科學(xué)研究從工程問(wèn)題中汲取養(yǎng)分——跟蒸汽機(jī)相關(guān)的科學(xué)研究

劉亞俊 李茂青 萬(wàn)仁全 彭澤林

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

在人類(lèi)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，科學(xué)研究、技術(shù)及工程是人類(lèi)活動(dòng)的重要內(nèi)容，對(duì)于三者的關(guān)系存在著眾多的不同觀點(diǎn)，近來(lái)有人提出科學(xué)—技術(shù)—工程“三元論”的觀點(diǎn)［1］，也有學(xué)者主張科學(xué)研究與工程并立，互相促進(jìn)，互為因果的意見(jiàn)［2］，著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森則認(rèn)為技術(shù)與科學(xué)之間沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，并主張把中文的“技術(shù)科學(xué)”翻譯為英文的“Engineering science”［3］．對(duì)于技術(shù)不同于工程和科學(xué)的觀點(diǎn)已得到大多數(shù)人的認(rèn)同，可科學(xué)研究與工程問(wèn)題之間的關(guān)系卻存在混亂的看法．實(shí)際上，在現(xiàn)代科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展歷程中，科學(xué)研究往往是從工程問(wèn)題中汲取養(yǎng)分的．本文簡(jiǎn)要介紹跟蒸汽機(jī)有關(guān)的工程問(wèn)題及相關(guān)的科學(xué)研究，從蒸汽機(jī)設(shè)計(jì)與制造的改進(jìn)到蒸汽機(jī)能效分析熱力學(xué)理論的提出；從瓦特的蒸汽機(jī)調(diào)速器到穩(wěn)定性理論的建立；多普勒效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，探討其發(fā)展歷程中產(chǎn)生的科學(xué)研究及工程問(wèn)題的相互關(guān)系，希望能給讀者一些啟迪和思考．

1 蒸汽機(jī)設(shè)計(jì)與制造的改進(jìn)到蒸汽機(jī)能效分析熱力學(xué)理論

人們很早就發(fā)現(xiàn)做功能使物體發(fā)熱，但很晚才明白：讓一個(gè)熱的物體冷下來(lái)可以用來(lái)做功．

一般人們相信，古希臘亞歷山大城的希羅（Hero of Alexandria）在公元前后150年之間發(fā)明了第一部蒸汽機(jī)．

直到1689年，英國(guó)的煤礦老板托馬斯·薩弗里（Thomas Savery）發(fā)明蒸氣驅(qū)動(dòng)的泵［4］．利用蒸氣排水，使蒸氣通入密閉容器，然后在容器上噴冷水，使其中的蒸氣冷凝，從而產(chǎn)生真空．他利用這種真空從礦井抽水，又利用鍋爐蒸氣將容器中的水排空．這個(gè)循環(huán)過(guò)程反復(fù)進(jìn)行．托馬斯·薩弗里的設(shè)備被稱(chēng)為“礦工之友”．

圖1 托馬斯·薩弗里發(fā)明的蒸氣驅(qū)動(dòng)的泵

1712年，湯瑪斯·紐科門(mén)（Thomas Newcomen）發(fā)明了用蒸氣推動(dòng)圓筒內(nèi)活塞的引擎［5］．

1763年，詹姆斯·瓦特（James Watt）發(fā)明蒸汽機(jī)冷凝器［6］，大大提升了引擎的效率，降低了燃料的消耗，這標(biāo)志了蒸氣引擎時(shí)代的真正開(kāi)始．

圖2 湯瑪斯·紐科門(mén)發(fā)明的蒸氣引擎的礦井抽水

圖3 詹姆斯·瓦特改良后的蒸汽機(jī)

然而，蒸汽機(jī)的設(shè)計(jì)和制造是一門(mén)技藝，沒(méi)有什么量化的科學(xué)基礎(chǔ)．1824年法國(guó)人薩迪·卡諾（Sadi Carnot）發(fā)表了一篇論文《論熱的動(dòng)力以及用此動(dòng)力的機(jī)器》，提出了著名的“卡諾”循環(huán)［7］，指明工作在給定溫度范圍的熱機(jī)所能達(dá)到的效率極限，從而奠定了蒸汽機(jī)的熱力學(xué)理論基礎(chǔ)．之后科學(xué)家們根據(jù)卡諾循環(huán)，相繼提出了熱力學(xué)溫標(biāo)、熱力學(xué)第二定律等理論，正式形成了熱現(xiàn)象的宏觀理論熱力學(xué)．同時(shí)，也形成了“工程熱力學(xué)”這門(mén)技術(shù)科學(xué)，它成為研究熱機(jī)工作原理的理論基礎(chǔ)，使內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣推進(jìn)機(jī)等研究相繼取得迅速進(jìn)展．

