汽机上的曲轴 9世纪的一首赞美诗曾讲到西方用曲柄跟曲柄销和曲柄臂连成一体来转动磨石的事。此后500年内，曲轴只偶尔见于图例。在公元1400年之后不久，至少在低地国家的带旋转升降机、罐笼，甚至测试仪表等插图的手稿中似乎都突然出现了曲轴。组合曲轴在同一时代问世，最初为拉杆式，是一种简单的手持工具。但是，在拉杆曲轴首次出现后几年内，有人就想到转动拉杆的曲柄臂可以用连杆代替，在手磨机中，连杆仅仅是人的手臂的延伸，但是，连接机构可以反向运动，通过旋转曲柄驱动连杆来操纵一台泵，如同公元1431年的一部手稿中所描绘的那样。于是，曲轴诞生了。15世纪和16世纪普遍采用曲柄来驱动风箱和大型锯机，它们是要求双向控制的仅有的两种机器。虽然偶尔也在泵中采用曲轴，但已经设计出双拐甚至四拐曲轴，并且很可能已经到处安装使用。然而，在很长时间内，人们并不真正欢迎曲轴，因为只要重型机器都是木制的，曲轴就不易制成整体，就会使连接处受到很大的应力。 不管怎样，在铸铁时代以前，曲轴并未获得应有的信誉。公元1780年，瓦特发觉自己受到一项专利的限制，不能利用曲轴将他的蒸汽机的往复运动转变为旋转运动——旧式运动路线的倒转。虽然他很气愤，但却从中受到了启发，设计出了达到同一目的的恒星与行星齿轮。但是随着专利的过时，曲轴变成了进行这种作业的标准设备。如果使用两个或多个汽缸，或必须从两侧提供动力 （例如向汽船的桨轮上提供动力），那么，曲轴就是一个解决办法。在尔后的蒸汽时代，曲轴被用在20世纪所有的活塞发动机上，无论哪一种燃料都可以驱动。 螺钉和改锥的来历 木螺丝 （在美国有时称为螺钉）是比较近代的东西。但是，在16世纪，军械工人和军械士已经使用一种带凸片的小型工具——最初的“螺丝起子”——来调节他们的步枪机构了。步枪机构用铁钉钉在枪托上。有人发现，在铁钉上加螺纹，会固定得更牢。像所有其他铁钉一样，它们都是被敲进去的，取出来很困难。唯一的解决办法，是在将铁钉敲入之前，在其头部切出沟槽。这样，利用“螺丝起子”就可以将它们取出。于是，螺丝起子就成了最早的螺丝钳子或拧松器。费利比安的1676年的改锥就是这种类型。 由于螺钉是用手工制造的，造价自然昂贵，只用在特殊的工件上。然而，到18世纪末，一些不知名的天才（可能是在英国伯明翰）发现了一种更好的制造方法，不过仍然是用机器制造平端螺钉。这使得螺钉的造价低廉，能普遍地用于固定铰链、门、家具等。但是，细纹螺钉的作用由于敲击而减低，需要用有较长凸片的工具将其拧进去。大约在公元1780年，伦敦装配工具的制造厂商引进了有较长凸片的改锥，这种改锥的商标至今还称为“伦敦牌”。大约在公元1840年，内特尔福德改进了木螺钉，将其制成带尖的。改锥从此一直向前发展。 空气泵 德国马德堡市市长盖里克对科学家和哲学家关于形成真空的可能性的争论很感兴趣。作为一个受过专门教育的工程师，他决定通过实验来解决这个问题。公元1650年，他制造出了第一台空气泵——像一台手工操作的水泵，但有制造精密的零件，不透气。这台空气泵是成功的。他指出，在一个抽尽了空气的容器内，听不到钟响，蜡烛不燃烧，动物也会闷死。 他的大规模的演示是十分壮观的。有一次实验是当着皇帝斐迪南三世的面在其宫廷前面的空旷处进行的。在这个实验中，在直径12英尺的两个半球的周边凸缘上涂上润滑脂，将两个半球的凸缘嵌合，然后将球内空气抽尽。将8匹马分成两组拉拴在每个半球上的钢索也未能将其分开，可是放进空气后，它们就分开了。在公元1654年的另一次实验，是将一个立式开口圆筒活塞下面抽成真空，用50人拉拴在活塞上的绳子，他们反而被活塞拉动了。人们就是用这种方法来使活塞做功的；活塞的下面必须始终有一个真空。 但是，没有空气泵能形成真空吗？经过许多年之后，人们发现用蒸汽可以解决这个问题。公元1698年，托马斯·萨弗里第一个利用蒸汽排水，使蒸汽通入密闭容器，然后在容器上喷冷水，使其中的蒸汽冷凝，从而产生真空。他利用这种真空从矿井抽水，又利用锅炉蒸汽将容器中的水排空。这个循环过程反复进行。 萨弗里的设备被称为“矿工之友”。它没有任何活塞或活动零件，也不是一台发动机，而只是一台泵而已。 在此以前的1690年，法国的丹尼斯·帕平已经制造出了一个模型设备，一个直径2．5英寸的活塞刚好能放进汽缸里。在汽缸内盛少量的水，他就能够通过连续地将水加热和冷却的办法，证明汽缸冷却时在活塞下面形成真空。虽然这种设备没有得到实际应用，但却是第一台利用冷凝蒸汽推动活塞和做功的设备。 公元 1712年，将居里克、帕平和萨弗里的上述3项成就结合在一起，达特默思的托马斯·纽科门制成了一台实用的蒸汽机。 胡克发明了万向节 公元1676年，被誉为“英国的达·芬奇”的罗伯特·胡克发表了他关于 “太阳镜”的演说。这是一台采用反射镜系统安全地观测太阳的仪器。这台仪器是用他新奇的万向节进行操纵的。万向节是一种万能仪器……用来通过任何不规则的弯曲轨道产生环形运动。虽然胡克比较详细地讲过这种新仪器的制造方法，并且含糊地指出，这种仪器可能在各方面获得应用，但他自己只想用它来进行天文观测，或用在时钟和日规的设计中，故在当时没有引起多少人注意。 胡克是个才华横溢的人，他在系统提出物理学、化学和地质学方面的革命性理论之余，在伦敦咖啡馆内同思想相近的朋友们无休止地讨论之余，抽空儿搞了二十几项发明。他的日记通常略为提及某些新设想是如何在他的高度活跃的头脑中逐步酝酿成形的。英国皇家学会会议记录，记载了那些使他最新的发现得以驰名的实验。 但是，日记并没有讲他在万向节上花费了许多时间；他也不曾想学会演示万向节。就这种机器而言，发明完全属于他个人看来是勿容置疑的。但是，在动力传输方面，在19世纪的运输革命之前，和许多其他的发明一样，并不需要一个具有向各个方向传动的自由接头。 瓦拉发明了调速器 瓦特在1789年发明的蒸汽机中使用的离心调速器，在当时引起的轰动不是太大；瓦特重视动力系统，只把调速器看成是蒸汽机上的一个附件。