力學(xué)改變?nèi)祟惿畹娜?xiàng)發(fā)明

武際可

17世紀(jì)科學(xué)革命之后，在力學(xué)學(xué)科引領(lǐng)之下的發(fā)明數(shù)不勝數(shù)，其中，擺鐘、調(diào)速器和航空是3項(xiàng)最為重要的發(fā)明，它們對(duì)人類生活產(chǎn)生了巨大的影響。

其實(shí)，這3項(xiàng)重要發(fā)明所根據(jù)的力學(xué)原理十分簡(jiǎn)單：一個(gè)單擺、一個(gè)離心調(diào)速器、一個(gè)具有攻角運(yùn)動(dòng)的平板的升力。然而，從這3個(gè)貌似十分簡(jiǎn)單的力學(xué)模型開始，到根據(jù)其原理進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造，再經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，進(jìn)入并改變?nèi)祟惿?，要?jīng)過(guò)無(wú)數(shù)科學(xué)家的艱苦努力，甚至要經(jīng)過(guò)幾代人前赴后繼地奮斗，才能成為現(xiàn)實(shí)。人類文明的歷史就是這樣不斷發(fā)展著。

擺鐘 開辟計(jì)時(shí)與大航海時(shí)代

關(guān)于擺鐘的發(fā)明，可以追溯到伽利略對(duì)擺的等時(shí)性的研究。伽利略是研究擺的運(yùn)動(dòng)的第一人。他在17歲時(shí)，就對(duì)擺的振動(dòng)產(chǎn)生了興趣。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，他得到了擺的小擺動(dòng)周期與擺長(zhǎng)的平方根成正比的結(jié)論，從而在理論上為鐘表的核心裝置——擺奠定了理論基礎(chǔ)。這標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的開始。

1641年，伽利略建議利用擺的等時(shí)性制造鐘。遺憾的是，他未能完成此項(xiàng)工作便逝世了。于是，制造擺鐘的任務(wù)歷史性地由荷蘭學(xué)者惠更斯擔(dān)當(dāng)了。

1657年，27歲的年輕學(xué)者惠更斯完成了擺鐘的設(shè)計(jì)。他是一位因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)土星光環(huán)而知名的年輕學(xué)者。同年，荷蘭的鐘表匠制成了世界上首架擺鐘。次年，惠更斯出版了專著《擺鐘》。在這本書中，惠更斯不僅詳細(xì)描述了擺鐘的構(gòu)成，而且發(fā)表了一系列關(guān)于單擺與動(dòng)力學(xué)的重要研究結(jié)果。例如，惠更斯系統(tǒng)地研究了圓周運(yùn)動(dòng)，引進(jìn)了向心力和向心加速度的概念。他在理論上論證了單擺的等時(shí)性并給出了其周期與擺長(zhǎng)和重力加速度關(guān)系的公式。隨后，惠更斯又發(fā)現(xiàn)，在大幅度擺動(dòng)時(shí)，單擺的周期不再是常數(shù)，并給出了在大幅度擺動(dòng)時(shí)也有等周期的擺線理論。

擺鐘的發(fā)明對(duì)鐘表精度的改進(jìn)是非常了不起的。在此之前，最好的鐘一晝夜誤差大約有15分鐘，而當(dāng)時(shí)最好的擺鐘可以調(diào)整到一晝夜誤差不大于10秒。有了擺鐘，人類才有了研究地球上物體運(yùn)動(dòng)的精確計(jì)時(shí)裝置。

英國(guó)力學(xué)家胡克于1676年發(fā)表了對(duì)于彈簧的研究結(jié)果，后人稱之為“胡克定律”，即彈簧的伸長(zhǎng)與外力成正比關(guān)系。后來(lái)，擺鐘上出現(xiàn)了兩項(xiàng)改進(jìn)：一項(xiàng)是彈簧發(fā)條貯能器的改進(jìn)，另一項(xiàng)是彈簧（或游絲）擺輪的發(fā)明。1674年，惠更斯制成基于彈簧擺輪的鐘表。有了這兩項(xiàng)改進(jìn)，鐘表可以適應(yīng)更為惡劣的工作環(huán)境，也可以制造得更為輕巧，例如，能夠在顛簸環(huán)境下工作的鐘、可以隨身攜帶的懷表以及手表的出現(xiàn)。

