书城科普培养发明与创造的能力(走进科学丛书)
10184400000005

第5章 历史上的超时代发明(1)

蒸汽机

18世纪蒸汽机的问世,无疑是人类一项划时代的伟大发明。蒸汽机开创的蒸汽时代,推动了根本改变人类社会面貌的第一次技术革命。最早的活塞式蒸汽机,是在德国的法国人巴本于1690年发明的。这种兼锅炉、汽缸和凝汽器三重功能的蒸汽机,事实上并没有实用意义。但这种管状的活塞式蒸汽机,确实是能完成蒸汽机工作循环的蒸汽动力机。而真正有实用意义的蒸汽机,是1698年英国人萨弗里发明的蒸汽机,它用冷凝蒸汽产生的吸力从矿井中抽水。后来,英国铁匠纽科门在白铁匠卡利的帮助下,对萨弗里的蒸汽机进行了改进,于1712年制成了“大气机”——纽科门蒸汽机。这种被称为“煤老虎”的纽科门蒸汽机,热效率很低,但可以有效地代替牛马和人力,带动水泵来抽排煤矿的积水。当时煤矿经常因积水而停产,有的矿为排水竟动用了500匹马来转动辘轳。煤矿多用点煤是不在乎的,所以,纽科门蒸汽机很快在各地煤矿被采用。但其他工业对这种“煤老虎”动力蒸汽机,还很少有人敢问津。具有工业使用意义的蒸汽机,是英国格拉斯哥大学的仪器修理工瓦特,在1784年取得专利的“双动旋转式蒸汽机”。瓦特蒸汽机已初具近代蒸汽机的雏形,比纽科门蒸汽机有更大的功率和更高的热效率,很快被其他工业所采用。工业蒸汽机的应用和推广,很快就出现了蒸汽轮船和蒸汽机车,当然还有带动纺织机械的蒸汽动力机、冶金业的蒸汽鼓风机等,一个以蒸汽机为标志的蒸汽时代,就这样开始了。而蒸汽机正是作为具有商品意义的产品,才能发挥伟大的历史作用。

内燃机

没有内燃机的发明,就不会有汽车、飞机、远洋舰船,也不会有坦克、火箭、潜艇、战舰,还有移动电站、地质钻机、建筑工程机械等也不可能出现。这种高效率、低重量、体积小的动力机械,是19世纪末第二次技术革命中重要的进步发明。内燃机的历史,甚至可以追溯到17世纪80年代,荷兰物理学家惠更斯最早提出真空活塞式火药内燃机,但这种设想方案连实验都没通过。直至几乎一个世纪之后,法国发明家里诺在1869年制成了第一台实用内燃机,这种二冲程无压缩过程的电点火煤气机,很像一台以煤气代替蒸汽的卧式二冲程蒸汽机。它作为小型动力颇受欢迎。而德国工程师奥托,应用了法国同行德罗沙的内燃机四冲程循环原理,在1876年研制成功了第一台四冲程往复活塞式内燃机。这也是一种煤气内燃机,但比里诺的二冲程内燃机热效率大大提高,而且结构更为紧凑小巧,运转也更为平稳。这种奥托内燃机,终于成为能与蒸汽机竞争并最后获胜的新型动力机械。

当然,1883年英国工程师戴姆勒制成的第一台四冲程往复式汽油机,1892年德国工程师狄塞尔发明的压燃式柴油机,都是内燃机发展史中重要的一页。汽油机和柴油机的问世,真正推动了汽车、飞机、远洋商船、潜艇、坦克等更有时代意义的产品的发展。

自行车

自行车的发明,算不上是什么划时代意义的发明,但作为人力交通工具,这种机动灵活又能提高效率的代步机械,是人类的好朋友,对于被称为“自行车王国”的中国来说,更是重要的甚至不可缺少的朋友。最早有实用价值的滑行式自行车,是苏格兰铁匠麦克米伦在1839年发明的。这种前轮可由车头车把转向的双轮车,靠骑坐在车上的人双脚蹬地后向前滑行,前进滑行时双脚离地后可搁在专门做好的脚架上。它与其说是代步工具,不如说是一架游戏机械。

1861年,法国的一个制造马车的匠师米苏制成了第一辆用脚蹬直接带动前轮的真正自行车。1888年,当爱尔兰人邓洛普在自行车上装上充气轮胎代替木轮上的铁皮,自行车就在全世界风行起来了。邓洛普以后成为著名的汽车轮胎商,而后又发展成为汽车制造商,这是后话了。

汽车

1885年,一辆装有汽油发动机的三轮车出现在德国曼海姆街头,这就是现代汽车的鼻祖。这辆由德国人本茨发明的奇形怪状的三轮汽车,时速为13~16千米。而略早一点,英国工程师戴姆勒把他发明的高速汽油机装在木制的两轮车上,也可称得上是最早的汽车。1889年戴姆勒又把他制成的V型双缸汽油机用于汽车,并正式获得了专利。