然而它是第一台通过改变燃料输入量而有效地控制速度的装置，是使一台机器能进行自动调节的一切反馈装置的鼻祖，在发明史上的地位已确定无疑。瓦特的调速器是由一对离心摆组成，最远处与蒸汽机的旋转飞轮相连，直接连在一个套筒上，套筒又与汽缸的进汽阀连接。当飞轮转动较快时，两个球体就向外摆动，使套筒下降；当速度减慢时，球体就随之下垂，迫使套筒上升。汽阀可开大开小，以维持均匀的速度。 瓦特调速器的历史，也许可追溯到中世纪和文艺复兴时期机器上有时用来代替飞轮的球—链装置或球—杆装置。然而这些装置只发挥飞轮的功能，通过贮存能量、使钻床或曲柄产生较有规律的运动来带动工具越过“死点”；它们不能控制速度或功率输入，最多只是对调速器的造型有所启发。直到力学发展了，人们知道了钟摆的性能，懂得了离心力后，才有人想到利用球—杆组合装置来进行控制。 磨坊工人经常碰到的一个问题是无法利用强风力。因为当轴旋转很快时，磨石容易向上移动，扩大两块磨石之间的距离，以至夹在两块磨石当中的谷粒不能完全磨碎。人们靠手将两块磨石拉紧，使它们之间保持适当的距离。直到1787年，托马斯·米德才想出一种方法，将两个摆分开挂在驱动磨石的正齿轮上，通过链条和万向节提升和调节拉杆。另一对摆与风车翼板相连，这样就使后者随速度的变化而张合。磨坊工人只要改变翼板承受的风力，就能调节旋转轴的速度。两年后，斯蒂芬·胡珀用齿条和扇形齿轮代替链条，设计了一台可以同它匹敌的机器，取得了专利权。 与此同时，约翰·伦尼在伦敦建的第一个用蒸汽驱动的磨房——“阿尔比恩磨房”。装有和米德调速器一样的调速器。博尔顿在1788年5月给他的合作者瓦特写信说，“有一种调节顶磨石和底磨石之间的压力或距离的装置。用这种调节装置，蒸汽机运转得越快，上下磨石就越密合……当蒸汽机停止运转时，顶磨石就升起……这是由于两个铅镇重的离心力所致。全速运转时，铅镇重水平上升；运转减慢时，铅镇重就下落。它们通过这种方式对杠杆产生作用。”这一定是瓦特的妙想，因为虽然这种调速器最初是用在磨石上，而不是用在蒸汽机上，但在1788年底前，瓦特就按后一种用途将它进行改装了。由于他知道自己不能声称发现了这个基本原理，因而没有想申请专利权。他先于竞争对手对调速器采取保密措施。 流珠轴承 看来很可能是意大利文艺复兴时期的雕刻家和金匠的塞利尼 （1500～1571年），首先看出一圈自由旋转的滚珠可能减少两个转动体之间的摩擦力。1543年，他在自传中写道：“我已作成了一尊美丽的朱庇特雕像，将它放在一个木制底座上。我在底座内安了4个小木球，木球的一大半埋在球窝内。整个设计十分巧妙，一个幼小的孩子也能轻而易举地使其前后移动和转身。 但是松动地安在滚道里的进行滚动接触的滚珠轴承，直到18世纪最后25年才开始用在风车上。最先用滚珠轴承的风车是柱式风车（约1780年），机器的整个结构围绕中心柱旋转。1794年，威尔士卡马森的一个叫菲利普·沃恩的铁器制造商用经向滚珠轴承作为四轮马车的车轴轴承，并为此申请了专利权。从那时起到19世纪，特别是在19世纪的50年代和60年代，人们将滚珠轴承用在儿童玩的旋转木马、螺旋桨轴、军舰上的机枪转塔、扶手椅和自行车等器械的轴上，并取得了若干专利权。但是，直到有动力装置的车辆出现以后，金属部件因快速行驶而发生大量的磨损时，这项发明才开始得到充分利用。因此，在汽车和能大批生产的精密的球磨机出现以前，滚珠轴承并没有真正起到像今天这样重大的作用。 传动链条 1864年，斯莱特获得了一种传动链条的专利，这种传动链条可以看作研制一种能驱动自行车和其他机械的精密链条的第一步。他在索尔福德一个工厂制造纺织机械链条。后来这家工厂被瑞士人雷诺德买去。雷诺德又于1880年获得套筒链的专利。把套筒装在这种链上，比斯莱特的设计能提供大得多的承载表面。 人们所知的最早的传动链的设计图是达·芬奇画的，然而不知道他画的传动链是否真的制造出来了。我们从拉梅利的 《不同的人工机械》一书上，可以看到公元1588年的一种抽水机的插图，这种抽水机就是利用链传动。图上的链有一个方形的链环，与木轮上凸出的齿相配，每一个方形链环都通过3个椭圆形的链环与下一个方形链环连接。 因为适合做传动链的金属又稀有又昂贵，又缺乏良好的制作工具，所以传动链未能广泛使用。然而到19世纪初期，由于工业革命的缘故，传动链获得了较为广泛的应用。 后轮用链传动的最早的法国自行车是吉尔梅设计的，由梅耶和吉埃于1868年制造出来。虽然传动链已经使用了一段时间，但主要是用于纺织机械，自行车链条仍然相当差劲。后来，一个叫朱赞的法国人于1885年研制成功了所谓的“现代自行车”，它的两个轮子一般大，后轮用链传动。英国人斯塔利于1885年制造出了称为“安全漫游者”的自行车。这种自行车有新的改进，但后轮仍用传动链传动。于是考文垂成了自行车的中心，开始了现代自行车的时代。后来人们又把链传动原理用于摩托车和汽车。现在，精确的传动链已经成为工业机械的最重要的零件之一。 抓斗大王 几十年来，工人们全靠人工使用28毫米粗的钢丝绳在船舱内捆扎原木，然后再用吊车吊起。年复一年，谁也没有想到这有什么不妥。然而有一天，有一个人却着意要改变这种落后的状况。他就是包起帆，人称“抓斗大王”。说起他发明的抓斗，还要从血淋淋的事故说起。 1968年，17岁的包起帆初中毕业，一场“文化大革命”断送了他学文化、升高中的梦想。他不得不到上海港木材装卸公司报到，当了一名装卸工。从此，包起帆便和木头、吊车打起了交道。夏天，船舱里闷热难耐，他和工人们也要在里面搬运木头；冬天，木头上都结了薄薄一层冰，他们也必须按时完成装卸任务。在这样的工作条件下，稍不留神，就会祸从天降——那些又重又粗的原木就像一只只“木老虎”，随时有可能挣脱钢丝绳的束缚，从高高的吊车上滑落下来，一旦砸在工人们的身上，其后果真是不堪设想。 包起帆就曾亲眼目睹过这样的惨状。 有一天，包起帆和一位同事正在船舱内工作，只见吊车吊起的大木头在空中打转。突在，险情发生了，一根原木从吊车上滑了下来，压在了这位同事的身上。只听“啊”地一声，这位同事便在包起帆的身边倒了下去，鲜红的血液从嘴里吐出。