力学改变人类生活的三项发明

武际可

17世纪科学革命之后，在力学学科引领之下的发明数不胜数，其中，摆钟、调速器和航空是3项最为重要的发明，它们对人类生活产生了巨大的影响。

其实，这3项重要发明所根据的力学原理十分简单：一个单摆、一个离心调速器、一个具有攻角运动的平板的升力。然而，从这3个貌似十分简单的力学模型开始，到根据其原理进行发明创造，再经过不断改进，进入并改变人类生活，要经过无数科学家的艰苦努力，甚至要经过几代人前赴后继地奋斗，才能成为现实。人类文明的历史就是这样不断发展着。

摆钟 开辟计时与大航海时代

关于摆钟的发明，可以追溯到伽利略对摆的等时性的研究。伽利略是研究摆的运动的第一人。他在17岁时，就对摆的振动产生了兴趣。经过反复实验，他得到了摆的小摆动周期与摆长的平方根成正比的结论，从而在理论上为钟表的核心装置——摆奠定了理论基础。这标志着一个新时代的开始。

1641年，伽利略建议利用摆的等时性制造钟。遗憾的是，他未能完成此项工作便逝世了。于是，制造摆钟的任务历史性地由荷兰学者惠更斯担当了。

1657年，27岁的年轻学者惠更斯完成了摆钟的设计。他是一位因为发现土星光环而知名的年轻学者。同年，荷兰的钟表匠制成了世界上首架摆钟。次年，惠更斯出版了专著《摆钟》。在这本书中，惠更斯不仅详细描述了摆钟的构成，而且发表了一系列关于单摆与动力学的重要研究结果。例如，惠更斯系统地研究了圆周运动，引进了向心力和向心加速度的概念。他在理论上论证了单摆的等时性并给出了其周期与摆长和重力加速度关系的公式。随后，惠更斯又发现，在大幅度摆动时，单摆的周期不再是常数，并给出了在大幅度摆动时也有等周期的摆线理论。

摆钟的发明对钟表精度的改进是非常了不起的。在此之前，最好的钟一昼夜误差大约有15分钟，而当时最好的摆钟可以调整到一昼夜误差不大于10秒。有了摆钟，人类才有了研究地球上物体运动的精确计时装置。

英国力学家胡克于1676年发表了对于弹簧的研究结果，后人称之为“胡克定律”，即弹簧的伸长与外力成正比关系。后来，摆钟上出现了两项改进：一项是弹簧发条贮能器的改进，另一项是弹簧（或游丝）摆轮的发明。1674年，惠更斯制成基于弹簧摆轮的钟表。有了这两项改进，钟表可以适应更为恶劣的工作环境，也可以制造得更为轻巧，例如，能够在颠簸环境下工作的钟、可以随身携带的怀表以及手表的出现。

1707年，英国海军舰队发生了一次惨祸，共有3艘船只失事，超过2000人死亡。事故原因是舰队定位出了差错。1714年，英国国会悬赏2万英镑寻求在海中精确测定经度的方法：谁要是能在到达西印度的6周航行中，误差不大于30英里，便能得到这笔奖金。事实上，当时天文观测仪已可以使人们经由观测星体十分精确地了解船舶所在地的纬度。但对于所在地的经度，由于星体在天上随时间不停运动，要想准确测定经度，必须制造一架高精度的便携式时钟。这种钟就是天文钟。

最终，钟表匠哈里森改进的时钟在从伦敦到牙买加的9周航海旅程中，误差仅为5秒。他获得了国会的这项悬赏。

18世纪时，钟表进入大众消费市场，钟表的种类也越来越多，有了从教堂、航海、家庭摆设到个人佩戴等各式各样的钟表。之后，钟表做得越来越精巧，可以戴在手腕上的腕表也出现了。

迄今的200多年间，钟表用于测量声速、光速、各种振动频率、周期等各种物理量，还被应用于体育运动的准确测时。此外，钟表还广泛地用于航海、航空业。各学科和各技术的发展无不得益于钟表的帮助。

可以说，钟表的发展和改进揭开了人类社会现代技术的序幕。出于随时随地准确定时的需求，人们需要制造大量钟表，有大量细小的钟表零配件需要加工和制造，于是便产生了现代车床和现代金属加工技术。