但真正具有现代意义的汽车,是1908年美国人福特发明并大批生产的T型汽车。这种带有倒挡的、轻巧灵活又结实便宜的汽车,一时风靡市场,畅销世界各地。福特T型车使福特公司一跃而成为世界最大的汽车制造公司,福特本人也从此获得了“汽车大王”的称号,同时汽车部件的标准化和汽车的装配流水线也成为世界汽车制造业的典范。

火箭

中国四大发明中的火药与火箭有不解之缘。已有史料表明,最早的火箭是公元1000年(宋真宗咸平三年),由谋士唐福所制造。这世界上第一枚火箭是一支填满火药的竹筒,带有“定向棒”和引火管,点燃后火药剧烈燃烧,喷射高温高压气体,推动火箭射向敌方。

世界上第一枚液体燃料火箭长3米,由美国克拉克大学的物理学教授戈达尔于1926年3月在马萨诸塞州送入长空。1957年苏联用火箭发射了世界上第一颗人造地球卫星。1978年美国的“阿波罗”运载火箭,把24人送进太空,其中12人在月球登陆,其运载火箭“土星5号”的第一级推力高达3500吨!由火箭发展而来的导弹、火箭炮,已成为当代战争中重要的战术、战略武器。

电池

假如没有电池的发明,麦克斯韦的电磁学理论就不可能建立,改变世界面貌的第二次技术革命也许还要推迟几十年或上百年。今天各式各样的电池,也是自动控制、电子技术、传感技术、航空航天、计时测试和家用电器不可缺少的能源。说到电池的发明,不能不提到1791年意大利博洛纳大学教授伽伐尼解剖青蛙时的重大发现,那就是不同金属接触蛙腿时会引起痉挛,这现象与蛙腿通过电流时的情况一样。意大利巴费尔大学物理教授伏打注意到了伽伐尼的发现,在重复伽伐尼的实验过程中,伏打发现不同金属在液体和湿布中会产生电流。1799年,伏打用铜片和锌片制成了能维持一定电流的“电堆”。1800年,伏打写信给英国皇家学会会长,宣布他制成了“伏打电池”。世界上第一个用浸在盐水里的铜片和锌片组成的电池,就正式问世了。

阿斯匹林

作为一种退热止痛药,它的发明也许称不上惊天动地,但发现阿斯匹林的悠久历史和它至今不衰并还在发展的有效功能,使阿斯匹林成为一种很典型的超时代产品。天然阿斯匹林的历史可以追溯到公元前5世纪至公元前4世纪,被称为“西方医药之父”的希波克拉底就曾介绍过咀嚼柳树皮可治疗分娩疼痛和产后发热,古罗马人用杨树皮的浸出液治疗坐骨神经痛,美洲印第安人用柳树皮泡制的茶来退烧,非洲霍屯督人用柳树皮饮料医治风湿病。这些民间土药的主要成分,就是天然阿斯匹林。1800年,人们开始从杨柳科植物的树皮中提取水杨酸盐类。1853年,德国化学家杰尔赫首次成功地合成纯水杨酸,确定了它的退热止痛有效作用,但毒性和副作用太大。1897年,德国化学家霍夫曼用纯水杨酸制成乙酰水杨酸,保持了有效功能而大大降低毒性和副作用,成为一直沿用至今的阿斯匹林的主要成分。1899年,德国拜尔公司大量生产阿斯匹林,并大做广告,于是退热止痛的阿斯匹林开始风行全球。

电灯

尽管目前各种新光源不断涌现,但白炽灯仍然是我们生产、工作和生活、娱乐的主要光源,而且在不久的将来,白炽电灯还将以它光亮柔和稳定、方便灵活价廉的特点而有一定的地位。1878年,英国的斯旺在新堡的化学学会展示了他发明的白炽电灯,而几乎同时,爱迪生在美国新泽西州孟洛花园的实验室中,点亮了他研制的白炽电灯。据说,爱迪生这位平均11天取得1项专利的伟大发明家,为研究白炽灯的灯丝材料,试用了包括妇女柔发、老人胡须和中国竹丝在内的1600多种不同材料,最后采用了碳化的棉线。第一只爱迪生的“棉线灯丝电灯”连续亮了40多个小时,宣告了真正具有实用意义的电灯的诞生。这是1879年10月21日的事。但目前使用的钨丝电灯,直至1908年才出现。应当指出的是,由于爱迪生反对交流电,所以他研制的电灯严格地讲是直流白炽灯,而我们现在使用的交流电源电灯,是稍后一些时间才问世的。

时钟

“一寸光阴一寸金”、“时间就是生命”,古今人们重视时间珍惜光阴。但若没有计时工具,如何衡量过去、现在?怎样区分前后快慢?更不用讲我们今天探月揽海、原子基因的研究和自动化、机器人、交通管理、激光通信的时间要求,要精确到百万分之一秒甚至万亿分之一秒。可以说,没有钟表,就没有现代世界。精确的计时使一个复杂的现代社会运行协调,而模糊的时间概念只能是低级原始社会的标志。钟表的时代意义就是精确程度。