经过医生的检查，砸下的原木压断了这位同事10多根肋骨。 这种事故在包起帆的身边是经常发生的，从他进公司以后，就有500多人受重伤或轻伤，10多人死亡。 同样的事故也在包起帆的身上发生过。那是1974年春天的某一天，包起帆正在船舱里拉着钢丝绳捆扎原木，就在他把钢丝绳挂上吊钩的一刹那间，挂钩升起来了，将他的左手大拇指连同手套都拉碎，鲜血直流，手上露出了白白的骨头。伤好了以后，包起帆重新进入船舱装卸原木，不料又被木头砸伤了脚腿。 面对此情此景，包起帆心想：“这种落后的装卸方法劳动强度高，生产效率低，真是一只令人畏惧的 ‘老虎口’啊！我一定要想点办法，治一治这只 ‘木老虎’！” 由于伤病在身，包起帆不得不离开自己洒了多年血汗的工作岗位，来到了机修车间当修理工。包起帆就是这样，到哪里都想有所作为。于是，他到新华书店去买了许多书籍——《机械制图》、《车工基础》等，然而，对一个文化水平只有初中二年级的人来说，要读懂读通这一本本厚厚的书，谈何容易啊！包起帆真想有一个重新学习的机会，补上科学文化这一课。 机会终于来了。1978年，大学恢复了招考，包起帆如愿以偿，考取了上海市第二工业大学。当然，他读的是半脱产的业余大学，4天脱产学习，2天工作。 从初中二年级的水平一下要跃到大学，其困难是可想而知。然而，包起帆却知难而进。三角函数、解析几何虽然是第一次碰到，但是人家做10道习题，他就做20道、30道；电学、光学、力学尽管理解起来有困难，但是人家复习1遍，他就复习2遍、3遍……功夫不负有心人，学习上的困难在一点点地克服、一步步地后退，而包起帆却在一天天地进步。 为了补上初中、高中的知识，他特地到书店买来了数理化自学丛书，每天晚上做完功课后就从基础知识补起。包起帆还摸索出一套他自己的学习方法呢，他把厚厚的书本拆成薄薄的几本，揣在口袋里，走到哪里学到哪里，马路边、车站上、汽车里……所有零星的时间都被他利用了起来。就这样，包起帆终于跟上了学习的步伐。 就是在拚命读书的时候，包起帆也没有忘记治服“木老虎”的使命。 平时，包起帆常常在码头边散步，看到别的公司在装卸黄沙、石子时都是用抓斗，一上一下，一张一合，非常自如。于是，他想：黄沙、石头能用抓斗，为什么木头就不能用抓斗呢？对！我得制造一种安全的能抓木头的抓斗。 他利用读书的空闲，又来到自己工作过好几年的船舱调查研究；他还到图书馆、情报所、资料室查数据、找公式；回到家里，他还用硬纸板做成各式各样的抓斗模型…… 一次次的试验，一次次的失败，关键都在抓斗的开闭结构：抓木头时，它必须张大口；抓起木头时，它又必须紧闭口，将木头紧紧夹住，不让木头滑脱。 有一天，包起帆将自家的缝纫机零件拆下来，做成了一个小抓斗，再用两根绳子代替起重索，一上一下地来回放松、收紧，嘿！这小玩意儿竟然能够抓起东西了。 经过紧张地画图设计、制造加工，包起帆终于梦想成真。第一只木材抓斗发明成功了！时间是1981年10月，这是包起帆永远难忘的一天，他眼看着自己发明的抓斗轻松自如地装卸着原木，心中涌起了一股自豪感。 包起帆发明的第一种抓斗叫“双索门机抓斗”，它是用两根起重索使抓斗打开和闭合的。有了这种抓斗，工人们终于从“老虎口”中解放了出来。 这项发明不仅使包起帆获得了国家发明奖，还使他荣获了第16届日内瓦国际发明银奖呢！ 大学毕业以后，包起帆调到了公司技术科当技术员，这更使他如鱼得水，几乎每年都有新的发明问世。 1983年10月，包起帆被推选为工会代表，赴京参加全国总工会召开的 “十大”。在开幕式上，他忽然发现大会发给每位代表用作记录的圆球笔的伸缩结构十分灵活，“哎，这个结构能不能用到我的抓斗上去呢？”真所谓 “心有灵犀一点通”。正是这枝普普通通的圆珠笔，使包起帆想到可以将“双索抓斗”改为“单索抓斗”，用一根绳索就可以完成打开、闭合抓斗两个动作了。 晚上，代表们都去看电影了，而包起帆却呆在宿舍里拿着这枝圆珠笔出了神，这枝圆珠笔是怎样的结构呢？一连几个晚上，他都没有得出什么结论。 一回到上海，包起帆就直奔黄浦江西岸的一家圆珠笔厂，向工人请教圆珠笔芯伸缩的奥秘。但是，接待他的人以为他是同行，是来窃取情报的，对他十分冷淡。包起帆仍不死心，去公司开了介绍信，还是不管用。后来，他又几次登门求教，终于感动了圆珠笔厂的接待人员。当他们知道包起帆是为了搞抓斗发明，才希望弄懂圆珠笔芯的伸缩原理，别无他意时，接待人员才把“秘密”告诉了他。 包起帆如获至宝，立刻投入了紧张的发明之中。他和工人们在试验现场连续工作了3天3夜，连春节也是在码头上度过的。就这样，“单索抓斗”诞生了！只见两对平行的爪子，插进原木堆里，原木就顺势滚到抓斗里，起吊工轻轻起动单索抓斗，被夹得紧紧的原木，立刻就成捆成捆地从船舱里抓了上来。 一种新的抓斗终于在包起帆的刻苦钻研下诞生了。 传送带 现代工业的大规模生产主要依靠传送带。 亨利·福特设计了第一条大型“装配线”，用来大规模地生产著名的T型福特牌汽车（这种车是1908年开始生产的）。在大多数欧洲汽车还用手工制造时，专门为大规模生产安装的传送带是福特新建的汽车厂的心脏。它有1／5英里长，然而这种想法却是基于可替换的部件。可替换的部件可追溯到工业革命的初期。 1789年，美国教师惠特尼（轧花机的发明者）跟政府订了一项合同：在15个月内向政府交10000支滑膛枪。如果采取传统的方法，让造枪工人从头到尾一支枪一支枪地造，在15个月内要造这么多的枪是不可设想的。因此惠特尼想出了一个新主意，把造枪的工作化整为零，每一个工人都用一种连续的操作生产一种部件，而所有的部件都必须制造得很精确，能够互相替换。 在那时，它是一种完全新的系统，需要新的工具。为此，惠特尼设计了使工人便于使用锉刀的夹具，在适当的地方可钻多达12个孔的型板，使生产的工件不至于太长或太短的固定在车床上的机械止动器，用来铸造各种部件的铸模。惠特尼带了若干个袋子，每个袋子里装着10个同样的部件，到费城的财政局去，叫财政局的官员在每一个袋子里任意拿出一个部件来。