当前位置: 首页 期刊 《百科知识》 2015年第19期 编号:12744699 力学改变人类生活的三项发明(1) http://www.100md.com 2015年10月1日 《百科知识》 2015年第19期
  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3项最为重要的发明，它们对人类生活产生了巨大的影响。

 其实，这3项重要发明所根据的力学原理十分简单：一个单摆、一个离心调速器、一个具有攻角运动的平板的升力。然而，从这3个貌似十分简单的力学模型开始，到根据其原理进行发明创造，再经过不断改进，进入并改变人类生活，要经过无数科学家的艰苦努力，甚至要经过几代人前赴后继地奋斗，才能成为现实。人类文明的历史就是这样不断发展着。

 摆钟 开辟计时与大航海时代

 关于摆钟的发明，可以追溯到伽利略对摆的等时性的研究。伽利略是研究摆的运动的第一人。他在17岁时，就对摆的振动产生了兴趣。经过反复实验，他得到了摆的小摆动周期与摆长的平方根成正比的结论，从而在理论上为钟表的核心装置——摆奠定了理论基础。这标志着一个新时代的开始。
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 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学者惠更斯担当了。

 1657年，27岁的年轻学者惠更斯完成了摆钟的设计。他是一位因为发现土星光环而知名的年轻学者。同年，荷兰的钟表匠制成了世界上首架摆钟。次年，惠更斯出版了专著《摆钟》。在这本书中，惠更斯不仅详细描述了摆钟的构成，而且发表了一系列关于单摆与动力学的重要研究结果。例如，惠更斯系统地研究了圆周运动，引进了向心力和向心加速度的概念。他在理论上论证了单摆的等时性并给出了其周期与摆长和重力加速度关系的公式。随后，惠更斯又发现，在大幅度摆动时，单摆的周期不再是常数，并给出了在大幅度摆动时也有等周期的摆线理论。

 摆钟的发明对钟表精度的改进是非常了不起的。在此之前，最好的钟一昼夜误差大约有15分钟，而当时最好的摆钟可以调整到一昼夜误差不大于10秒。有了摆钟，人类才有了研究地球上物体运动的精确计时装置。
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 英国力学家胡克于1676年发表了对于弹簧的研究结果，后人称之为“胡克定律”，即弹簧的伸长与外力成正比关系。后来，摆钟上出现了两项改进：一项是弹簧发条贮能器的改进，另一项是弹簧(或游丝)摆轮的发明。1674年，惠更斯制成基于弹簧摆轮的钟表。有了这两项改进，钟表可以适应更为恶劣的工作环境，也可以制造得更为轻巧，例如，能够在颠簸环境下工作的钟、可以随身携带的怀表以及手表的出现。

 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。
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 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。

 可以说，钟表的发展和改进揭开了人类社会现代技术的序幕。出于随时随地准确定时的需求，人们需要制造大量钟表，有大量细小的钟表零配件需要加工和制造，于是便产生了现代车床和现代金属加工技术。

 与此同时，钟表的发展又为西方现代技术的发展培育了人才。蒸汽机的发明者英国人瓦特、纺织机的发明者英国人阿克赖特、以蒸汽机为动力的轮船的发明者美国人富尔顿等，他们青少年时代都曾经当过修表学徒或制作工匠。
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 有一种流行的观点是很有道理的，即认为欧洲近代科学技术的起源是古希腊的思辨传统与欧洲手工业传统相结合的产物。前者以达·芬奇、伽利略、惠更斯与牛顿的动力学发展为代表，后者便是以钟表工业的发展所培养起的一代新技术人才为基础。

 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 让蒸汽机走向世界

 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——“矿山之友”。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，比如低于水泵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，所以大气压蒸汽机不仅英国人使用，德国人与法国人也在使用。

 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。, 百拇医药(武际可) 第 1 2 页 下一页
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