《人類科學(xué)技術(shù)史-305》動力機(jī)械和交通工具的革命

動力機(jī)械和交通工具的革命
1.蒸汽機(jī)的改進(jìn)和火車的發(fā)明

18世紀(jì)末，瓦特蒸汽機(jī)在工業(yè)上得到推廣。但是因為高氣壓而引起爆炸的問題未能得到解決，瓦特本人堅持發(fā)展低壓蒸汽機(jī)。這種蒸汽機(jī)的功率多在80馬力以下，機(jī)身又笨重，不適宜做火車。但要提高功率就必須提高蒸汽壓力，這樣對鍋爐、汽缸、活塞的制造技術(shù)就提出了更高的要求，在當(dāng)時這些難題解決起來并不容易，因此初期的高壓蒸汽機(jī)常發(fā)生爆炸事故，人們?nèi)匀徽J(rèn)為只有瓦特的低壓蒸汽機(jī)才是安全機(jī)。

1800年，崔威席克(1771-1883年）研制使用幾個大氣壓蒸汽工作的蒸汽機(jī)。4年后，他研制出一種單缸高壓蒸汽機(jī)車，車頭僅有4個輪子，動力通過齒輪系統(tǒng)傳遞給車輪。這輛機(jī)車?yán)?輛4輪貨車，裝載著10噸鐵和70名乘客出現(xiàn)在倫敦街頭，機(jī)車時速達(dá)每小時8公里，雖然總共只行駛了15公里，卻引起了轟動。由于當(dāng)時使用鑄鐵制造的鐵軌太脆，試運行幾次之后，便損壞了，人們卻以為這是由于崔威席克的火車輪空轉(zhuǎn)造成的結(jié)果。

1813年，有個叫蘭頓的制造了一輛奇特的蒸汽機(jī)車，機(jī)車的后面安裝了二條象馬腿一樣的機(jī)構(gòu)，他以為這樣就可以防止車輪打滑。同一時期還有人發(fā)明了帶齒的軌道和車輪，車速達(dá)到每小時6公里，牽引著6噸的煤行駛。

法國人馬克.塞貴因做出了一項有實用價值的發(fā)明，他的多管鍋爐使受熱面大大提高。哈克沃斯發(fā)明了從煙道排出廢氣的辦法，廢氣在煙道內(nèi)產(chǎn)生了一種抽風(fēng)的效應(yīng)，幫助鍋爐中煤的燃燒。他們的發(fā)明一直使用至今。

從1814年起，煤礦司爐工喬治.斯蒂文森(1781-1848，英國）開始研制真正的蒸汽機(jī)車，到1825年，他共研制了19臺火車，順利地解決了當(dāng)時運送煤炭的問題。同年9月，他研制出功率較大的機(jī)車"運行號"，這臺機(jī)車可以牽引38節(jié)客車，共載著450名乘客在斯托克頓到林頓之間行駛，在當(dāng)時，這是僅有的一條長21公里的鐵路。后來"運行號"的時速提高到每小時24公里。這一成就使斯蒂文森大受鼓舞，他不顧許多人的激烈反對，決定興建從利物浦到曼徹斯特的鐵路，這條鐵路共有63座橋梁和2公里長的隧道。1829年，這一工程完成，次年順利通車。

1829年，斯蒂文森制成了當(dāng)時最先進(jìn)的機(jī)車"火箭號"。他采用了多管鍋爐和利用廢氣抽風(fēng)的技術(shù)，為了增加廢氣的抽力，火車的煙囪高達(dá)4.5米，蒸汽機(jī)的活塞可以直接推動車輪。在雷因普希的比賽中火箭號獲得優(yōu)勝。同年，"火箭號"在利物浦到曼徹斯特的鐵路上運行，時速達(dá)到每小時29公里，它證明用火車牽引是切實可行的。歷史上通常把這一年作為蒸汽機(jī)車的誕生日期。蒸汽機(jī)車和鐵路運輸對英國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，并為其它各國所仿效。