他用这些部件当着这些官员的面装成了一支完整的枪。惠特尼证明这种系统是非常有效的。比能“很好地装配”更令人惊异的事情是，他用事实证明不用熟练的军械工人制造的部件，而是用半熟练的机械工人制造的部件，也能在很短的时间内装配起来。 对福特有帮助的另一个重要因素是皮带运输机的发展，这种机器在整个19世纪都在发展，主要是用来在港口运输大宗货物。利物浦在1868年安装了第一台大型的粮食传送机。而福特则用他的装配线把正在装配的汽车连续不断地从一个工人传给另一个工人。每一个有工具和部件的工人，必须在给定的时间内干完一件工作。工人不断地干活儿，工件不停地传送。电学仪器设备 电流计的发明 1780年的一天，当伽伐尼（意大利波伦亚的一位医学教授）在自己的家里给学生们讲课的时候，他的妻子正在隔壁的厨房里用他的解剖刀来剥青蛙皮。她一边干活儿，一边听丈夫讲课，不觉听得出了神，手术刀从手里滑落到了放在锌板上的青蛙的腿上。青蛙突然急促地抽动起来，吓得西格萝娜·伽伐尼一声惊叫。伽伐尼教授急忙跑进厨房，看发生了什么事。经过一番研究之后，他立即向学生们宣布：“我有一个伟大的发现，发现了动物电——生命的本源！” 然而他并没有作出什么伟大的发现。他终生都坚持这种错误的看法，用死青蛙作了无数的实验，当然，什么也没有证实。然而这却使他的声名传遍了欧洲，使他的名字永远跟“电镀”、“验电器”和“电流计”这些术语联在一起了。帕维亚的伏打——一个比伽伐尼更伟大的科学家——正确地解释了这种神秘的现象。伏打说：抽动的青蛙并没有证明什么”生命的本源”，只起了电的导体的作用；解剖刀是钢制的，板是锌制的——这倒是更重要的因素。伏打指出，用一个潮湿的导体把两种不同的金属隔开时便会有电流流动。青蛙大腿的抽动只表明有电流存在。伏打在这个发现的基础上发明了第一个电池——伏打电堆。然而伏打电堆产生的电却被荒谬地称为“伽伐尼电”。 那是1800年的事情，从那以后，科学家们就有了一种供做实验用的有效电源。长期以来，他们一直怀疑电与磁之间存在着某种关系。1819年，丹麦物理学家奥斯特偶然发现，把一根有电流通过的铁丝拿近航海罗盘时，罗盘的指针会猛烈摇摆。由电流产生的这种磁效应，成了一种用来测量低压电流的仪器（电流计）的基本原理。 19世纪20年代，电流计被各种研究人员发展成了各种各样的形式，并为德国格廷根天文台台长高斯首先用来派上实际用场。1832年，他发明了最初的电报 （虽然法国科学家安培在此之前已提出了这种想法）。高斯利用靠近电流的磁针会偏转的现象，通过一根铁丝把信号从家里输送到天文台。这种电流计称为动磁式电流计。然而现在应用得最广泛的却是动圈式电流计或镜式电流计。它由一个用细金属丝紧密地绕成的一个线圈组成，线圈悬于一个磁场中。当电流接通时，施于线圈上的“转矩”为悬置导丝的“扭力”所平衡，偏转角的测量由装在线圈上的一面镜子的方位、一盏小灯和能读出电流单位 （安培数）的表来进行。 1866年在欧洲和美洲之间敷设第一条激动人心的永久性电报电缆时（在1858年曾敷设过一次，但是失败了），镜式电流计起了决定性的作用。杰出的英国科学家汤姆孙教授——后来称为开耳芬勋爵——在敷设电缆的船“伟大的东方号”上利用电流计来不断地检测流经电缆的电流（如果有电流的话）的大小。横跨大西洋的海底电缆有2500英里长，从电报信号转变成的电流，从大西洋的彼岸传到岸上时，当然已经是非常微弱了，因此，汤姆孙设计的是最灵敏的电流计。他使用的记录器叫“虹吸记录器”，包括一根极细的玻璃虹吸管，黑水由于毛细作用可在管内流动，把到达的信号记录在纸带上。拾取信号的电流计本身由一个用极细的金属丝绕成的线圈组成，线圈悬置于一个马蹄形磁铁的两个磁极之间。没有汤姆孙的虹吸记录器，要在这两个大陆之间保持可靠的电报服务，而且保持了这许多年，简直是不可能的。 蛙腿的启示 意大利波洛尼亚大学解剖学教授伽伐尼有一个设备完善的实验室。室里有许多标本、解剖用具；还有像起电机、莱顿瓶等电器设备。伽伐尼早年学习神学，后来学医，成为人体、疾病和治疗方面的权威学者。 1786年的一天，伽伐尼指导学生解剖。有一位调皮的学生没有认真地做实验，反倒对旁边的起电机发生了兴趣，他趁教授不注意的时候摇起了起电机，突然啪的一声起电机和盛蛙腿的铜盘打出一个大火花，把这个学生吓了一跳。伽伐尼和同学们都转过身来，但是此时一个更奇怪的现象引起了大家的注意，摆在金属盘里的蛙腿随着电击抽动了一下，教授的眼睛瞪大了，他顾不上批评这位淘气的学生，而让他从新摇动起电机，全体同学都注视着那个蛙腿，啪的一声铜盘上又打出一个大火花，蛙腿随着电击又抽动了一下，学生们你看我、我看你地议论纷纷。 伽伐尼走过来，用解剖刀的刀尖翻动一下蛙腿打算探个究竟，此时蛙腿像活了一样忽然又跳动了一下，这可又使伽伐尼大吃一惊，他用颤抖的手又触动一下蛙腿，果然又引起蛙腿肌肉的抽搐。实验课再也不能正常地进行下去了，同学们都回到自己的桌子上用解剖刀去触动蛙腿希望能看到同样的现象，不过有的学生能使蛙腿抽动。有的则不能，课堂里像开了锅一样，同学们在实验室里跑来跑去，伽伐尼也顾不上去管学生，只是满腹疑惑地用解剖刀去触动蛙腿，直到下课铃声响。 尽管伽伐尼不明白其中的道理，但是他像一切科学家一样不放过任何偶然现象。他花费了11年的工夫去研究这件事。 有一天，伽伐尼用铜丝勾住蛙腿把一些蛙腿挂到阳台的铁栏杆上去晾干，一阵微风吹来，蛙腿在栏杆上荡来荡去，伽伐尼发现蛙腿每次碰到铁栏杆时都要抽搐一下，这个偶然事件又引起他的思考。他目不转睛地注视着这个怪现象。忽然产生了一个念头：蛙腿的电是来自大气中和生物体中，但是这是一个错误的结论。 有一个最不肯接受“生物电”的人就是伽伐尼的同胞意大利帕维亚大学的物理学权威伏打，伏打的性格比较内向，幼年时是一个十分安静的孩子，他4岁才会说话，家里人曾认为他智力迟钝，但到了7岁，他就赶上并超过了其他学生，14岁时就决心当一名物理学家。因此，伏打从小养成了善于思考和不盲从的习惯。