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第59章 科技·发明(7)

瑞利又进一步研究,他发现利用油的润滑作用,可以减少固体之间的摩擦。后来,在瑞利发现的基础上,人们不久就发明了润滑油。

035水泥的由来

早在古罗马时代,人们就制造出了水泥,并广泛用于高大而美丽的建筑。不过,当时使用的水泥是一种天然形成的物质,还不是今天的合成化学水泥。

当时,罗马人使用的水泥被称为“白榴”,是用火山灰与石灰混合制成的。如果用它砌墙,其结实耐用的程度比灰浆要高得多。如果将它与沙、碎石、水混合搅拌起来,就形成了更加耐用的混凝土。可是,火山灰毕竟不多,人们又总是远离火山而居,运输起来感到很麻烦。

古罗马帝国覆灭之后,人们很少用到混凝土和水泥。直到19世纪以前,建筑技术的进步速度非常缓慢。造成这种情况的重要原因之一,就是缺乏性能卓越的建筑材料。

而那时,人们只是将土、木、砖、瓦、沙、石作为盖房的材料。这些材料的性能与水泥相比,实在是太微不足道了。

18世纪发生了工业革命,人们开始大规模修建港口、堤坝、桥梁之类的水上设施,这使得人们去寻找耐水的胶结材料。1756~1759年,工程师斯米顿在英国西南海岸建造了埃迪斯通灯塔。他制造了新的水泥,所用的用料无非是石灰、黏土、砂和铁渣等。他的行为使整个水泥生产业得到复兴。

1824年,有一个名叫约瑟夫·阿斯普汀的泥瓦工研制出一种水泥,是对纯石灰石、白垩石和黏土进行加热而得到的,他还申请了专利权。这种水泥成型后,与英国的波特兰岛的石头非常接近,所以被人们称为“波特兰水泥”。

生产这种水泥的过程相对来说很简单:把原料和水的混合物,通过一个倾斜的转动圆柱端送入炉内,火在底层向上焙烧。随后,用球磨机把焙烧好的混合物磨成细粉。球磨机的结构很科学,包括一些内有钢球的转动水平圆筒容器。

从此,人们通过不断实践,掌握了水泥的化学成分和性质,并对生产工艺加以不断革新,专门生产水泥的工厂也出现了。1840年和1855年,两座水泥制造厂分别在法国和德国成立。

20世纪以来,人们越来越需要水泥,导致其用量急剧增长,水泥的产量和标号得到提高。水泥出现以后,在建筑工程中,混凝土得到广泛运用。直到今天,水泥在所有建筑材料之中,还是最重要的一种。

036电梯的由来

早在古罗马时期和中世纪,原始的升降机就出现了。在17世纪的法国,科学家布莱尔通过构思创造出一种平衡升降机。据说,18世纪法国国王路易十五将一个“飞椅”设置在凡尔赛宫,乘坐它去较高的楼层,以便和情妇见面,共叙衷肠。

到了19世纪上半叶,在欧洲的很多工厂里面,水力升降机得到了广泛应用。这里有两个英国人很值得一提,他们是弗罗斯特和斯特拉特。1835年,他们发明了一种名叫“蒂格尔”的升降系统,在当时引起了很大的影响。

早期的升降机中,水力驱动的机械占到了大多数,它们比较安全,但运行速度很慢,效率不高。

1857年,奥梯斯发明了最早的用蒸汽驱动的安全电梯,设置在霍沃特公司的纽约商场里面。这个举动不可小视,它开辟了电梯应用的新时代。

1887年,奥梯斯公司制造出世界上第一部电梯,这是一部以直流电动机传动动力的电梯。它被装设在1889年的纽约德玛利斯大厦里。这部古老的电梯每分钟只能走10米左右,当初设计的电梯纯粹是为了省力。

其实,真正意义上的电梯,就是大家常常提到的用电力使之运转的电梯,其批量生产是在1889年以后才开始的。

随着超高层建筑的出现,电梯的设计、工艺不断得到提高,电梯的品种也逐渐增多。1900年,世界上第一部电动扶梯问世。1902年,瑞士的迅达公司研制成功了世界上第一部按钮式自动电梯,采用全自动的控制方式,提高了电梯的输送能力和安全性。

