书城科普世界科技史速读
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第9章 数理化工大发明(6)

传动部分由脚蹬、曲柄、链轮、中轴、链条和飞轮组成。骑车人的双脚踩动脚蹬,带动曲柄作回转运动,由链轮经链条传到后轴的飞轮而带动车轮旋转。

行动部分由前后轴部件、辐条轮辋和轮胎组成。车轮的重量和轮胎的花纹、规格、质量等都影响骑行的轻快性和舒适性。轮辋和轮胎的重量一般尽量减轻,以使骑行轻快。轻质轮辋用铝合金制造,轮辋通过辐条与前后轴连接。

自行车还有一定的安全性,其安全装置主要包括指制动器,即车闸,其次还有照明设备和鸣号装置等。车闸是保证骑行者人身安全的重要装置,车闸的种类繁多,基本上分为轮缘闸和轴闸两类。

现在自行车正朝着轻、新、牢、廉的方向发展,将进一步趋向设计新颖、造型美观、色彩鲜艳和协调。

内燃机

在一个半世纪以前,萨弗里、瓦特等人所发明的蒸汽机已利用了汽缸外的热,然后由热生成的蒸汽进入汽缸驱动活塞。当时人们曾经想到可以使某种无火焰的气体和空气的混合物在汽缸内发生反应,所燃烧产生的能量便可以直接驱动活塞。假如这样的内燃机被研制出来,那么它要比蒸汽机体积小且启动速度快。于是,1859年,勒努瓦第一个设计用照明瓦斯作为燃料,制造出了第一台实用型内燃机。这台内燃机由双作用式蒸汽机改装,采用滑阀以便将煤气和空气的混合物导入装有活塞的汽缸,然后被感应线圈所产生的电火花引爆,使得活塞移动。它是一种使用煤气和混合气的二冲程发动机。

1860年,他将这台内燃机装在一辆小型货车上,行驶了10千米,历时3小时。于是这辆车成为世界上第一辆用内燃机驱动而不再使用马拉的车子。

在勒努瓦的内燃机发明后,人们为提高它的效率做了许多尝试。1861年,奥托制成一台煤气发动机,1864年与德国工业家欧根·兰根共同研制并改进了一台发动机,并在1867年的巴黎博览会上获得金质奖章。1876年,奥托利用法国工程师罗沙的内燃机原理,设计制造了一台以煤气为燃料、火花点火、单缸卧式的四冲程内燃机,成为内燃机的真正发明者。

1877年,奥托获得这一发明专利权,而且这种内燃机很快就得到了广泛应用。他逝世时,人们为纪念这位有重大贡献的发明家,就将四冲程循环系统称为“奥托系统。”

狄塞尔是四冲程柴油发动机的发明者。他出生在巴黎,但父母都是德国人,少年时代为躲避法德战乱,全家逃到英国伦敦避难。战争结束后,狄塞尔在奥格斯堡和慕尼黑工业大学接受教育。大学期间,他开始从事蒸汽机的研究,一心想发明一种新的发动机。大学毕业后,狄塞尔做起了冷藏机工程师,当时他曾打算制造利用氨气的蒸汽机,但最终以失败告终。到了1885年,他的兴趣转移到他称之为“合理热机”的问题上来,冷藏机的液氨压缩机在压缩过程中产生大量热量给他留下了深刻影响。

1890年,狄塞尔回到柏林,潜心研究动力机。狄塞尔希望制造出比汽油发动机更好的柴油发动机。1897年,他终于成功了。理论上讲柴油机效率要高于汽油机,更适合作为船舶的动力;此外,柴油机无须电子点火,它使用的柴油也比汽油更便宜。第一台发动机的功率为13千瓦,热能损耗小,效率达38%,远比蒸汽机和汽油机高。很快这种机器已经成为发电厂广泛使用的固定发动机,经过不断改进,现在不仅在船舶上使用,而且在大型公共汽车、卡车上也得到了广泛应用。

红绿灯

我们现在所说的红绿灯,真正的名字就叫“交通信号灯”,它最早诞生在英国伦敦。红、黄、绿这三种全世界都通用的交通信号,来源于对服装颜色的构想。

19世纪初,在大不列颠帝国中部的约克城,妇女们对衣服的穿着与颜色十分考究。并且十分有趣的是,红、绿装分别代表女性的不同身份,那些结了婚、有了家庭的年轻妇女们,为了避免再受到一些人的追求,就会穿起红衣服来表示她们已经结婚;而那些未婚的小姐则穿起了绿衣服,表示自己还没有嫁人。时间一长,穿衣无意形成了这样一种习惯。英国政府受红绿装的启示,就将它作为交通信号灯的构思,开始研制。