伏打在戳蛙腿时注意到，只用一种金属或不用金属时蛙腿是不抽动的，只有两种金属同时存在的时候，蛙腿才会抽动。这个现象伽伐尼已观察到了，但是并不理解，这个现象却引起伏打的深思，他觉得似乎真理就在这里面。 伏打用两种金属制作了一根弯棒，一头是钢，一头是铁，中间连在一起。他把一头放在嘴里、另一头靠在眼睛上，当金属棒和眼睛接触的一瞬间，眼睛里有一闪的亮光。如果是同一种金属做成的棒就不会有这种现象。还有一次他用舌头舔着一个金币和一个银币，当用一根导线把金币和银币接通时，舌头就会尝到苦味。这些现象伏打认为都是电造成的。而不是生物特有的，但是，电是从哪里来的呢？ 他想可能是从两种金属加唾液来的。唾液是一种复杂的化学物质，它能使金属生锈，在这种化学反应中会不会产生电呢？ 他在两种金属片之间夹上一层饱含盐水的布片，电立即加强了许多倍！而且能输出稳定的电流。 “成功了！” 伏打高兴极了。 “是化学反应！化学反应产生了电，蛙腿的抽搐只是对电的检验，起了验电器的作用。” 他明白了腿蛙抽动的真正原因：腿蛙中含有水和盐类，钢制的解剖刀和铜盘是两种金属，当两种金属中间有盐类物质的时候就会产生电，与蛙腿本身无关。不用蛙腿换一个别的方法也能检验化学反应产生的电流。 伏打进一步实验，他用了铜片和镀锌的铁片交替放置，中间再用一层层在盐溶液里泡过的布片隔开，制成了一种称为“伏打电堆”的东西，这就是现代电池的原形。 电池后来又经过许多科学家的改进，1887年，英国人赫尔森发明了第一块干电池，使电池便于携带，干电池中的电解液是一种黏稠状的物质，所以液体不会溢出。 从电变磁到电磁铁 19世纪初期，丹麦物理学家奥斯特在对伏打电池改进时，曾对电流做过各种研究，还特别研究了电与磁之间的关系。 有一次，他在试验中发现当电流流过铜丝时，放置在铜丝旁边的磁针产生了哆哆嗦嗦的抖动。奥斯特感到很惊奇，不知磁针为什么会摆动。于是，他重复进行试验，以查找磁针抖动的原因。 他将磁针平行地放置在铜丝下面，当铜丝中有电流通过时，磁针确实发出厂摆动；而当把磁针平行地放在铜丝上面，并给铜丝通电时，磁针又向相反的方向摆动；当磁针与铜丝很接近时，磁针摆动的角度最大，达45°；而在磁针逐渐离开铜丝时，磁针摆动的角度也随之逐渐减小。 接着，奥斯特还用铁丝、黄铜丝代替铜丝进行同样的试验，但所得结果也是一样的。随后，他又在磁针与铜丝之间放置玻璃板、水和木板等，进行仔细观察。尽管如此，磁针的偏转摆动仍然不变。 奥斯特对这些试验进行了分析研究，得到了这样的结论：当电流流过导线时，在导线附近产生了像磁铁那样的磁性，即电流也具有和磁铁一样的磁力。1820年，他发表了这一研究成果，引起学者们重视与注意，也为电磁铁的发明揭开了序幕。 后来，法国物理学家安培根据奥斯特的发现作了更深入的研究。他在试验中发现，在两条平行的铜线中，如果流过方向相反的电流时，就会看到两条铜线互相吸引而靠近；而流过方向相同的电流时，两条铜线相互排斥而远离。安培还通过这个试验建立了电磁学计算中最常用的公式，即人们常说的安培定律。但更为重要的是，安培得到了这样独到的见解：用通过电流的线圈完全可以代替磁铁的作用。 除安培外，当时的法国科学家盖吕萨克也对奥斯特的试验进行了研究。他也制作了像安培那样的线圈，并在线圈中挂了一枚钢针。当电流通过线圈时，他发现钢针竟被磁化了，变成了永久磁铁。 到了1825年，英国人斯特金用软铁棒代替放在线圈中的钢针做试验，结果软铁棒也变成了和钢针一样的磁体。但当切断电流时，和钢针不同的是，软铁棒却未能变成永久磁铁。斯特金觉得挺有趣。他想，如果将流经线圈的电流交替地接通、切断，有电流时软铁棒即有磁性，而切断电流后软铁棒的磁性就消失，这不正好符合人们所需要的那种“通电变磁铁”吗！于是，他深入钻研，终于发明了电磁铁。 斯特金发明的电磁铁，是将软铁棒做成U字形，即我们平常说的马蹄形，然后涂上清漆，再在上面绕上18圈左右的铜线。 当斯特金制成电磁铁后，美国青年学者亨利给予了很高的评价，并对斯特金的电磁铁进行了改进。亨利不是在软铁棒上涂清漆，而是往软铁棒上绕绝缘导线，这样制成的电磁铁有更强的磁力。 电磁铁发明后不久，发电机和电动机便相继问世，它们都采用了U形电磁铁作为主要组成部分。由此可知电磁铁发明的重要意义了。另外，现在许多电磁式仪表，以及速度达到每小时几百千米高速磁悬浮列车等，也都是电磁铁的“用武之地”。因此，电磁铁还有着灿烂的发展前景。 法拉第发明了变压器 爱迪生发明了电灯，但是有一个问题使他很为难。因为，当时输电距离不能超过3千米，电流沿着电线走得太远以后，电压下降，不能把电灯点得雪亮，只能发出黄晕的光甚至不如煤气灯。 如果提高输电电压，靠近发电机的电灯就会被烧毁，为了解决这个难题，爱迪生在大约方圆3千米的区域内，就建一个冒着浓烟、隆隆作响的发电厂。居民常常抱怨发电机发出的噪音、震动和烟尘，但是，为了解决越来越多的需求，爱迪生还是投资建厂。 正当爱迪生计划建立大量的发电站的时候，因发明空气制动器发了横财的威斯汀豪斯察觉爱迪生的方法存在着很大的局限性，他不断地思考用什么更好的办法输电，恰好这时候他得知，法国的化学家和物理学家哥拉尔在1882年发明了变压器，这为他解决这个问题提供了一把钥匙，他立即购买了他的专利。 变压器的原型应该是法拉第发明的，他曾经做过一个实验，就是把两组线圈绕在同一个软铁环上，当在一个线圈内通电的瞬间，会在另一个线圈上感应出电流来。断电时也会感应出电流。但是当稳定的直流电通过时，另一个线圈中什么电流也没有。只有通以交流电，另一个线圈中才可以不断地感应出电流来。 这种大小和方向不断变化的电流，叫交流电。虽然电流大小在变化，但是对点电灯是无妨的，因为电流瞬时间断，灯丝还没有来得及冷下来，又接通了，电灯一点也不会闪烁。 但是，当威斯汀豪斯买来了专利后发现，变压器的毛病百出，只好又组织专门的班子进行研究。 1885年，正式成立了威斯汀豪斯电气公司，第二年春天就实现了用3千伏高压输电6．4千米的输电网。 