《人类科学技术史-305》动力机械和交通工具的革命

动力机械和交通工具的革命
1.蒸汽机的改进和火车的发明

18世纪末，瓦特蒸汽机在工业上得到推广。但是因为高气压而引起爆炸的问题未能得到解决，瓦特本人坚持发展低压蒸汽机。这种蒸汽机的功率多在80马力以下，机身又笨重，不适宜做火车。但要提高功率就必须提高蒸汽压力，这样对锅炉、汽缸、活塞的制造技术就提出了更高的要求，在当时这些难题解决起来并不容易，因此初期的高压蒸汽机常发生爆炸事故，人们仍然认为只有瓦特的低压蒸汽机才是安全机。

1800年，崔威席克(1771-1883年）研制使用几个大气压蒸汽工作的蒸汽机。4年后，他研制出一种单缸高压蒸汽机车，车头仅有4个轮子，动力通过齿轮系统传递给车轮。这辆机车拉着5辆4轮货车，装载着10吨铁和70名乘客出现在伦敦街头，机车时速达每小时8公里，虽然总共只行驶了15公里，却引起了轰动。由于当时使用铸铁制造的铁轨太脆，试运行几次之后，便损坏了，人们却以为这是由于崔威席克的火车轮空转造成的结果。

1813年，有个叫兰顿的制造了一辆奇特的蒸汽机车，机车的后面安装了二条象马腿一样的机构，他以为这样就可以防止车轮打滑。同一时期还有人发明了带齿的轨道和车轮，车速达到每小时6公里，牵引着6吨的煤行驶。

法国人马克.塞贵因做出了一项有实用价值的发明，他的多管锅炉使受热面大大提高。哈克沃斯发明了从烟道排出废气的办法，废气在烟道内产生了一种抽风的效应，帮助锅炉中煤的燃烧。他们的发明一直使用至今。

从1814年起，煤矿司炉工乔治.斯蒂文森(1781-1848，英国）开始研制真正的蒸汽机车，到1825年，他共研制了19台火车，顺利地解决了当时运送煤炭的问题。同年9月，他研制出功率较大的机车"运行号"，这台机车可以牵引38节客车，共载着450名乘客在斯托克顿到林顿之间行驶，在当时，这是仅有的一条长21公里的铁路。后来"运行号"的时速提高到每小时24公里。这一成就使斯蒂文森大受鼓舞，他不顾许多人的激烈反对，决定兴建从利物浦到曼彻斯特的铁路，这条铁路共有63座桥梁和2公里长的隧道。1829年，这一工程完成，次年顺利通车。

1829年，斯蒂文森制成了当时最先进的机车"火箭号"。他采用了多管锅炉和利用废气抽风的技术，为了增加废气的抽力，火车的烟囱高达4.5米，蒸汽机的活塞可以直接推动车轮。在雷因普希的比赛中火箭号获得优胜。同年，"火箭号"在利物浦到曼彻斯特的铁路上运行，时速达到每小时29公里，它证明用火车牵引是切实可行的。历史上通常把这一年作为蒸汽机车的诞生日期。蒸汽机车和铁路运输对英国的经济发展做出了巨大贡献，并为其它各国所仿效。

1860年，英国的伦敦地下铁路工程开工，3年后完成了长6公里的地段，由于使用蒸汽机车牵引，隧道内常常是烟尘滚滚，但是它为人们带来便利，仍受着市民的欢迎。1872年，纽约建成了第一条高架铁路。

2.内燃机与汽车的发明

蒸汽机在19世纪暴露出固有的缺点：其一是效率低，当时仅达到5-8％；其二是体积过于笨重，巨大的蒸汽锅炉占据了大量空间，因而限制了它应用的范围；其三是烧煤带来了污染，当时的工矿区无不浓烟滚滚，烟囱林立；其四是运行事故多，不安全，例如在1862到1879的17年里，蒸汽机的爆炸事故多达1万起，造成成千上万工人死亡。

18世纪末，法国工程师蓝蓬和英国的斯垂特开创了内燃机的研究，前者以煤气做燃料，后者则使用松节油，但都没成功。

1820年，英国人塞歇尔发明了一种煤气机，在实验室内仅运行了60分钟。

1833年，英国莱特提出了使用煤气——空气的混合物做燃料，将这种燃料在气缸中点燃，推动活塞作功。5年后，他的同胞巴内尔特为这种发动机发明了点火装置，并让煤气先经过压缩再点燃爆发，因而发明了煤气压缩式内燃机。

