百科：力學(xué)改變?nèi)祟惿畹娜棸l(fā)明

17世紀科學(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項最為重要的發(fā)明，它們對人類生活產(chǎn)生了巨大的影響。
　　其實，這3項重要發(fā)明所根據(jù)的力學(xué)原理十分簡單：一個單擺、一個離心調(diào)速器、一個具有攻角運動的平板的升力。然而，從這3個貌似十分簡單的力學(xué)模型開始，到根據(jù)其原理進行發(fā)明創(chuàng)造，再經(jīng)過不斷改進，進入并改變?nèi)祟惿睿?jīng)過無數(shù)科學(xué)家的艱苦努力，甚至要經(jīng)過幾代人前赴后繼地奮斗，才能成為現(xiàn)實。人類文明的歷史就是這樣不斷發(fā)展著。
　　擺鐘 開辟計時與大航海時代
　　關(guān)于擺鐘的發(fā)明，可以追溯到伽利略對擺的等時性的研究。伽利略是研究擺的運動的第一人。他在17歲時，就對擺的振動產(chǎn)生了興趣。經(jīng)過反復(fù)實驗，他得到了擺的小擺動周期與擺長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)。這標志著一個新時代的開始。
　　1641年，伽利略建議利用擺的等時性制造鐘。遺憾的是，他未能完成此項工作便逝世了。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。他是一位因為發(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)地研究了圓周運動，引進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性并給出了其周期與擺長和重力加速度關(guān)系的公式。隨后，惠更斯又發(fā)現(xiàn)，在大幅度擺動時，單擺的周期不再是常數(shù)，并給出了在大幅度擺動時也有等周期的擺線理論。
　　擺鐘的發(fā)明對鐘表精度的改進是非常了不起的。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動的精確計時裝置。
　　英國力學(xué)家胡克于1676年發(fā)表了對于彈簧的研究結(jié)果，后人稱之為“胡克定律”，即彈簧的伸長與外力成正比關(guān)系。后來，擺鐘上出現(xiàn)了兩項改進：一項是彈簧發(fā)條貯能器的改進，另一項是彈簧（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。有了這兩項改進，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，英國海軍艦隊發(fā)生了一次慘禍，共有3艘船只失事，超過2000人死亡。事故原因是艦隊定位出了差錯。1714年，英國國會懸賞2萬英鎊尋求在海中精確測定經(jīng)度的方法：誰要是能在到達西印度的6周航行中，誤差不大于30英里，便能得到這筆獎金。事實上，當(dāng)時天文觀測儀已可以使人們經(jīng)由觀測星體十分精確地了解船舶所在地的緯度。但對于所在地的經(jīng)度，由于星體在天上隨時間不停運動，要想準確測定經(jīng)度，必須制造一架高精度的便攜式時鐘。這種鐘就是天文鐘。
　　最終，鐘表匠哈里森改進的時鐘在從倫敦到牙買加的9周航海旅程中，誤差僅為5秒。他獲得了國會的這項懸賞。
　　18世紀時，鐘表進入大眾消費市場，鐘表的種類也越來越多，有了從教堂、航海、家庭擺設(shè)到個人佩戴等各式各樣的鐘表。之后，鐘表做得越來越精巧，可以戴在手腕上的腕表也出現(xiàn)了。
　　迄今的200多年間，鐘表用于測量聲速、光速、各種振動頻率、周期等各種物理量，還被應(yīng)用于體育運動的準確測時。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)展無不得益于鐘表的幫助。
　　可以說，鐘表的發(fā)展和改進揭開了人類社會現(xiàn)代技術(shù)的序幕。出于隨時隨地準確定時的需求，人們需要制造大量鐘表，有大量細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，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。蒸汽機的發(fā)明者英國人瓦特、紡織機的發(fā)明者英國人阿克賴特、以蒸汽機為動力的輪船的發(fā)明者美國人富爾頓等，他們青少年時代都曾經(jīng)當(dāng)過修表學(xué)徒或制作工匠。