由于英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧死人的事故,1868年,一位名叫查德·梅因的警员,提出建议:为防止议员们被街上繁忙的车辆给撞到,可以给英国议会大厦附近大街的交叉路口上,安装一个交通信号灯。他的建议,得到了英国政府的肯定。12月10日,信号灯家族的第一个成员——煤气红绿灯,在伦敦议会大厦的广场上诞生了。

它由当时英国的机械师纳伊特设计制造。这种煤气红绿灯看起来有点像当时的铁路信号装置,它是由信号杆和红绿两色旋转式方形玻璃提灯组成的。其信号杆高达7米,杆顶挂着信号灯,红色表示“停止”,绿色表示“注意”。在灯的脚下,一名手持长杆的警察依照车辆的多少而牵动皮带,转换提灯的颜色。

后来,人们又在信号灯的中心装上煤气灯罩,在它的前面装有两块红绿玻璃交替遮挡。不幸的是,1869年1月2日,这个只面世23天的煤气灯突然发生了爆炸事故,致使一位正在值勤的警察因此而断送了性命。事后,城市交通信号灯被取缔。

随着城市化水平的不断提高和人们生活节奏的加快,人们不得不借助汽车这种方便的交通工具。只是,拥挤的道路造成的堵车现象越来越严重,于是,人们便呼唤一种新的交通信号装置。1914年,红绿灯在美国率先恢复,不过这时已是“电气信号灯”了。这种信号灯由红、绿色圆形投光器组成,在俄亥俄州的克利夫兰进行了第一批安装,红灯亮表示“停止”,绿灯亮表示“通行”。稍后在纽约、芝加哥等城市也相继出现了安全的红绿灯。

随着各种交通工具的进一步发展和交通指挥的需要,第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投光器,被安装在纽约市五号街的一座高塔上。至此,红、黄、绿三色信号形成了一个完整的指挥信号系统。

摩托车

距今7000年以前,人类从一个地方到另一个地方的唯一方法就是走路。不久,人们开始驯养牲畜来驮运东西或帮助人走路。大约在公元前3500年,美索不达米亚的一位撒马利亚人绘制了一辆样子非常古怪的殡仪车,这标志着有轮子的运输工具出现了。之后,人们用不同的动力推动轮子,这种方式成为主要的交通方式。

19世纪后期,随着汽油发动机的出现和充气轮胎的应用,德国人戴姆勒投入到汽油摩托车的研究之中。

这时,世界公认的“汽车鼻祖”——德国人卡尔·本茨,正在研制用内燃机推动的机车,这两项发明几乎是并驾齐驱的。1885年春天,本茨开始试制一种四冲程汽油发动机的汽车。同年秋天,戴姆勒则在斯图加特附近的宅院里第一次骑上了他的摩托车。他们谁也不知道在相隔97千米的对方在干什么,也不知道彼此的存在,两人却在为同一个目标奋斗着:研制一种新型的代步工具。作为工程师的戴姆勒从1872年就一直跟着内燃机的发明者奥托在科伦工作。那时,奥托正在研制燃气内燃机。戴姆勒这时却在想着用汽油蒸汽来代替煤气,用电子点火系统代替持续火焰点火,从而把奥托的固定发动机变成移动式的发动机。他为了实现自己的想法而离开了奥托,搬回到自己的工厂。

戴姆勒最初研制的摩托车结构粗糙,轮子是用木头制造的,排气管安装在座位下面。但是,这些并没有阻止摩托车发明的进程。当戴姆勒把摩托车的各个部位组装起来的时候,除了速度慢和噪音大以外,似乎已经很完美了。戴姆勒认为对乡下的邮递员来说,他的摩托车可能是最有用的。