1904年,奥梯斯公司抢在同行之前,首先研究出不用齿轮牵引的电梯。这种电梯速度相当快,而且结构简单,成本低廉,使摩天大楼的出现成为可能。

1950年,科学家们又制成了安装在高层建筑外面的观光电梯,使乘客能在电梯运行中清楚地看到电梯外的景色。

037摩天大楼的由来

1857年,伊莱沙·格雷夫斯·奥梯斯发明了电梯。1865年,亨利·贝塞麦发明了制钢。这两项发明,使摩天大厦的建造成为可能。

但是,直到1884至1885年,第一座钢结构的摩天大楼才得以问世。当时都市地价的上涨,刺激了对高层建筑的需要。所以建筑师威廉·勒巴隆·詹尼才完成了那座摩天大楼,它是芝加哥的高10层的保险公司。

这个建筑的铸铁墙柱是正方形的。6层以下用的是铸铁柱,7层以上则用钢柱来支撑。每层楼的梁柱都被固定起来,同时与圆柱紧紧相连,整个钢骨结构宛如一个笼子。

后来,摩天大楼得到不断发展。1889年,詹尼在芝加哥设计出一栋利特大楼,这所大楼成为第一栋无自立式壁的摩天大楼。

1891年,人们建起了16层高的曼哈顿大楼和费耳大楼。它们都有弯曲的支柱。1895年,詹尼和另一个芝加哥的建筑师,使弯曲支柱钢骨结构的设计达到了完善程度,并提出了“幕墙”的理念——把墙体挂在钢架上,而不是用墙体来支撑它上面的重量。

詹尼手下的很多建筑师继续开展詹尼没有完成的工作,其中包括着名的路易斯·沙利文和威廉·霍拉伯德。

19世纪90年代至20世纪20年代,美国出现了建筑热,结果导致美国城市的外貌发生很大的改变。当时,许多具有艺术装饰特征的摩天大楼出现,比如纽约的克莱斯勒大厦和帝国大厦,就是其中的佼佼者。

摩天大楼的建造准则,是大楼一定要从两边逐渐增高。一是为了不至于把阳光挡住,二是为了避免街道变成高墙簇拥的“峡谷”。

20世纪30年代间,摩天大楼建造得不多,可是第二次世界大战结束后的一段时期,出现了一种新的设计方案。其特点是以平玻璃作为“幕墙”,且外部没有任何特色可言。这种时髦的风格在20世纪70年代后被广泛采用,被称为后现代主义风格。这种建筑风格使摩天大楼的装饰、色彩及底座的大型购物商场,不再显得机械和枯燥。

038混凝土的由来

混凝土是建筑业常用的材料,一般是由水泥、水、沙子和碎石混合制成的。由于水泥和水能够产生化学反应,所以能把沙、石凝结起来。人们使用大小不同的沙石,可用小石子将大石子的间隙填满,而沙子则将小石子的间隙填满。

早在公元前3世纪,罗马人就能制造混凝土。他们发现,如果将少量火山灰加入到石灰之中,制成水泥,再加入石子和沙子,比较耐久的混凝土就会形成。这种物质既可防水,又能在水中凝固,强度更高。因为当时的火山灰来自维苏威火山附近的波佐利,所以罗马人管这种混凝土叫做波佐利石。

火山灰是非常有用的建筑材料,含有氧化铝、硅和铁等化学物质,只是罗马人不知道罢了。这些化学物质的作用,实际上与近代“波特兰水泥”相同。他们用这种材料建造了很多优秀的建筑,如万神殿的大圆顶、罗马地下水道和地上渡槽、庞培城剧院的基座,以及戴欧克里兴皇帝浴池的穹顶等。

公元5世纪,罗马帝国覆灭,原来制造水硬性水泥的技术,随着逝去的罗马而一度失传。后来的中世纪城堡和哥特式教堂的大墙,足有3~4米那么厚,一般是用碎石在两层砖石中填塞而建成的。

有时候,欧洲人也要造一些混凝土,就在碎石里面灌入石灰液。他们虽然成功了,但他们所造的混凝土其强度并不令人乐观。

一位名叫约翰·斯米顿的英国土木工程师,将石子粒料加入到普通的混凝土中,结果制造出一种可以在水下硬化的混凝土,并在1759年建造埃迪斯通灯塔时使用了这种物质。

趣味链接:钢筋混凝土是什么时候出现的?