1860年，英國的倫敦地下鐵路工程開工，3年后完成了長6公里的地段，由于使用蒸汽機(jī)車牽引，隧道內(nèi)常常是煙塵滾滾，但是它為人們帶來便利，仍受著市民的歡迎。1872年，紐約建成了第一條高架鐵路。

2.內(nèi)燃機(jī)與汽車的發(fā)明

蒸汽機(jī)在19世紀(jì)暴露出固有的缺點：其一是效率低，當(dāng)時僅達(dá)到5-8％；其二是體積過于笨重，巨大的蒸汽鍋爐占據(jù)了大量空間，因而限制了它應(yīng)用的范圍；其三是燒煤帶來了污染，當(dāng)時的工礦區(qū)無不濃煙滾滾，煙囪林立；其四是運行事故多，不安全，例如在1862到1879的17年里，蒸汽機(jī)的爆炸事故多達(dá)1萬起，造成成千上萬工人死亡。

18世紀(jì)末，法國工程師藍(lán)蓬和英國的斯垂特開創(chuàng)了內(nèi)燃機(jī)的研究，前者以煤氣做燃料，后者則使用松節(jié)油，但都沒成功。

1820年，英國人塞歇爾發(fā)明了一種煤氣機(jī)，在實驗室內(nèi)僅運行了60分鐘。

1833年，英國萊特提出了使用煤氣——空氣的混合物做燃料，將這種燃料在氣缸中點燃，推動活塞作功。5年后，他的同胞巴內(nèi)爾特為這種發(fā)動機(jī)發(fā)明了點火裝置，并讓煤氣先經(jīng)過壓縮再點燃爆發(fā)，因而發(fā)明了煤氣壓縮式內(nèi)燃機(jī)。

1854年，意大利的巴爾桑蒂和馬泰烏奇制成"自由活塞式"內(nèi)燃機(jī)，其傳動系統(tǒng)采用齒輪——齒條機(jī)構(gòu)，但運行并不理想。經(jīng)過半個世紀(jì)的努力；內(nèi)燃機(jī)的部件得到不斷改進(jìn)，有的發(fā)明如1855年提出的可自動膨脹的活塞環(huán)，大大改善了氣缸的密封性能，并沿用至今。

1860年，技術(shù)工人雷諾(1822-1900年，法國）汲取了以往內(nèi)燃機(jī)的成果，終于制成了第一臺實用的內(nèi)燃機(jī)。他的發(fā)明與一臺單缸臥式蒸汽機(jī)幾乎一樣，僅僅以煤氣代替蒸汽，用電火花將煤氣點燃。這臺發(fā)動機(jī)的功率只有1-2馬力，效率也只達(dá)到4％，但畢竟可以實用了。雷諾的發(fā)明本質(zhì)上是一臺二沖程、無壓縮、電點火的煤氣機(jī)。優(yōu)點是運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、造價便宜、結(jié)實耐用，吸引了不少客戶，也吸引了許多優(yōu)秀工程師和教授來訪問他，人們開始認(rèn)真考慮用內(nèi)燃機(jī)取代蒸汽機(jī)的可能性。

1862年，法國工程師羅沙對內(nèi)燃機(jī)作了較深入的理論研究，他認(rèn)為必須盡可能提高燃?xì)獾某跏級毫Γ⑹箽怏w盡快膨脹至極限，才有可能提高內(nèi)燃機(jī)的效率。在這一理論基礎(chǔ)上他首先提出了四沖程循環(huán)原理，成為后來各種內(nèi)燃機(jī)的理論基礎(chǔ)。

還在1860年，一位德國商人奧古斯特.奧托(1832-1891年，德國）在獲知雷諾的發(fā)明后也開始研制內(nèi)燃機(jī)。他一開始就遇到如何控制煤氣爆發(fā)的沖擊力問題，后來他采用了真空原理來解決這一難題。1876年，他研制成功第一臺單缸、4沖程煤氣機(jī)，功率不足4馬力，整臺機(jī)件小巧緊湊，工作平穩(wěn)，熱效率提高到12-14％。