1854年，意大利的巴尔桑蒂和马泰乌奇制成"自由活塞式"内燃机，其传动系统采用齿轮——齿条机构，但运行并不理想。经过半个世纪的努力；内燃机的部件得到不断改进，有的发明如1855年提出的可自动膨胀的活塞环，大大改善了气缸的密封性能，并沿用至今。

1860年，技术工人雷诺(1822-1900年，法国）汲取了以往内燃机的成果，终于制成了第一台实用的内燃机。他的发明与一台单缸卧式蒸汽机几乎一样，仅仅以煤气代替蒸汽，用电火花将煤气点燃。这台发动机的功率只有1-2马力，效率也只达到4％，但毕竟可以实用了。雷诺的发明本质上是一台二冲程、无压缩、电点火的煤气机。优点是运转平稳、造价便宜、结实耐用，吸引了不少客户，也吸引了许多优秀工程师和教授来访问他，人们开始认真考虑用内燃机取代蒸汽机的可能性。

1862年，法国工程师罗沙对内燃机作了较深入的理论研究，他认为必须尽可能提高燃气的初始压力，并使气体尽快膨胀至极限，才有可能提高内燃机的效率。在这一理论基础上他首先提出了四冲程循环原理，成为后来各种内燃机的理论基础。

还在1860年，一位德国商人奥古斯特.奥托(1832-1891年，德国）在获知雷诺的发明后也开始研制内燃机。他一开始就遇到如何控制煤气爆发的冲击力问题，后来他采用了真空原理来解决这一难题。1876年，他研制成功第一台单缸、4冲程煤气机，功率不足4马力，整台机件小巧紧凑，工作平稳，热效率提高到12-14％。

奥托的四冲程内燃机具有很灵活的特性，它不仅外形可随意改变，而且多缸可共用同一根轴作功，在燃料方面也不仅局限于煤气。因此，许多国家都开始生产这种发动机，到19世纪末，全世界已拥有20万台这种发动机。到90年代，输出功率已发展到200马力，热效率超过了20％。

煤气作为内燃机的燃料，存在难贮运、难于控制的弱点，所以很早人们就开始寻找液体燃料以替代煤气。19世纪60年代，开始工业开采石油，最初人们只会利用从石油中提炼出的煤油点灯，而把象汽油这类轻质油处理掉。

1873年，奥地利人霍克首先发明了一种雾化器，能将煤油与压缩空气通过喷嘴实现雾化混合，然后送入汽缸。同年，美国的布雷顿，发明了一种双缸双动煤油机。

1875年，奥托-兰根发动机公司的技师迈巴赫在一台奥托发动机上用汽油作燃料试验。到80年代中期，他和戴姆勒发明了第一台汽油发动机，这台发动机附有一个戴姆勒发明的表面汽化器，他们没有采用火花塞装置，而是设计了一种白金管的明火点火装置。靠这一装置，发动机的转速达到每分钟600-900转。

1885年，德国杰出的工程师本茨(1844-1929年，德国）研制成一台卧式4冲程汽油机。他也采用了表面汽化器，并利用废气的热量使汽油汽化。

本茨采用了较先进的电火花塞技术，他让感应线圈和蓄电池组成高压系统，实现了发动机汽缸内的高电压火花放电，这种技术既安全又不易调整。

在火车出现后，人们开始努力研制出一种真正取代马车的轻便机动车。最早的汽车是使用蒸汽机的车辆，1829年，英国的詹姆斯用蒸汽机制做了一辆不需要铁轨的车辆，这种车一路上发出隆隆的声响，用浓烟污染着环境，而且在后来的使用中事故不断发生。即使是这样，伦敦还在1883年开办了公共交通公司，拥有10辆蒸汽汽车为市民服务。

内燃机出现后，人们自然想到利用这种轻便的发动机来驱动车辆。1826英国人塞缪尔.布朗曾建造过一台4马力的煤气机，用它驱动过一辆车。1845年，英国人汤姆逊发明了充汽轮胎，安装在蒸汽汽车上，使噪声大大降低，也改善了汽车的行驶状态。60年代中期，奥地利的马库斯第一次把一台汽油机安装在一辆手推车上，有人认为这是第一台真正的汽车。

1885年，本茨研制出一种三轮汽车。这种车使用单缸汽油机驱动，通过一根皮带带动车轮转动，调节皮带的松紧可以起到离合器和变速器的作用。

汽车的转向是通过齿轮、齿条机构控制前轮的方向来实现的。这种三轮汽车经过不断改进于1888年开始进入市场，很快便受到使用者的欢迎，90年代开始成批生产。