　　有一種流行的觀點是很有道理的，即認為歐洲近代科學(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·芬奇、伽利略、惠更斯與牛頓的動力學(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時裝置所取代，但對于電子表中的震蕩器的認知，還是起源于對單擺知識的拓寬，可以說，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 讓蒸汽機走向世界
　　調(diào)速器看似簡單，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。這種泵有兩個明顯的缺點：一是在地下水位較低，比如低于水泵10米時就抽不上水;二是由于突然進入容器的蒸汽壓力過高，易于爆炸。
　　1712年，英國人托馬斯·紐可曼發(fā)明了大氣壓蒸汽機。這種機器具有汽缸與活塞，可以自動工作，使礦井抽水的便捷性大大提高，所以大氣壓蒸汽機不僅英國人使用，德國人與法國人也在使用。
　　但英國人瓦特經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，紐可曼的蒸汽機由于在用水冷卻汽缸時，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，這個容器后來被稱為冷凝器。經(jīng)過反復(fù)試驗與改進，裝有冷凝器的蒸汽機在1769年制造完成。改進后的蒸汽機效率大大提高，但仍存在問題——速度不能得到很好的控制。燒煤多時，蒸汽多，機器就轉(zhuǎn)得快;燒煤少時，就轉(zhuǎn)得慢。這種不能均衡轉(zhuǎn)動的蒸汽機是無法派上大用場的。
　　1782年前后，瓦特在蒸汽機上安裝了離心調(diào)速器。這種調(diào)速器的構(gòu)造是利用蒸汽機帶動一根豎直的軸轉(zhuǎn)動，這根軸的頂端有兩根鉸接的等長細桿，兩根細桿另一端各有一個金屬球。當(dāng)蒸汽機轉(zhuǎn)動過快時，豎軸也加快轉(zhuǎn)動，兩個金屬小球在離心力作用下，由于轉(zhuǎn)動加快而升高，這時與小球連接的連桿便將蒸汽閥門關(guān)小，從而使得蒸汽機的轉(zhuǎn)速同時降低。反之，若蒸汽機的轉(zhuǎn)速過慢，則豎軸轉(zhuǎn)動緩慢，小球的位置便會下降，這時連桿便將閥門開大，從而使蒸汽機轉(zhuǎn)速加快。
　　離心調(diào)速器是一個基于力學(xué)原理的發(fā)明，是蒸汽機所以能普及應(yīng)用的關(guān)鍵，也是人類自動調(diào)節(jié)與自動控制機械的開始。由于人們能夠自主控制蒸汽機的運轉(zhuǎn)速度，才使蒸汽機廣泛應(yīng)用于紡織、火車、輪船、機械加工等行業(yè)，使得人類大量使用自然原動力成為可能，最終才有了產(chǎn)業(yè)革命的第二階段。
　　瓦特所改進的蒸汽機很快便在生產(chǎn)中得到迅速普及。到1790年，老式的紐可曼蒸汽機在市場上已經(jīng)看不見了;與此同時，大約有500臺蒸汽機在英國工作。經(jīng)過大約不到100年，到了1868年，僅在英國就有7.5萬臺蒸汽機投入生產(chǎn)中。1800年，英國的特里維希克發(fā)明了高壓蒸汽機。1801年，美國人埃文思造出了真正合用的高壓蒸汽機。1805年，蒸汽機作為驅(qū)動力在美國被裝上了汽車。1807年，美國的富爾頓發(fā)明以蒸汽機為動力的輪船。1825年，斯蒂文森造出可以在軌道上行駛的蒸汽機車。
　　調(diào)速器使用后，初期運行很正常;但當(dāng)蒸汽機的速度提高后，調(diào)速器不能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，會出現(xiàn)時快時慢的現(xiàn)象。最早研究調(diào)速器穩(wěn)定性問題的是英國物理學(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)速器的運動狀態(tài)用微分方程來描述，他導(dǎo)出了調(diào)節(jié)器的微分方程，并在平衡點附近進行線性化處理，指出穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負的實部;麥克斯韋還給出了系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件。
　　到了1872年，俄國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年在法國科學(xué)院報上發(fā)表。