与此同时，钟表的发展又为西方现代技术的发展培育了人才。蒸汽机的发明者英国人瓦特、纺织机的发明者英国人阿克赖特、以蒸汽机为动力的轮船的发明者美国人富尔顿等，他们青少年时代都曾经当过修表学徒或制作工匠。

有一种流行的观点是很有道理的，即认为欧洲近代科学技术的起源是古希腊的思辨传统与欧洲手工业传统相结合的产物。前者以达·芬奇、伽利略、惠更斯与牛顿的动力学发展为代表，后者便是以钟表工业的发展所培养起的一代新技术人才为基础。

如今，尽管摆钟大多已被电子表等电子计时装置所取代，但对于电子表中的震荡器的认知，还是起源于对单摆知识的拓宽，可以说，它保留、继承和拓宽了关于摆钟的理论和技术。

调速器 让蒸汽机走向世界

调速器看似简单，但在近代控制技术和控制理论的发展上起到了开天辟地的作用。

1698年，英国人托马斯·塞维利发明了利用蒸汽压力的抽水泵——“矿山之友”。它的工作过程是：在容器中通入蒸汽，使蒸汽在容器中凝结，利用蒸汽凝结后形成的真空把矿井中的水抽上来。这种泵有两个明显的缺点：一是在地下水位较低，比如低于水泵10米时就抽不上水;二是由于突然进入容器的蒸汽压力过高，易于爆炸。

1712年，英国人托马斯·纽可曼发明了大气压蒸汽机。这种机器具有汽缸与活塞，可以自动工作，使矿井抽水的便捷性大大提高，所以大气压蒸汽机不仅英国人使用，德国人与法国人也在使用。

但英国人瓦特经过研究发现，纽可曼的蒸汽机由于在用水冷却汽缸时，汽缸的温度降低，为加热汽缸就要消耗更多的蒸汽，因而效率偏低。为此，1765年5月，瓦特提出使蒸汽从汽缸排入另一容器的想法，这个容器后来被称为冷凝器。经过反复试验与改进，装有冷凝器的蒸汽机在1769年制造完成。

改进后的蒸汽机效率大大提高，但仍存在问题——速度不能得到很好的控制。烧煤多时，蒸汽多，机器就转得快;烧煤少时，就转得慢。这种不能均衡转动的蒸汽机是无法派上大用场的。

1782年前后，瓦特在蒸汽机上安装了离心调速器。这种调速器的构造是利用蒸汽机带动一根竖直的轴转动，这根轴的顶端有两根铰接的等长细杆，两根细杆另一端各有一个金属球。当蒸汽机转动过快时，竖轴也加快转动，两个金属小球在离心力作用下，由于转动加快而升高，这时与小球连接的连杆便将蒸汽阀门关小，从而使得蒸汽机的转速同时降低。反之，若蒸汽机的转速过慢，则竖轴转动缓慢，小球的位置便会下降，这时连杆便将阀门开大，从而使蒸汽机转速加快。

离心调速器是一个基于力学原理的发明，是蒸汽机所以能普及应用的关键，也是人类自动调节与自动控制机械的开始。由于人们能够自主控制蒸汽机的运转速度，才使蒸汽机广泛应用于纺织、火车、轮船、机械加工等行业，使得人类大量使用自然原动力成为可能，最终才有了产业革命的第二阶段。

瓦特所改进的蒸汽机很快便在生产中得到迅速普及。到1790年，老式的纽可曼蒸汽机在市场上已经看不见了;与此同时，大约有500台蒸汽机在英国工作。经过大约不到100年，到了1868年，仅在英国就有7.5万台蒸汽机投入生产中。1800年，英国的特里维希克发明了高压蒸汽机。1801年，美国人埃文思造出了真正合用的高压蒸汽机。1805年，蒸汽机作为驱动力在美国被装上了汽车。1807年，美国的富尔顿发明以蒸汽机为动力的轮船。1825年，斯蒂文森造出可以在轨道上行驶的蒸汽机车。

调速器使用后，初期运行很正常;但当蒸汽机的速度提高后，调速器不能稳定运转，会出现时快时慢的现象。最早研究调速器稳定性问题的是英国物理学家麦克斯韦。1868年，麦克斯韦发表《论调节器》，最早把调速器的运动状态用微分方程来描述，他导出了调节器的微分方程，并在平衡点附近进行线性化处理，指出稳定性取决于特征方程的根是否具有负的实部;麦克斯韦还给出了系统稳定运行的条件。