摩托车在一开始还像个“丑小鸭”一样毫不起眼。当第一次世界大战爆发以后,交通工具的需求量便开始直线上升,由于摩托车的价格便宜,成为了汽车行业的一大劲敌,军警也开始广泛使用这种车来进行侦察。在第一次世界大战之后第二次世界大战爆发前的19年间,摩托车行业发展迅速,跨斗摩托车也在这时开始出现,四冲程双缸发动机也开始运用到了摩托车上。第二次世界大战之后,和平的阳光照耀着整个大地,人们开始尽情地享受生活,摩托车很快就被汽车所取代。但是,摩托车并没有因此而被抛进工业时代的垃圾堆中,高速旅行和体育竞赛开始将摩托车文化演绎得有声有色。

飞机

威尔伯·莱特和奥维尔·莱特是一位主教的儿子,住在美国俄亥俄州的代顿。兄弟俩在经营自行车工厂时所获得的钱和技术,使他们能够开始自己的航空工作。莱特兄弟从少年时代起就喜爱飞行,但威尔伯先迈出了第一步,他写信给史密森博物馆索取有关书籍和文章,后来奥维尔也变得像威尔伯那样热衷于飞行。莱特兄弟既是先驱者又是出色的商人,他们首先为其设计提出了专利申请,并在1906年得到了专利权。1903年12月17日的早晨,奥维尔·莱特进行了人类历史上第一次有动力、持续的、可操纵的飞行,在世界飞行史上留下了光辉的一页。

像鸟儿一样在天空飞翔,自古以来就是人类的梦想。为了它的实现,人们付出了多年坚持不懈的努力,甚至许多先驱者还付出了生命的代价。终于,1903年12月17日这一天,世界上第一架载人动力飞机在美国北卡罗来纳州的基蒂霍克飞上了蓝天。这架被叫做“飞行者”1号的飞机,翼展为13.2米,升降舵在前,方向舵在后,两副两叶推进的螺旋桨由链条传动、着陆装置为滑橇式,并且装有一台70千克重、功率为8.8千瓦的四缸发动机。1903年12月14日,“飞行者”1号在美国北卡罗来纳州基蒂霍克的一片沙丘上起飞了。但结果并不理想,飞机才升到1米高就出现了故障。

真正的奇迹诞生在3天后。12月17日这天,莱特兄弟一共进行了4次飞行。最长的一次是由威尔伯·莱特驾机在空中停留了59秒,飞行了260米。

人们对飞行奥秘的探索并没有停止,继莱特兄弟之后,越来越多的人投身到这一创造性的事业中,越来越多的新式飞机被研制出来,应用到了广泛的领域当中。

磁悬浮列车

从轮子发明的那一天起,所有的车辆都采用车轮与地面或钢轨的摩擦使车辆向前运动,当摩擦力足以毁坏车轮或钢轨时,列车的速度就达到了极限。如果想要获得更高的速度,就得尝试通过克服车轮与钢轨之间的摩擦力来提高车速。磁悬浮列车正是克服了这种摩擦力才达到了常规无法达到的速度。

磁悬浮列车能飞驰在轨道面上,主要归功于超导新技术。1911年,荷兰物理学家昂内斯将水银冷却到零下40℃,使它凝固为一条线,并对它通以电流。当温度降至零下268.9℃时,昂内斯发现水银中的电阻突然消失了。后来,人们把这种电阻突然消失的现象叫做超导现象。在温度和磁场都小于一定数值的条件下,导电材料的电阻和体内磁感应强度都突然变为零,这种特殊的导电状态就称为超导态,在很低的温度下呈现超导态的导体就是超导体。

1933年,迈斯纳和奥森费耳德通过进一步的研究发现,金属处在超导态时其内部磁感应强度为零,即能把原来在其体内的磁场排挤出去,也就是说,在超导体内,根本不会发现任何磁场。即使原来导体中有磁场存在,一旦变为超导体以后,磁场就统统被排斥在磁场之外。正是由于超导体的抗磁性,会对磁铁产生一个向上的排斥力,这种排斥力使列车行驶时不与铁轨直接接触,人们开始研制的磁悬浮列车就是利用磁极同性相斥的原理,将超导磁体安装在列车底部,再在轨道上铺设连续的良导体薄板。电流从超导体中流过时,产生磁场,形成一种向下的推力,当推力与车辆重力平衡时,车辆就可悬浮在轨道上方一定的高度了。

磁悬浮列车与目前的高速列车相比,具有许多无可比拟的优点。它可靠性能好,维修简便,最主要的是它的能源消耗极低,不排放废气,无污染。磁悬浮列车集计算机、微电子感应、自动控制等高新技术于一体,是目前人类最理想的绿色交通工具。