1707年，英國(guó)海軍艦隊(duì)發(fā)生了一次慘禍，共有3艘船只失事，超過(guò)2000人死亡。事故原因是艦隊(duì)定位出了差錯(cuò)。1714年，英國(guó)國(guó)會(huì)懸賞2萬(wàn)英鎊尋求在海中精確測(cè)定經(jīng)度的方法：誰(shuí)要是能在到達(dá)西印度的6周航行中，誤差不大于30英里，便能得到這筆獎(jiǎng)金。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)天文觀測(cè)儀已可以使人們經(jīng)由觀測(cè)星體十分精確地了解船舶所在地的緯度。但對(duì)于所在地的經(jīng)度，由于星體在天上隨時(shí)間不停運(yùn)動(dòng)，要想準(zhǔn)確測(cè)定經(jīng)度，必須制造一架高精度的便攜式時(shí)鐘。這種鐘就是天文鐘。

最終，鐘表匠哈里森改進(jìn)的時(shí)鐘在從倫敦到牙買加的9周航海旅程中，誤差僅為5秒。他獲得了國(guó)會(huì)的這項(xiàng)懸賞。

18世紀(jì)時(shí)，鐘表進(jìn)入大眾消費(fèi)市場(chǎng)，鐘表的種類也越來(lái)越多，有了從教堂、航海、家庭擺設(shè)到個(gè)人佩戴等各式各樣的鐘表。之后，鐘表做得越來(lái)越精巧，可以戴在手腕上的腕表也出現(xiàn)了。

迄今的200多年間，鐘表用于測(cè)量聲速、光速、各種振動(dòng)頻率、周期等各種物理量，還被應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確測(cè)時(shí)。此外，鐘表還廣泛地用于航海、航空業(yè)。各學(xué)科和各技術(shù)的發(fā)展無(wú)不得益于鐘表的幫助。

可以說(shuō)，鐘表的發(fā)展和改進(jìn)揭開了人類社會(huì)現(xiàn)代技術(shù)的序幕。出于隨時(shí)隨地準(zhǔn)確定時(shí)的需求，人們需要制造大量鐘表，有大量細(xì)小的鐘表零配件需要加工和制造，于是便產(chǎn)生了現(xiàn)代車床和現(xiàn)代金屬加工技術(shù)。

與此同時(shí)，鐘表的發(fā)展又為西方現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展培育了人才。蒸汽機(jī)的發(fā)明者英國(guó)人瓦特、紡織機(jī)的發(fā)明者英國(guó)人阿克賴特、以蒸汽機(jī)為動(dòng)力的輪船的發(fā)明者美國(guó)人富爾頓等，他們青少年時(shí)代都曾經(jīng)當(dāng)過(guò)修表學(xué)徒或制作工匠。

有一種流行的觀點(diǎn)是很有道理的，即認(rèn)為歐洲近代科學(xué)技術(shù)的起源是古希臘的思辨?zhèn)鹘y(tǒng)與歐洲手工業(yè)傳統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。前者以達(dá)·芬奇、伽利略、惠更斯與牛頓的動(dòng)力學(xué)發(fā)展為代表，后者便是以鐘表工業(yè)的發(fā)展所培養(yǎng)起的一代新技術(shù)人才為基礎(chǔ)。

如今，盡管擺鐘大多已被電子表等電子計(jì)時(shí)裝置所取代，但對(duì)于電子表中的震蕩器的認(rèn)知，還是起源于對(duì)單擺知識(shí)的拓寬，可以說(shuō)，它保留、繼承和拓寬了關(guān)于擺鐘的理論和技術(shù)。

調(diào)速器 讓蒸汽機(jī)走向世界

調(diào)速器看似簡(jiǎn)單，但在近代控制技術(shù)和控制理論的發(fā)展上起到了開天辟地的作用。

1698年，英國(guó)人托馬斯·塞維利發(fā)明了利用蒸汽壓力的抽水泵——“礦山之友”。它的工作過(guò)程是：在容器中通入蒸汽，使蒸汽在容器中凝結(jié)，利用蒸汽凝結(jié)后形成的真空把礦井中的水抽上來(lái)。這種泵有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：一是在地下水位較低，比如低于水泵10米時(shí)就抽不上水;二是由于突然進(jìn)入容器的蒸汽壓力過(guò)高，易于爆炸。

1712年，英國(guó)人托馬斯·紐可曼發(fā)明了大氣壓蒸汽機(jī)。這種機(jī)器具有汽缸與活塞，可以自動(dòng)工作，使礦井抽水的便捷性大大提高，所以大氣壓蒸汽機(jī)不僅英國(guó)人使用，德國(guó)人與法國(guó)人也在使用。

但英國(guó)人瓦特經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，紐可曼的蒸汽機(jī)由于在用水冷卻汽缸時(shí)，汽缸的溫度降低，為加熱汽缸就要消耗更多的蒸汽，因而效率偏低。為此，1765年5月，瓦特提出使蒸汽從汽缸排入另一容器的想法，這個(gè)容器后來(lái)被稱為冷凝器。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)與改進(jìn)，裝有冷凝器的蒸汽機(jī)在1769年制造完成。