奧托的四沖程內(nèi)燃機(jī)具有很靈活的特性，它不僅外形可隨意改變，而且多缸可共用同一根軸作功，在燃料方面也不僅局限于煤氣。因此，許多國家都開始生產(chǎn)這種發(fā)動機(jī)，到19世紀(jì)末，全世界已擁有20萬臺這種發(fā)動機(jī)。到90年代，輸出功率已發(fā)展到200馬力，熱效率超過了20％。

煤氣作為內(nèi)燃機(jī)的燃料，存在難貯運、難于控制的弱點，所以很早人們就開始尋找液體燃料以替代煤氣。19世紀(jì)60年代，開始工業(yè)開采石油，最初人們只會利用從石油中提煉出的煤油點燈，而把象汽油這類輕質(zhì)油處理掉。

1873年，奧地利人霍克首先發(fā)明了一種霧化器，能將煤油與壓縮空氣通過噴嘴實現(xiàn)霧化混合，然后送入汽缸。同年，美國的布雷頓，發(fā)明了一種雙缸雙動煤油機(jī)。

1875年，奧托-蘭根發(fā)動機(jī)公司的技師邁巴赫在一臺奧托發(fā)動機(jī)上用汽油作燃料試驗。到80年代中期，他和戴姆勒發(fā)明了第一臺汽油發(fā)動機(jī)，這臺發(fā)動機(jī)附有一個戴姆勒發(fā)明的表面汽化器，他們沒有采用火花塞裝置，而是設(shè)計了一種白金管的明火點火裝置。靠這一裝置，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘600-900轉(zhuǎn)。

1885年，德國杰出的工程師本茨(1844-1929年，德國）研制成一臺臥式4沖程汽油機(jī)。他也采用了表面汽化器，并利用廢氣的熱量使汽油汽化。

本茨采用了較先進(jìn)的電火花塞技術(shù)，他讓感應(yīng)線圈和蓄電池組成高壓系統(tǒng)，實現(xiàn)了發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)的高電壓火花放電，這種技術(shù)既安全又不易調(diào)整。

在火車出現(xiàn)后，人們開始努力研制出一種真正取代馬車的輕便機(jī)動車。最早的汽車是使用蒸汽機(jī)的車輛，1829年，英國的詹姆斯用蒸汽機(jī)制做了一輛不需要鐵軌的車輛，這種車一路上發(fā)出隆隆的聲響，用濃煙污染著環(huán)境，而且在后來的使用中事故不斷發(fā)生。即使是這樣，倫敦還在1883年開辦了公共交通公司，擁有10輛蒸汽汽車為市民服務(wù)。

內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn)后，人們自然想到利用這種輕便的發(fā)動機(jī)來驅(qū)動車輛。1826英國人塞繆爾.布朗曾建造過一臺4馬力的煤氣機(jī)，用它驅(qū)動過一輛車。1845年，英國人湯姆遜發(fā)明了充汽輪胎，安裝在蒸汽汽車上，使噪聲大大降低，也改善了汽車的行駛狀態(tài)。60年代中期，奧地利的馬庫斯第一次把一臺汽油機(jī)安裝在一輛手推車上，有人認(rèn)為這是第一臺真正的汽車。

1885年，本茨研制出一種三輪汽車。這種車使用單缸汽油機(jī)驅(qū)動，通過一根皮帶帶動車輪轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)皮帶的松緊可以起到離合器和變速器的作用。

汽車的轉(zhuǎn)向是通過齒輪、齒條機(jī)構(gòu)控制前輪的方向來實現(xiàn)的。這種三輪汽車經(jīng)過不斷改進(jìn)于1888年開始進(jìn)入市場，很快便受到使用者的歡迎，90年代開始成批生產(chǎn)。