圖4 著名的“卡諾”循環(huán)簡(jiǎn)圖

1825年喬治·史蒂文森（George Stephenson）在英格蘭開(kāi)辦了第一條蒸汽火車(chē)客運(yùn)鐵路［7］．

圖5 喬治·史蒂文森發(fā)明的蒸汽機(jī)車(chē)

2 從瓦特的蒸汽機(jī)調(diào)速器到穩(wěn)定性理論

1788年，詹姆斯·瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)飛球離心調(diào)速器［8］．這種調(diào)速器的構(gòu)造是利用蒸汽機(jī)帶動(dòng)一根豎直的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這根軸的頂端有兩根鉸接的等長(zhǎng)細(xì)桿，細(xì)桿另一端各有一個(gè)金屬球．當(dāng)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)快時(shí)，豎軸也轉(zhuǎn)動(dòng)加快，兩個(gè)金屬小球在離心力作用下，由于轉(zhuǎn)動(dòng)快而升高，這時(shí)通過(guò)與小球連接的連桿便將蒸氣閥門(mén)關(guān)小，從而蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速也便可以降低．反之，若蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)慢，則豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)慢了，小球的位置也便下降，這時(shí)連桿便將閥門(mén)開(kāi)大，從而使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速加快．離心調(diào)速器是一個(gè)基于力學(xué)原理的發(fā)明，它是蒸汽機(jī)所以能普及應(yīng)用的關(guān)鍵，也是人類(lèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)與自動(dòng)控制的開(kāi)始．由于人們能夠自由地控制蒸汽機(jī)的速度，才使蒸汽機(jī)應(yīng)用于紡織、火車(chē)、輪船、機(jī)械加工等行業(yè)，才使人類(lèi)大量使用自然原動(dòng)力成為可能，這才有產(chǎn)業(yè)革命的第二階段．

圖6 詹姆斯·瓦特發(fā)明的飛球離心調(diào)速器

人們?cè)?jīng)試圖改善調(diào)速器的準(zhǔn)確性，卻常常導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩．實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題，促使科學(xué)家們從理論上進(jìn)行探索研究，蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定問(wèn)題引起了許多科學(xué)家的注意．

1868年，建立了電磁波理論的英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋（J．C．Maxwell），把蒸汽機(jī)的調(diào)速過(guò)程變成了一個(gè)線性微分方程的問(wèn)題．最后他指出，如果對(duì)應(yīng)的微分方程特征值在復(fù)平面的左半平面，系統(tǒng)就是穩(wěn)定的；反之，如果對(duì)應(yīng)的微分方程特征值在復(fù)平面的右半平面，系統(tǒng)就是不穩(wěn)定的，蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)［9］．

1877年，麥克斯韋的學(xué)生勞斯（E．Routh）找到了根據(jù)微分方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法，這就是自動(dòng)控制理論中有名的勞斯判據(jù)［10］．

1876年，俄國(guó)的維斯聶格拉斯基（J．A．Vyschnegradsky）他是專(zhuān)門(mén)搞實(shí)際研究的，結(jié)合實(shí)際的蒸汽機(jī)研制，解決了如何選擇參數(shù)才能使其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的問(wèn)題［11］．

李雅普諾夫（A．M．Lyapunov）是常微分方程運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性理論的創(chuàng)始人，他1884年完成了《論一個(gè)旋轉(zhuǎn)液體平衡之橢球面形狀的穩(wěn)定性》一文，1888年，他發(fā)表了《關(guān)于具有有限個(gè)自由度的力學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性》．特別是他1892年的博士論文《運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問(wèn)題》是經(jīng)典名著［12］，在其中開(kāi)創(chuàng)性地提出求解非線性常微分方程的李雅普諾夫函數(shù)法，亦稱(chēng)直接法，它把解的穩(wěn)定性與否同具有特殊性質(zhì)的函數(shù)（現(xiàn)稱(chēng)為李雅普諾夫函數(shù)）的存在性聯(lián)系起來(lái)，這個(gè)函數(shù)沿著軌線關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)具有某些確定的性質(zhì)．正是由于這個(gè)方法的明顯的幾何直觀和簡(jiǎn)明的分析技巧，所以易于為實(shí)際和理論工作者所掌握，從而奠定了常微分方程穩(wěn)定性理論的基礎(chǔ)，也是常微分方程穩(wěn)定性理論的重要手段．