新成果立即引起了大家的重视，公司的生意日益红火，威斯汀豪斯并不以此为满足，他得知在爱迪生的研究所里有一个叫特斯拉的年轻人，对交流电动机很有研究，就专程到纽约去拜访。特斯拉出生于克罗地亚，在匈牙利格拉茨大学学习工程学，后来移居美国。 特斯拉是一个脾气有些古怪的人，他和爱迪生之间有些矛盾，后来特斯拉终止了与爱迪生的合作，威斯汀豪斯用100万美元的代价买下了特斯拉的40多件专利，以借助他的新技术发展交流电动机。 爱迪生对这悄悄兴起的对手大为光火，于是掀起了一场诋毁交流电的宣传战，他花了数千美元组织了新闻、杂志和广告画，向外界宣传交流电的可怕，威斯汀豪斯也不甘示弱，舌剑唇枪地给以回击，但是，他没想到，纽约的法庭决定用交流电来执行犯人的死刑，还说只有交流电才有把人很快电死的效果，这是爱迪生做的手脚，对威斯汀豪斯是一个致命的打击。 为了抵消电椅的冲击，威斯汀豪斯盼望着有一个国际会议，恰好在芝加哥举办纪念哥伦布发现美洲400周年的国际博览会，作为会上的精品之一，就是点燃25万只电灯，威斯汀豪斯不惜血本以极低的价格竞争承担这项工程。1893年5月1日，数万支灯火在夜幕下光耀夺目，蔚为奇观。 在会上，尼亚加拉大瀑布建筑公司的经理拟建一座水电站。但是这座水电站远离城市，他看到威氏在展览会上的成就之后，就决定由他来承担这项任务。这件事也只有用交流电和变压器才能完成。 1892年，爱迪生通用电气公司由于直流电的主张而遭到惨败，公司责令爱迪生退出公司，并去掉爱迪生3个字，改名为通用电气公司，又向威斯汀豪斯公司提出和解，两公司修好，共同使用技术成果，而爱迪生则从此不能经营发电事业了。 现在任何一个街头上都可以看到变压器，发电厂发出的电先升高电压到几十万伏，输到城市后再把电压降下来，这样大大地提高了输电效率，降低了损耗。升高和降低电压都离不开变压器。 看不见的热 1946年的一大，美国雷西恩公司的一位名叫珀西·斯潘塞的工程师正在全神贯注地做雷达起振的实验。忽然，他的同事看到他胸前的衣兜上渗出暗黑色的血迹，就慌忙地说：“你受伤了，上衣袋那儿渗出血了！” 珀西用手一摸，湿糊糊的，脸色立刻变得煞白。可是这时他突然明白了，上衣袋里的巧克力糖融化了，真是一场虚惊。 珀西换了一件干净的衬衣又继续工作，但是巧克力糖为什么会融化？ 珀西正在研究25厘米雷达电波在空间分布的状况。此时雷达天线正在发射着强大的电波。 是不是雷达波的作用。忽然，脑子一亮，他想通了，一定是微波的作用。人们知道，世界上的物质都是由带电粒子组成的。电磁波是变化的电场和磁场组成的。电磁场的方向不断地变来变去，带电粒子跟着转来转去，产生热量，巧克力便融化了。 这件事情引起他的极大的兴趣，他想这种加热方式和传统的加热完全不同。当我们在锅里煮一个鸡蛋或一块肉的时候，热量是从外面慢慢传进去的。外面的蛋清已经煮老了，里面的蛋黄还没有太热，为了把整个鸡蛋煮熟，就要延长加热时间而浪费许多热量。如果用雷达波加热食物，每一小部分都在电磁波的作用下同时热起来，并不需要热的传导，因此非常省时。想到这里，珀西立即动手制作了一个用雷达波烤肉的灶具。第二年——1947年珀西所在的雷西恩公司就制造出一个微波灶。 微波灶加热食物快，而且只对富含水分的食物起作用，而盛食物的瓷盘子却不会被加热，当你从微波灶中取食物的时候，一点也不用担心被盘子烫着手。 美国哈维实验室正在研究一种拆除原子能反应堆混凝土建筑的方法，由于有放射性不允许扬起一点灰尘，科学家想到了用微波加热混凝土中含的水分，水在变成水蒸汽的过程中膨胀，就会使混凝土炸开，在此过程中不会产生任何灰尘，这些微波又变成科学家手中的工具。筑路时，工人常常为融化沥青而苦恼，沥青的浓烟造成污染，在运输过程中又要保温。所以筑路工人宁愿在炎热的夏季铺路，如果使用微波加热沥青就可省去这些麻烦。 微波还是战胜癌症的利器。有一次有一个癌症病人高烧不退，家里人已经为他准备后事了。但是，在高烧退去后，病人的癌肿竟完全消失了。这件怪事引起了医学界的重视，经过研究发现癌细胞比一般的正常细胞对热更敏感，高烧杀死了癌细胞。这就是高烧后在癌症病人身上发生的奇迹。 不过温度的控制是十分重要的，不然就会损坏正常的细胞。1975年德国科学家佩蒂克大胆地使用了一种全身麻醉加热的方法。他把麻醉后的病人放到50摄氏度的石腊液体中，同时让他吸入高温气体，使体内达到41. 5～41．8度，据说治愈了很多肿瘤病人。 有的癌肿要更高的温度才能杀死。例如：热死脑癌的温度阈值是43．5摄氏度。但是人体不能长期处在这样的高温下，应该有一种局部加热的办法才行。科学家又想到以微波灶的原理。也不能把整个人放在微波下烘烤，那是非常有害的。不过微波天线可以做得很细很小，然后把它送到有肿瘤的部位。现在制成了一种极细小的微波发生器可以从口腔中送到食道里，这种微波发生器可以把食道中的癌细胞杀死，使堵塞的食道畅通。不必实行大手术。对于前列腺肿大也可以用类似方法治疗。 还可以把极细的微波发生线圈送到血管里就可以烧去血管管壁的多余物质，使血管内壁变得光滑和富有弹性，目前在许多医院里已经可以进行这种手术了。 对于微波加热，过去人们认为，微波只能加热含水的东西，对于不溶于水的有机物质是无能为力的。但是加拿大的科学家发现，微波可以使一些有机物之间的化学反应速度提高1200多倍，这引起科学家极大的兴趣，并由此得到一系列的新成果。 微波的另一个妙用是用它来传递能量。 据说从前美国驻某国大使馆的工作人员经常感到身体不适，却又查不出什么病来，也许是水土不服吧！于是大使馆的工作人员轮流定期回国休养。后来由国内派来的电子专家进行使馆内的例行公事检查的时候，发现有一束微波每天定时照射这个大使馆，大使馆的工作人员由于受到过多的微波照射才影响了健康。 但是，为什么总有一束微波来照射这个使馆呢？ 电子专家发现，大厅的一个木雕雄鹰是微波照射的目标。这个雕像是美国的象征，是这个国家为了表示友好送给美国大使馆的，送来后就一直挂在这个会议大厅里。 拆开木雕才发现，里面有一个窃听器。这个窃听器没有电源，它的能量是由一束微波送来的。