　　后來，英國的儒斯和俄國的李亞普諾夫分別在1877年和1892年發(fā)表對于運動系統(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)定性問題。
　　調(diào)速器是一項技術(shù)發(fā)明，由于它的出現(xiàn)和發(fā)展，蒸汽機開始被普遍使用，才有了后來的產(chǎn)業(yè)革命。工業(yè)控制論的研究也可以說是從調(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，對于了解蒸汽機的歷史，對于理解控制論的歷史，對于了解運動穩(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
　　1903年12月17日，萊特兄弟第一次實現(xiàn)了人類飛行的夢想。其實，人類對飛行的向往和探索源遠流長，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。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。
　　大萊特曾說過：“我們設(shè)計的飛機，完全按照凱利爵士非常精確的計算方法?！彼岬降倪@位凱利爵士就是被稱為“航空之父”的英國人喬治·凱利。
　　1804年12月，為了對空氣的阻力與升力進行定量研究，喬治·凱利設(shè)計和制造了一架懸臂機，用于研究平板的升力和阻力。利用這個裝置，凱利得到了最早關(guān)于升力和速度方面的數(shù)據(jù)。他在懸臂機試驗中還發(fā)現(xiàn)了流線型對減少空氣阻力的重要性。經(jīng)過精心計算，凱利給出了一架飛機的設(shè)計參數(shù)。他認為，如果這塊平板能在動力作用下高效率運動，空中飛行就會實現(xiàn)。
　　美國科學(xué)家蘭利是一位自學(xué)成才的天文學(xué)家，他發(fā)展了測輻射熱儀，對太陽光譜測量做出了重要貢獻。蘭利從小便對鳥的飛翔產(chǎn)生了極大興趣，經(jīng)常連續(xù)數(shù)小時觀看鳥的飛行。
　　1887年，蘭利移居華盛頓，出任當(dāng)時美國權(quán)威學(xué)術(shù)機構(gòu)——史密森學(xué)會秘書。他建造了一座高60英尺的懸臂機，該機靠煤氣發(fā)動機驅(qū)動，外周速度可達每小時70海里。利用這座懸臂機，蘭利進行了大量的空氣動力實驗，研究平板與鳥翼在空氣中運動時的阻力與升力的規(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誤。1891年，蘭利的著作《空氣動力學(xué)實驗》出版，該書是最早的比較系統(tǒng)的實驗空氣動力學(xué)著作，對后來的飛機研究者，包括萊特兄弟影響很大。
　　除了實驗室研究外，蘭利還動手做飛行試驗。從1891年開始，他試制了橡筋動力模型飛機，設(shè)計并制造了輕型蒸汽機，設(shè)計了7個型號的飛機模型，并進行了兩次不成功的載人飛行試驗。后人認為，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。
　　美國人羅杰·勞紐斯說：“萊特兄弟教會了世界飛行;但是，是誰教會了萊特兄弟去飛行的呢？從最廣泛的意義上說，是一位出生于法國、在芝加哥長大的工程師——恰納特。”
　　恰納特是一位鐵路工程師，主持設(shè)計過復(fù)雜的鐵路橋梁，并采用新的材料進行施工。他對飛行一直保持濃厚的興趣，其關(guān)于飛行的力學(xué)知識在19世紀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萊特兄弟的飛行試驗場地。
　　1886年8月，恰納特在美國第一次組織召開了關(guān)于航空研究可能性的討論會，這也是美國科學(xué)促進協(xié)會 （AAAS）的第一個系列會議。1889年，恰納特在多倫多又召開了AAAS會議，將航空計劃作為其中一個工程問題。1893年，恰納特在芝加哥組織召開了一次國際航空會議，許多知名的航空愛好者出席了會議，其中有史密森學(xué)會秘書蘭利、發(fā)明家愛迪生等。1894年，他出版了航空業(yè)的經(jīng)典著作《飛行力學(xué)進展》。這本書后來變成航空業(yè)的一本經(jīng)典著作。
　　萊特兄弟進行了世界上最早的飛行之后，飛機得到迅速發(fā)展，這期間的每一項改進都是力學(xué)研究的突破。人們突破了音障和熱障，后來又發(fā)明了直升機。到現(xiàn)在，天空中有各種用途、各種性能的飛機在飛行，民用航空業(yè)已成為人們遠距離旅行的主要交通工具。