圖7 李雅普諾夫穩(wěn)定性的平面幾何表示

1895年，德國(guó)的霍爾維茨（A．Hurwitz）在解決瑞士達(dá)沃斯電廠的一個(gè)蒸汽機(jī)的一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，就使用了穩(wěn)定性理論來(lái)設(shè)計(jì)［13］．他同時(shí)也獨(dú)立地提出了霍爾維茨判據(jù)，霍爾維茨當(dāng)時(shí)是蘇黎世工業(yè)大學(xué)的數(shù)學(xué)教授，也做過(guò)愛(ài)因斯坦的數(shù)學(xué)老師．

由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確跟蹤與補(bǔ)償能力，1932年美國(guó)物理學(xué)家奈奎斯特（H．Nyquist）提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法［14］，建立了以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù)，為具有高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準(zhǔn)確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具．

隨后，伯德（H．W．Bode）和尼科爾斯（N．B．Nichols）在20世紀(jì)30年代末和40年代初進(jìn)一步將頻率響應(yīng)法加以發(fā)展，形成了經(jīng)典控制理論的頻域分析法［13］．建立在奈奎斯特的頻率響應(yīng)法和伊萬(wàn)斯的軌跡法基礎(chǔ)上的理論，稱(chēng)為經(jīng)典控制理論，為工程技術(shù)人員提供了一個(gè)設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)的有效工具．

瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)飛球離心調(diào)速器最初的目的是為了自由地控制蒸汽機(jī)的速度，這引出了人類(lèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)與自動(dòng)控制科學(xué)研究的開(kāi)始，而穩(wěn)定性的研究是自動(dòng)控制理論的基本問(wèn)題，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性理論的建立也為其他領(lǐng)域的科學(xué)研究提供了一套思想和技術(shù)．

3 多普勒效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1842年5月25日，在布拉格舉行的皇家波希米亞學(xué)會(huì)科學(xué)分會(huì)會(huì)議上，德國(guó)物理學(xué)家多普勒（Christian Johann Doppler）提交了一篇題為“On the Colored Light of Double Stars”（論天體中雙星和其他一些星體的彩色光）的論文［14］．在這篇論文中，他提出了由于波源或觀察者的運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)觀測(cè)頻率與波源頻率不同的現(xiàn)象，后來(lái)稱(chēng)之為多普勒效應(yīng)，稱(chēng)這一原理為多普勒原理．對(duì)多普勒效應(yīng)最早的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是在荷蘭進(jìn)行的．1845年，當(dāng)時(shí)的荷蘭皇家氣象學(xué)院院長(zhǎng)布依斯·巴洛特（Buys Balot）在烏得勒支鐵路上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，讓機(jī)車(chē)牽引一節(jié)平板車(chē)廂，上邊坐上一隊(duì)小號(hào)手奏樂(lè)，當(dāng)機(jī)車(chē)快速駛來(lái)駛?cè)r(shí)，由一些訓(xùn)練有素的音樂(lè)家用自己的耳朵判斷音調(diào)的變化，然后音樂(lè)家與號(hào)手對(duì)調(diào)位置，重新實(shí)驗(yàn)．

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了兩天，觀測(cè)到了管樂(lè)器音調(diào)的明顯變化，驗(yàn)證了應(yīng)用于聲學(xué)時(shí)多普勒原理的正確性．

設(shè)聲源S，移動(dòng)速度vS，觀察者L，移動(dòng)速度為vL，在靜止介質(zhì)中沿同一直線運(yùn)動(dòng)，聲源發(fā)出聲波在介質(zhì)中傳播速度為v，且vS小于v，vL小于v．聲源發(fā)射頻率為f，波長(zhǎng)為λ的聲波，觀察者接收的聲波頻率f′為

圖8 多普勒效應(yīng)