当微波束照射这个木雕像时，窃听器便开始工作，并把大厅中的声音由一束微波送回去。这种设计真是太妙了。 如果把这个思想用到空中飞行的飞机上，飞机就可以从地面射来的微波束中得到能量。1987年9月第一架无人驾驶的微波飞机在加拿大渥太华郊外的上空悠然自得地盘旋，它的能量来自飞机肚子下面的圆盘天线，一个像电话亭大小的发电机组把能量通过微波送上天空，飞机接受到微波后，再转化成电力驱动螺旋桨。因此这种飞机可以不用着陆不用空中加油持续不断地环球飞行。不过要每隔一二百千米设一个微波发送站。 人们最感兴趣的是，有朝一日用微波的能量把航天飞机送上太空。用火箭发射时，大量的能量浪费在火箭本身上，只是一个航天飞机没有多重，用微波发射可以节省20倍的经费。 预计在下个世纪人类将在月地之间建立一个大型太空城，太空城由于能充分利用太阳能来发电，所以向地球出口的贸易中电力占主要成分，向地球输送电能的最好方法是通过微波束，当然如果飞机或生物穿过微波束的时候会受到严重损害，不过地球上有许多荒无人烟的沙漠，在那些地方建立微波接收站就可以避免意外事故的发生。 科学家对于微波各个角度的思考，产生了非常不同的发明。这种思维范例值得我们学习。 燃料电池 有时一种新的技术思想是“一个尚未出现的问题的解决办法”，事情常常是在找到解决办法后不久问题就出现了。燃料电池就是这样。 有3种产生电或贮存电的基本方法：一种是靠发电机，一种是靠电池，一种是靠蓄电池。第4种方法是靠燃料电池。燃料电池的历史可追溯到戴维爵士。在上世纪初期，戴维在作电解实验后提出，当电流通过水时，它会把水分解成组成水的氧元素和氢元素。后来，在1842年，另一个叫格罗夫爵士的英国科学家，成功地逆转了这一过程，即是说，通过氢和氧这两种气体互相反应的方式产生了电。然而用这种方式产生的电却是微不足道的，“电解反应的逆反应”的想法由于这个原因被埋没了达90年之久。 但是到1932年，一个叫培根的英国剑桥的年轻化学家开始从新的角度来看这个问题。27年之后，他演示了自己的“燃料电池”。实际上它是由一个电池组构成，每个电池都有两个电极，电极是用镍粉压制的多孔平板做成的；电池悬在40％的氢氧化钾溶液中，在每平方英寸数百磅的压力下和摄氏数百度的温度下输入氢气和氧气。结果获得5千瓦24伏的电流，可为一把圆锯或一个焊接装置提供足够的动力。这个结果是令人鼓舞的。可是培根希望燃料电池的效率最终能提高到80％，即是说，一磅气体能产生一千瓦时以上的电力。 具有巨大研究能力的一些大公司在美国开始从事这项研究。通用电气公司为了便于汽车上使用而成功地精简了燃料电池的组装，而且有一辆用1008个燃料电池和一台电动机作动力的拖拉机已试验成功。它使用丙烷和氧，产生15千瓦的电，足以拖动一个犁。克莱斯勒公司制造了一辆燃料电池汽车，车上有4台电动机，每一个车轮上装一台，因此无需齿轮箱、传动装置、差动装置、主动轴或后轴。俄国人也在进行类似的研究。若要没有噪声、不排放污染物的汽车，从现在看来，解决这个问题显然是要使用燃料电池。 然而燃料电池的首次实际应用，则是用于美国的卫星，在卫星上为无线电发射机提供用电。要研制用燃料电池提供动力的经济电动小汽车或货车，还必须做大量的研究工作。甚至可以用燃料电池来建立小型发电站为工厂和局部地区提供用电。在遥远的将来，我们可能会有用燃料电池作动力的火车或轮船。光学仪器设备 激光器 激光的出现是本世纪60年代最重大的科学技术成就之一。它以其高亮度、高方向性、高单色性、高相干性等突出特点，得到了广泛的应用，并在科学技术的许多重大领域开辟了新的生长点，引起了革命性的变化。 1916年，爱因斯坦发表了《关于辐射的量子理论》一文，首次提出了受激辐射的概念。按照这个理论，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即两个光子的方向、频率、位相、偏振都完全相同。 随着量子力学的建立和发展，人们对物质的微观结构及其运动规律有了更深入的了解，微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等也得到了更有力的证明，这就在客观上更加完善了爱因斯坦的辐射理论，为激光的产生奠定了理论基础。40年代末，出现了量子电子学，它主要研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并从而研制出相应的器件。这些理论和技术的进展，都为激光器的发明准备了条件。 1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在核感应实验中，把加在工作物质上的磁场突然反向，结果在核自旋体系中造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射，这是在激光史上有重大意义的实验。 1954年，美国科学家汤斯和他的助手戈登、蔡格一起，制成了第一台氨分子束微波激射器。这台微波激射器产生了1.25厘米波长的微波，功率很小，但它成功地开创了利用分子或原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例，因而具有重大意义。差不多与此同时，苏联的巴索夫和普罗霍洛夫以及美国马里兰大学的韦伯，也分别独立地提出了微波激射器的思想。 由于微波激射器的成功，使人们进一步想到，如果把微波激射器的原理推广到光频波段，就有可能制成一种相干光辐射的振荡器或放大器。生产和科学技术发展的需要，也推动科学家们去探索新的发光机理，以产生新的性能优异的光源。 1958年，肖洛与汤斯将微波激射器与光学、光谱学的知识结合起来，提出了采用开式谐振腔的关键建议，并预言了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。同一时期，巴索夫、普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。 