力學改變人類生活的三項發明

17世紀科學革命之後，在力學學科引領之下的發明數不勝數，其中，擺鐘、調速器和航空是3項最為重要的發明，它們對人類生活產生了巨大的影響。

其實，這3項重要發明所根據的力學原理十分簡單：一個單擺、一個離心調速器、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模型開始，到根據其原理進行發明創造，再經過不斷改進，進入並改變人類生活，要經過無數科學家的艱苦努力，甚至要經過幾代人前赴後繼地奮鬥，才能成為現實。人類文明的歷史就是這樣不斷發展著。

擺鐘　開闢計時與大航海時代

關於擺鐘的發明，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，就對擺的振動產生了興趣。經過反覆實驗，他得到了擺的小擺動周期與擺長的平方根成正比的結論，從而在理論上為鐘錶的核心裝置——擺奠定了理論基礎。這標誌著一個新時代的開始。

1641年，伽利略建議利用擺的等時性製造鍾。遺憾的是，他未能完成此項工作便逝世了。於是，製造擺鐘的任務歷史性地由荷蘭學者惠更斯擔當了。

1657年，27歲的年輕學者惠更斯完成了擺鐘的設計。他是一位因為發現土星光環而知名的年輕學者。同年，荷蘭的鐘表匠製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成，而且發表了一系列關於單擺與動力學的重要研究結果。例如，惠更斯系統地研究了圓周運動，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並給出了其周期與擺長和重力加速度關係的公式。

隨後，惠更斯又發現，在大幅度擺動時，單擺的周期不再是常數，並給出了在大幅度擺動時也有等周期的擺線理論。

擺鐘的發明對鐘錶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，而當時最好的擺鐘可以調整到一晝夜誤差不大於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。

英國力學家胡克於1676年發表了對於彈簧的研究結果，後人稱之為「胡克定律」，即彈簧的伸長與外力成正比關係。後來，擺鐘上出現了兩項改進：一項是彈簧發條貯能器的改進，另一項是彈簧（或遊絲）擺輪的發明。

1674年，惠更斯製成基於彈簧擺輪的鐘表。有了這兩項改進，鐘錶可以適應更為惡劣的工作環境，也可以製造得更為輕巧，例如，能夠在顛簸環境下工作的鐘、可以隨身攜帶的懷表以及手錶的出現。

1707年，英國海軍艦隊發生了一次慘禍，共有3艘船隻失事，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度的方法：誰要是能在到達西印度的6周航行中，誤差不大於30英裡，便能得到這筆獎金。

事實上，當時天文觀測儀已可以使人們經由觀測星體十分精確地了解船舶所在地的緯度。但對於所在地的經度，由於星體在天上隨時間不停運動，要想準確測定經度，必須製造一架高精度的可攜式時鐘。這種鍾就是天文鐘。

最終，鐘錶匠哈裡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，鐘錶進入大眾消費市場，鐘錶的種類也越來越多，有了從教堂、航海、家庭擺設到個人佩戴等各式各樣的鐘表。之後，鐘錶做得越來越精巧，可以戴在手腕上的腕錶也出現了。

迄今的200多年間，鐘錶用於測量聲速、光速、各種振動頻率、周期等各種物理量，還被應用於體育運動的準確測時。此外，鐘錶還廣泛地用於航海、航空業。各學科和各技術的發展無不得益於鐘錶的幫助。

可以說，鐘錶的發展和改進揭開了人類社會現代技術的序幕。出於隨時隨地準確定時的需求，人們需要製造大量鐘錶，有大量細小的鐘表零配件需要加工和製造，於是便產生了現代車床和現代金屬加工技術。

與此同時，鐘錶的發展又為西方現代技術的發展培育了人才。蒸汽機的發明者英國人瓦特、紡織機的發明者英國人阿克萊特、以蒸汽機為動力的輪船的發明者美國人富爾頓等，他們青少年時代都曾經當過修表學徒或製作工匠。

有一種流行的觀點是很有道理的，即認為歐洲近代科學技術的起源是古希臘的思辨傳統與歐洲手工業傳統相結合的產物。前者以達·文西、伽利略、惠更斯與牛頓的動力學發展為代表，後者便是以鐘錶工業的發展所培養起的一代新技術人才為基礎。

如今，儘管擺鐘大多已被電子表等電子計時裝置所取代，但對於電子表中的震蕩器的認知，還是起源於對單擺知識的拓寬，可以說，它保留、繼承和拓寬了關於擺鐘的理論和技術。

調速器　讓蒸汽機走向世界

調速器看似簡單，但在近代控制技術和控制理論的發展上起到了開天闢地的作用。

1698年，英國人託馬斯·塞維利發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，利用蒸汽凝結後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，比如低於水泵10米時就抽不上水；二是由於突然進入容器的蒸汽壓力過高，易於爆炸。

1712年，英國人託馬斯·紐可曼發明了大氣壓蒸汽機。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。

但英國人瓦特經過研究發現，紐可曼的蒸汽機由於在用水冷卻汽缸時，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，這個容器後來被稱為冷凝器。經過反覆試驗與改進，裝有冷凝器的蒸汽機在1769年製造完成。

改進後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，機器就轉得快；燒煤少時，就轉得慢。這種不能均衡轉動的蒸汽機是無法派上大用場的。