改進(jìn)后的蒸汽機(jī)效率大大提高，但仍存在問(wèn)題——速度不能得到很好的控制。燒煤多時(shí)，蒸汽多，機(jī)器就轉(zhuǎn)得快;燒煤少時(shí)，就轉(zhuǎn)得慢。這種不能均衡轉(zhuǎn)動(dòng)的蒸汽機(jī)是無(wú)法派上大用場(chǎng)的。

1782年前后，瓦特在蒸汽機(jī)上安裝了離心調(diào)速器。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，兩根細(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)，豎軸也加快轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)金屬小球在離心力作用下，由于轉(zhuǎn)動(dòng)加快而升高，這時(shí)與小球連接的連桿便將蒸汽閥門關(guān)小，從而使得蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速同時(shí)降低。反之，若蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)慢，則豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)緩慢，小球的位置便會(huì)下降，這時(shí)連桿便將閥門開大，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，是蒸汽機(jī)所以能普及應(yīng)用的關(guān)鍵，也是人類自動(dòng)調(diào)節(jié)與自動(dòng)控制機(jī)械的開始。由于人們能夠自主控制蒸汽機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，才使蒸汽機(jī)廣泛應(yīng)用于紡織、火車、輪船、機(jī)械加工等行業(yè)，使得人類大量使用自然原動(dòng)力成為可能，最終才有了產(chǎn)業(yè)革命的第二階段。

瓦特所改進(jìn)的蒸汽機(jī)很快便在生產(chǎn)中得到迅速普及。到1790年，老式的紐可曼蒸汽機(jī)在市場(chǎng)上已經(jīng)看不見(jiàn)了;與此同時(shí)，大約有500臺(tái)蒸汽機(jī)在英國(guó)工作。經(jīng)過(guò)大約不到100年，到了1868年，僅在英國(guó)就有7.5萬(wàn)臺(tái)蒸汽機(jī)投入生產(chǎn)中。1800年，英國(guó)的特里維希克發(fā)明了高壓蒸汽機(jī)。1801年，美國(guó)人埃文思造出了真正合用的高壓蒸汽機(jī)。1805年，蒸汽機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力在美國(guó)被裝上了汽車。1807年，美國(guó)的富爾頓發(fā)明以蒸汽機(jī)為動(dòng)力的輪船。1825年，斯蒂文森造出可以在軌道上行駛的蒸汽機(jī)車。

調(diào)速器使用后，初期運(yùn)行很正常;但當(dāng)蒸汽機(jī)的速度提高后，調(diào)速器不能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)出現(xiàn)時(shí)快時(shí)慢的現(xiàn)象。最早研究調(diào)速器穩(wěn)定性問(wèn)題的是英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋。1868年，麥克斯韋發(fā)表《論調(diào)節(jié)器》，最早把調(diào)速器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用微分方程來(lái)描述，他導(dǎo)出了調(diào)節(jié)器的微分方程，并在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化處理，指出穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負(fù)的實(shí)部;麥克斯韋還給出了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件。

到了1872年，俄國(guó)的維斯聶格拉斯基寫出了《論調(diào)整器的一般原理》一文，并于1876年在法國(guó)科學(xué)院報(bào)上發(fā)表。

后來(lái)，英國(guó)的儒斯和俄國(guó)的李亞普諾夫分別在1877年和1892年發(fā)表對(duì)于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)普遍穩(wěn)定性的理論研究論文，才最終從理論上完整而全面地解決了力學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。

調(diào)速器是一項(xiàng)技術(shù)發(fā)明，由于它的出現(xiàn)和發(fā)展，蒸汽機(jī)開始被普遍使用，才有了后來(lái)的產(chǎn)業(yè)革命。工業(yè)控制論的研究也可以說(shuō)是從調(diào)速器的研究起步的，并且由研究調(diào)速器的穩(wěn)定性開始，才使得人們開始深入研究力學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，了解調(diào)速器的歷史，對(duì)于了解蒸汽機(jī)的歷史，對(duì)于理解控制論的歷史，對(duì)于了解運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性研究的歷史都是十分重要的。

飛行力學(xué) 讓人類圓了飛天夢(mèng)

1903年12月17日，萊特兄弟第一次實(shí)現(xiàn)了人類飛行的夢(mèng)想。其實(shí)，人類對(duì)飛行的向往和探索源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，航空的產(chǎn)生和發(fā)展是人類世代前赴后繼奮斗和積累的結(jié)果，這其中首先是力學(xué)家的研究貢獻(xiàn)。在萊特兄弟之前，至少應(yīng)當(dāng)提到3位科學(xué)家的力學(xué)研究。