若觀測(cè)者接近聲源，則vL前方運(yùn)算符號(hào)為＋號(hào)，反之則為－號(hào)；若聲源接近觀察者，則vS前方運(yùn)算符號(hào)為－號(hào)，反之則為＋號(hào)．

19世紀(jì)火車(chē)速度為30km／h，聲速為340m／s，根據(jù)多普勒效應(yīng)，人站著不動(dòng)，火車(chē)駛過(guò)來(lái)時(shí)人耳接收到的頻率為

而現(xiàn)代社會(huì)，我們的高鐵速度達(dá)到了300km／h，同理，根據(jù)多普勒效應(yīng)，我們?nèi)苏局粍?dòng)，高鐵向我們駛過(guò)來(lái)時(shí)人耳接收到的頻率：

我們可以看出，當(dāng)時(shí)的火車(chē)速度遠(yuǎn)不及今天快，因而驗(yàn)證的效果不會(huì)特別顯著！多普勒效應(yīng)的提出來(lái)源于生活中的問(wèn)題，而現(xiàn)在，這個(gè)原理衍生出的研究方法在衛(wèi)星定位、醫(yī)學(xué)診斷、氣象探測(cè)等許多科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用．

4 幾點(diǎn)思考

在《現(xiàn)代自然科學(xué)技術(shù)概論》［15］中列舉了科學(xué)的5種定義．第一種把科學(xué)定義為過(guò)程，第二、三種定義為目的（成果），第四種定義為手段，第五種則定義為三者的總和．對(duì)于科學(xué)研究的定義，我們更主張科學(xué)的第五定義，即科學(xué)研究是利用某種手段完成對(duì)知識(shí)體系的建立，是認(rèn)知活動(dòng)取得的成果．

工程是以促進(jìn)人類(lèi)發(fā)展為目的的有組織地改造世界的活動(dòng)，工程問(wèn)題即是改造世界、追求質(zhì)的提高的過(guò)程中所涉及到的實(shí)際問(wèn)題，具有高度的技術(shù)復(fù)雜性、社會(huì)復(fù)雜性及過(guò)程復(fù)雜性等特征．

科學(xué)研究更多的是認(rèn)識(shí)世界，工程問(wèn)題則是在改造世界過(guò)程中遇到的，工程問(wèn)題引出科學(xué)研究，兩者除了這種關(guān)系外，同時(shí)具有相互依賴，相互促進(jìn)的關(guān)系：

1）工程問(wèn)題引出科學(xué)研究

以上所舉的三個(gè)例子均為科學(xué)研究從工程問(wèn)題中汲取養(yǎng)分的成功典范，蒸汽機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中引起了熱力學(xué)理論的研究，需要指出的是熱力學(xué)的形成與當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)實(shí)踐迫切要求尋找合理的大型、高效熱機(jī)有關(guān)．與此同時(shí)，在熱力學(xué)理論研究過(guò)程中，找到了反映物質(zhì)各種性質(zhì)的相應(yīng)熱力學(xué)函數(shù)，研究了物質(zhì)在相變、化學(xué)反應(yīng)和溶液特性方面所遵循的各種規(guī)律；調(diào)速器的出現(xiàn)引起了系統(tǒng)穩(wěn)定性領(lǐng)域的研究；生活中的現(xiàn)象造就了多普勒效應(yīng)的提出．是工程中的問(wèn)題讓人們不斷地尋找和建立起新的科學(xué)研究領(lǐng)域．

2）相互依賴、相互促進(jìn)

科學(xué)研究和工程問(wèn)題的存在都是以對(duì)方存在為前提，兩者相互依賴．科學(xué)研究強(qiáng)調(diào)分析，工程問(wèn)題則體現(xiàn)著綜合性，一方面，工程問(wèn)題往往能開(kāi)拓一個(gè)全新的科學(xué)研究領(lǐng)域，另一方面，科學(xué)研究的成果為相關(guān)的工程問(wèn)題提供更科學(xué)的指導(dǎo)方法，讓其得到更好的解決．與此同時(shí)，這使得工程和科學(xué)研究相互促進(jìn)，最終加快了生產(chǎn)力發(fā)展．實(shí)際上，除了與蒸汽機(jī)的相關(guān)科學(xué)研究外，在許多研究領(lǐng)域中，科學(xué)研究往往是與改造過(guò)程的工程問(wèn)題緊密結(jié)合、相互促進(jìn)的．

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