1782年前後，瓦特在蒸汽機上安裝了離心調速器。這種調速器的構造是利用蒸汽機帶動一根豎直的軸轉動，這根軸的頂端有兩根鉸接的等長細杆，兩根細杆另一端各有一個金屬球。

當蒸汽機轉動過快時，豎軸也加快轉動，兩個金屬小球在離心力作用下，由於轉動加快而升高，這時與小球連接的連杆便將蒸汽閥門關小，從而使得蒸汽機的轉速同時降低。反之，若蒸汽機的轉速過慢，則豎軸轉動緩慢，小球的位置便會下降，這時連杆便將閥門開大，從而使蒸汽機轉速加快。

離心調速器是一個基於力學原理的發明，是蒸汽機所以能普及應用的關鍵，也是人類自動調節與自動控制機械的開始。由於人們能夠自主控制蒸汽機的運轉速度，才使蒸汽機廣泛應用於紡織、火車、輪船、機械加工等行業，使得人類大量使用自然原動力成為可能，最終才有了產業革命的第二階段。

瓦特所改進的蒸汽機很快便在生產中得到迅速普及。到1790年，老式的紐可曼蒸汽機在市場上已經看不見了；與此同時，大約有500臺蒸汽機在英國工作。經過大約不到100年，到了1868年，僅在英國就有7.5萬臺蒸汽機投入生產中。

1800年，英國的特裡維希克發明了高壓蒸汽機。1801年，美國人埃文思造出了真正合用的高壓蒸汽機。1805年，蒸汽機作為驅動力在美國被裝上了汽車。1807年，美國的富爾頓發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。

調速器使用後，初期運行很正常；但當蒸汽機的速度提高後，調速器不能穩定運轉，會出現時快時慢的現象。最早研究調速器穩定性問題的是英國物理學家麥克斯韋。1868年，麥克斯韋發表《論調節器》，最早把調速器的運動狀態用微分方程來描述，他導出了調節器的微分方程，並在平衡點附近進行線性化處理，指出穩定性取決於特徵方程的根是否具有負的實部；麥克斯韋還給出了系統穩定運行的條件。

到了1872年，俄國的維斯聶格拉斯基寫出了《論調整器的一般原理》一文，並於1876年在法國科學院報上發表。

後來，英國的儒斯和俄國的李亞普諾夫分別在1877年和1892年發表對於運動系統普遍穩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系統的穩定性問題。

調速器是一項技術發明，由於它的出現和發展，蒸汽機開始被普遍使用，才有了後來的產業革命。工業控制論的研究也可以說是從調速器的研究起步的，並且由研究調速器的穩定性開始，才使得人們開始深入研究力學系統的穩定性。因此，了解調速器的歷史，對於了解蒸汽機的歷史，對於理解控制論的歷史，對於了解運動穩定性研究的歷史都是十分重要的。

飛行力學　讓人類圓了飛天夢

1903年12月17日，萊特兄弟第一次實現了人類飛行的夢想。其實，人類對飛行的嚮往和探索源遠流長，航空的產生和發展是人類世代前赴後繼奮鬥和積累的結果，這其中首先是力學家的研究貢獻。在萊特兄弟之前，至少應當提到3位科學家的力學研究。

大萊特曾說過：「我們設計的飛機，完全按照凱利爵士非常精確的計算方法。」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·凱利設計和製造了一架懸臂機，用於研究平板的升力和阻力。利用這個裝置，凱利得到了最早關於升力和速度方面的數據。他在懸臂機試驗中還發現了流線型對減少空氣阻力的重要性。經過精心計算，凱利給出了一架飛機的設計參數。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。

美國科學家蘭利是一位自學成才的天文學家，他發展了測輻射熱儀，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生了極大興趣，經常連續數小時觀看鳥的飛行。

1887年，蘭利移居華盛頓，出任當時美國權威學術機構——史密森學會秘書。他建造了一座高60英尺的懸臂機，該機靠煤氣發動機驅動，外周速度可達每小時70海裡。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律，由此得到了許多定量數據，並且糾正了不少前人的錯誤。1891年，蘭利的著作《空氣動力學實驗》出版，該書是最早的比較系統的實驗空氣動力學著作，對後來的飛機研究者，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，他試製了橡筋動力模型飛機，設計並製造了輕型蒸汽機，設計了7個型號的飛機模型，並進行了兩次不成功的載人飛行試驗。後人認為，蘭利載人飛行的失敗主要是由於結構上的不合理，假如他的發射架採用輪式起落架，試飛的結果很可能完全不同。?

美國人羅傑·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，是一位出生於法國、在芝加哥長大的工程師——恰納特。」

恰納特是一位鐵路工程師，主持設計過複雜的鐵路橋梁，並採用新的材料進行施工。他對飛行一直保持濃厚的興趣，其關於飛行的力學知識在19世紀80年代一直處於前沿。恰納特與萊特兄弟一直保持聯繫並指導他們，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於航空研究可能性的討論會，這也是美國科學促進協會 （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，其中有史密森學會秘書蘭利、發明家愛迪生等。1894年，他出版了航空業的經典著作《飛行力學進展》。這本書後來變成航空業的一本經典著作。

萊特兄弟進行了世界上最早的飛行之後，飛機得到迅速發展，這期間的每一項改進都是力學研究的突破。人們突破了音障和熱障，後來又發明了直升機。到現在，天空中有各種用途、各種性能的飛機在飛行，民用航空業已成為人們遠距離旅行的主要交通工具。