到了1872年，俄国的维斯聂格拉斯基写出了《论调整器的一般原理》一文，并于1876年在法国科学院报上发表。

后来，英国的儒斯和俄国的李亚普诺夫分别在1877年和1892年发表对于运动系统普遍稳定性的理论研究论文，才最终从理论上完整而全面地解决了力学系统的稳定性问题。

调速器是一项技术发明，由于它的出现和发展，蒸汽机开始被普遍使用，才有了后来的产业革命。工业控制论的研究也可以说是从调速器的研究起步的，并且由研究调速器的稳定性开始，才使得人们开始深入研究力学系统的稳定性。因此，了解调速器的历史，对于了解蒸汽机的历史，对于理解控制论的历史，对于了解运动稳定性研究的历史都是十分重要的。

飞行力学 让人类圆了飞天梦

1903年12月17日，莱特兄弟第一次实现了人类飞行的梦想。其实，人类对飞行的向往和探索源远流长，航空的产生和发展是人类世代前赴后继奋斗和积累的结果，这其中首先是力学家的研究贡献。在莱特兄弟之前，至少应当提到3位科学家的力学研究。

大莱特曾说过：“我们设计的飞机，完全按照凯利爵士非常精确的计算方法。”他所提到的这位凯利爵士就是被称为“航空之父”的英国人乔治·凯利。

1804年12月，为了对空气的阻力与升力进行定量研究，乔治·凯利设计和制造了一架悬臂机，用于研究平板的升力和阻力。利用这个装置，凯利得到了最早关于升力和速度方面的数据。他在悬臂机试验中还发现了流线型对减少空气阻力的重要性。经过精心计算，凯利给出了一架飞机的设计参数。他认为，如果这块平板能在动力作用下高效率运动，空中飞行就会实现。

美国科学家兰利是一位自学成才的天文学家，他发展了测辐射热仪，对太阳光谱测量做出了重要贡献。兰利从小便对鸟的飞翔产生了极大兴趣，经常连续数小时观看鸟的飞行。

1887年，兰利移居华盛顿，出任当时美国权威学术机构——史密森学会秘书。他建造了一座高60英尺的悬臂机，该机靠煤气发动机驱动，外周速度可达每小时70海里。利用这座悬臂机，兰利进行了大量的空气动力实验，研究平板与鸟翼在空气中运动时的阻力与升力的规律，由此得到了许多定量数据，并且纠正了不少前人的错误。1891年，兰利的著作《空气动力学实验》出版，该书是最早的比较系统的实验空气动力学著作，对后来的飞机研究者，包括莱特兄弟影响很大。

除了实验室研究外，兰利还动手做飞行试验。从1891年开始，他试制了橡筋动力模型飞机，设计并制造了轻型蒸汽机，设计了7个型号的飞机模型，并进行了两次不成功的载人飞行试验。后人认为，兰利载人飞行的失败主要是由于结构上的不合理，假如他的发射架采用轮式起落架，试飞的结果很可能完全不同。

美国人罗杰·劳纽斯说：“莱特兄弟教会了世界飞行;但是，是谁教会了莱特兄弟去飞行的呢？从最广泛的意义上说，是一位出生于法国、在芝加哥长大的工程师——恰纳特。”

恰纳特是一位铁路工程师，主持设计过复杂的铁路桥梁，并采用新的材料进行施工。他对飞行一直保持浓厚的兴趣，其关于飞行的力学知识在19世纪80年代一直处于前沿。恰纳特与莱特兄弟一直保持联系并指导他们，恰纳特甚至亲自去过莱特兄弟的飞行试验场地。

1886年8月，恰纳特在美国第一次组织召开了关于航空研究可能性的讨论会，这也是美国科学促进协会 （AAAS）的第一个系列会议。1889年，恰纳特在多伦多又召开了AAAS会议，将航空计划作为其中一个工程问题。1893年，恰纳特在芝加哥组织召开了一次国际航空会议，许多知名的航空爱好者出席了会议，其中有史密森学会秘书兰利、发明家爱迪生等。1894年，他出版了航空业的经典著作《飞行力学进展》。这本书后来变成航空业的一本经典著作。

莱特兄弟进行了世界上最早的飞行之后，飞机得到迅速发展，这期间的每一项改进都是力学研究的突破。人们突破了音障和热障，后来又发明了直升机。到现在，天空中有各种用途、各种性能的飞机在飞行，民用航空业已成为人们远距离旅行的主要交通工具。