1960年7月，美国青年科学家梅曼成功地制造并运转了世界第一台激光器。工作物质用人造红宝石，激励源是强的脉冲氙灯，它获得了波长0.6943微米的红色脉冲激光。 第一台激光器问世以后，激光发展很快，短短时间里就出现了许多不同类型的激光器。1961年、1964年，先后制成钕玻璃激光器和掺钛钇铝石榴石激光器，它们和红宝石激光器都是迄今仍被大量应用的固体激光器。 1960年底，贝尔电话实验室的贾万等人制成了第一台气体激光器——氦氖激光器。1962年，有3组科学家几乎同时发明了半导体结激光器。1966年，又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。此外，还有输出能量大、功率高，而且不依赖电网的化学激光器等。 由于激光器的种种突出特点，因而很快被运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。比如，利用激光集中而极高的能量，可以对各种材料进行加工；激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，已在医疗、农业上取得良好的效果；激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外，各种激光武器、激光制导武器已投入实用。今后，随着激光技术的进一步发展，激光器的性能和成本进一步降低，其应用范围还将继续扩大，并将发挥出越来越重大的作用。 纤维镜 能够拐着弯进行观察的显微镜，是研制成功比头发还细若干倍的玻璃纤维后出现的一种奇妙的仪器。 研制纤维镜碰到的第一个问题，是制造形状像鞋带一样的镜子，而且要有自己的光源。把有一定折射率的玻璃裹在一根折射率不同的玻璃棒上，就可能满足全反射定律，换句话说，光就会沿着它们来回传输而没有损耗。这样，不管距离多远，要拐多少弯，人们都能从外面看到“内部的情况”。 最大的困难是制造极细的玻璃纤维，细到能把一束玻璃纤维插进人体内的孔道中，插进用于皮下注射的针中，或者通过防漏密封观察一台正在工作的机械的内部情况例如观察一个核反应堆的内部情况。玻璃纤维有两种：一种传输“相干”光，在目镜处产生图像；另一种传输“非相干”光，传到内部以照亮目标。被照着的东西通过形成两种光束的形式，在目镜或摄影机上形成影像。 英国的原子能局，还有较晚近的兰克组织，已率先进行这方面的发展工作，到1965年已开始生产25微米 （1微米等于0.001毫米）的玻璃纤维。若干美国公司，最著名的是宝雪龙公司，一直致力于研制更细的玻璃纤维，结果研制成功了15微米的玻璃纤维。宝雪龙公司的纤维镜最初是在工业上用来做检查工作（由于它发出的是冷光，所以适合于用来检查燃料箱的内部）。美国心脏收缩镜公司给玻璃纤维消毒获得成功，这就为医学上的应用开辟了广阔的前景。支气管镜 （让患者吞下）和胃镜（用来检查胃）通常都是7微米粗的玻璃纤维束。但是，在未能用相机拍照之前，用于研究和发展的数百万美元是收不回来的。 光电池 1817年，瑞典化学家柏济力阿斯发现了一种新的、他叫做硒的元素。硒是一种非金属，在地球上分布很广。很久以后，人们才发现硒适合作电阻用，例如、爱尔兰沿海的巴伦西亚岛上的电缆站就曾用它作变阻器。在这里，一位名叫梅的工程师注意到一个奇怪的现象：电流通过太阳下的硒棒比通过夜晚的硒棒要自由得多。 梅氏虽然在1873年作出了上述发现，但同样未曾即时应用（尽管在1883年，早期的电视先驱者—一德国工程师尼普科夫，在发明用来扫描电传图像的著名的“尼普科夫扫描盘”时，根据硒的这种性质研制出了图像传输系统。几年以后，第一位产生和接收电磁波的赫兹，对所谓的“光电”现象进行了一些研究。最后发现电子的汤姆孙提出了一种理论，说有的物质会由于有入射光而发射电子。再晚一些，爱因斯坦把量子理论应用于光电现象，说明了为什么只要光一投射在硒的灵敏的表面上，它就会开始发射电子，电子速度为什么取决于光的波长。 1902年，第一次开始了光电现象在技术上的应用，当时的德国物理学家阿瑟·科恩研制成功了一种有效的传真电报系统。大概就是他发明了作这种用途的一种重要的光电池：一个小的高真空的玻璃电池，除了可以进光的一个狭小“窗口”外，内壁都涂上了某种碱金属。电池里面只有一个薄金属环；这只环和碱金属涂层保持负电位和正电位。当光照到涂层上时，它就根据光的强度放出电子，金属环则吸引电子。这样就产生一个容易放大的弱电流。在科恩的传真电报中，是用一个光电池逐点照亮和扫描准备传这的静止图像，然后将已调电流传送到接收装置，在那里用图像的光值调制一盏灯，灯逐点、逐行地使滚筒上转动的光敏纸或底片爆光。这一系统目前仍用于有线传送或无线电传送图像。 这种类型的光电池叫做光电发射管。目前还使用另外两种光电池：一种是光电导电池，仍采用硒，用于自动开关路灯最有效；另一种是光伏电池，它包含两种物质，例如铜和氧化亚铜，中间夹一个专门制备的边界层。当光落在边界层上时，就会产生伏打电流。 各种各样的光电池已经得到了广泛应用，例如用于照相曝光表、防盗警报器 （在破门而入的人遮断一束看不见的紫外线时，警铃便会响起来）、工厂用的计数装置 （记录在传送带上通过的每一件货物）、色敏元件（能对不同波长的光作出不同反应，因而可以检查出某些水果或蔬菜，例如豌豆是否色正，是否应在装罐前剔出）等。 当然，光电池的最重要的应用是在电视中的应用（摄像机就是一个大的光电池）以及在录音胶片的生产和显示中的应用；在这些应用中，光电池把录音磁带上的讲话，音乐和音响变成胶片上的光学声迹，再把这种声迹还原成声音。在工业和科研方面应用光电现象的另一种仪器，是探测弱光的光电倍增器或电子倍增器；它是一个由一系列类似继电器的电极构成的系统，能把由于光的入射而释放的电子数量放大到容易测量的程度。 |
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