大萊特曾說(shuō)過(guò)：“我們?cè)O(shè)計(jì)的飛機(jī)，完全按照凱利爵士非常精確的計(jì)算方法。”他所提到的這位凱利爵士就是被稱為“航空之父”的英國(guó)人喬治·凱利。

1804年12月，為了對(duì)空氣的阻力與升力進(jìn)行定量研究，喬治·凱利設(shè)計(jì)和制造了一架懸臂機(jī)，用于研究平板的升力和阻力。利用這個(gè)裝置，凱利得到了最早關(guān)于升力和速度方面的數(shù)據(jù)。他在懸臂機(jī)試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了流線型對(duì)減少空氣阻力的重要性。經(jīng)過(guò)精心計(jì)算，凱利給出了一架飛機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)。他認(rèn)為，如果這塊平板能在動(dòng)力作用下高效率運(yùn)動(dòng)，空中飛行就會(huì)實(shí)現(xiàn)。

美國(guó)科學(xué)家蘭利是一位自學(xué)成才的天文學(xué)家，他發(fā)展了測(cè)輻射熱儀，對(duì)太陽(yáng)光譜測(cè)量做出了重要貢獻(xiàn)。蘭利從小便對(duì)鳥的飛翔產(chǎn)生了極大興趣，經(jīng)常連續(xù)數(shù)小時(shí)觀看鳥的飛行。

1887年，蘭利移居華盛頓，出任當(dāng)時(shí)美國(guó)權(quán)威學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)——史密森學(xué)會(huì)秘書。他建造了一座高60英尺的懸臂機(jī)，該機(jī)靠煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，外周速度可達(dá)每小時(shí)70海里。利用這座懸臂機(jī)，蘭利進(jìn)行了大量的空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，研究平板與鳥翼在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力與升力的規(guī)律，由此得到了許多定量數(shù)據(jù)，并且糾正了不少前人的錯(cuò)誤。1891年，蘭利的著作《空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)》出版，該書是最早的比較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)著作，對(duì)后來(lái)的飛機(jī)研究者，包括萊特兄弟影響很大。

除了實(shí)驗(yàn)室研究外，蘭利還動(dòng)手做飛行試驗(yàn)。從1891年開始，他試制了橡筋動(dòng)力模型飛機(jī)，設(shè)計(jì)并制造了輕型蒸汽機(jī)，設(shè)計(jì)了7個(gè)型號(hào)的飛機(jī)模型，并進(jìn)行了兩次不成功的載人飛行試驗(yàn)。后人認(rèn)為，蘭利載人飛行的失敗主要是由于結(jié)構(gòu)上的不合理，假如他的發(fā)射架采用輪式起落架，試飛的結(jié)果很可能完全不同。

美國(guó)人羅杰·勞紐斯說(shuō)：“萊特兄弟教會(huì)了世界飛行;但是，是誰(shuí)教會(huì)了萊特兄弟去飛行的呢？從最廣泛的意義上說(shuō)，是一位出生于法國(guó)、在芝加哥長(zhǎng)大的工程師——恰納特?！?/p>

恰納特是一位鐵路工程師，主持設(shè)計(jì)過(guò)復(fù)雜的鐵路橋梁，并采用新的材料進(jìn)行施工。他對(duì)飛行一直保持濃厚的興趣，其關(guān)于飛行的力學(xué)知識(shí)在19世紀(jì)80年代一直處于前沿。恰納特與萊特兄弟一直保持聯(lián)系并指導(dǎo)他們，恰納特甚至親自去過(guò)萊特兄弟的飛行試驗(yàn)場(chǎng)地。

1886年8月，恰納特在美國(guó)第一次組織召開了關(guān)于航空研究可能性的討論會(huì)，這也是美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì) （AAAS）的第一個(gè)系列會(huì)議。1889年，恰納特在多倫多又召開了AAAS會(huì)議，將航空計(jì)劃作為其中一個(gè)工程問(wèn)題。1893年，恰納特在芝加哥組織召開了一次國(guó)際航空會(huì)議，許多知名的航空愛(ài)好者出席了會(huì)議，其中有史密森學(xué)會(huì)秘書蘭利、發(fā)明家愛(ài)迪生等。1894年，他出版了航空業(yè)的經(jīng)典著作《飛行力學(xué)進(jìn)展》。這本書后來(lái)變成航空業(yè)的一本經(jīng)典著作。

萊特兄弟進(jìn)行了世界上最早的飛行之后，飛機(jī)得到迅速發(fā)展，這期間的每一項(xiàng)改進(jìn)都是力學(xué)研究的突破。人們突破了音障和熱障，后來(lái)又發(fā)明了直升機(jī)。到現(xiàn)在，天空中有各種用途、各種性能的飛機(jī)在飛行，民用航空業(yè)已成為人們遠(yuǎn)距離旅行的主要交通工具。