19世纪后期,混凝土得到广泛运用,原因是人们发明了人造水泥,使混凝土的质量得到改善。一般说来,混凝土的拉伸强度很低,受到张力就会开裂。于是,人们为了提高混凝土的承受张力,在它受拉的地方包入钢筋。这种办法非常管用。

一个名叫莫尼尔的法国花卉商,是以科学观点来认识钢筋混凝土的第一人。1867年,莫尼尔在温室中种花,经常要移植花盆中的花,一不小心就会把花盆打碎。

起先,他用木盆来代替,但木盆比瓦盆贵。当时,水泥已经得到应用,莫尼尔便用水泥等来做花盆,虽然水泥制成的花盆比瓦盆坚硬得多,但也容易碎裂。于是,他在水泥制成的花盆外面缠上几道铁箍,用来加固。

为了保证花盆的美观,莫尼尔又在铁箍外面涂上一层水泥,硬结后,发现这种花盆特别坚固,不容易碎裂。后来莫尼尔用粗铁丝做骨架,在铁丝骨架外面抹上水泥,硬结后就成了坚固美观的花盆。

从此,钢筋混凝土运用于水盆和花盆的制造之中。随后,莫尼尔又想到把这个方法应用于制造横梁、楼板、管道和桥梁。

对混凝土进行人力搅拌,要花费相当大的力量。1857年,一个叫塞尚的法国土木工程师,发明了第一台利用蒸汽为动力的混凝土搅拌机。搅拌机的出现,为普遍使用混凝土铺平了道路。

1892年至1893年,一个名叫弗朗索瓦·埃内比克的法国人,争取到了钢筋的专利权,并花费了数年的时间,使这项技术得以推广。

1894~1899年间,修建巴黎蒙马特尔的圣·让教堂时,使用了钢筋混凝土。1897年,这种物质又被用于建造英格兰南安普敦的码头。很快,它的优点就得到了人们的认可。1898年,美国人在华盛顿的海军船坞建造了第一个用于检验船体模型的水池,所选择的建筑材料就包括钢筋混凝土。

等到19世纪末的时候,在欧洲、北美洲和澳洲,钢筋混凝土得到广泛使用。这种物质使水泥得到强化,带来了非常大的好处:在水泥中加入金属结构,可以大片倒入工地的木质模子中,而不需要再往工地运入浇铸建材,钢筋使水泥的力度和负重量得到极大的增强。

039不锈钢的由来

如何能让钢铁带有抗腐蚀的功能呢?其实,只要对一种金属的含量加以控制就成了,这种金属就是铬,它是一种有很高硬度、不怕任何物质腐蚀的银白色金属。当钢中的金属铬的含量达到12%以上,它的表面就会生成一层很薄的氧化膜,所以任何腐蚀都不怕。

20世纪初,不锈钢问世。它的制造者是英、法两国的科学家们,可是这些科学家虽然造出了不锈钢,却不了解这些合金的特性,更无法预料它们给人类带来的巨大影响。例如,在1904~1911年的法国,科学家吉耶和波特万研制出奥氏体不锈钢,却对这种物质的抗腐蚀性一无所知。

1911年,不锈钢和钝化理论被德国科学家蒙纳尔茨提出。他是认识到不锈钢的抗腐蚀性能的第一人,与此同时,他还为自己争取到在德国生产不锈钢的专利,想投身商业,大大地赚一笔钱。

仅仅过了一年,一种重要的不锈钢就出现了,它就是马氏体不锈钢,是英国的冶金学家布里尔利发明的。他亲手制作了一批刀子,很快就使马氏体不锈钢投入大批量生产。

1911~1914年,美国的丹齐经过不断实验,发明了铁素体不锈钢。这种不锈钢既能够进行热加工,又是冷加工的上好材料,对建筑和汽车上的装饰非常适用。

到了20世纪30年代,人们发明了奥氏体-铁素体双相不锈钢。紧随其后,马氏体和奥氏体沉淀硬化不锈钢、节约镍的不锈钢、含碳量超低碳不锈钢先后被开发出来。这样,不锈钢阵营的主要将帅就都凑齐了。

不锈钢一出现,就在化工、石油、航空、造船、武器制造等许多领域得到应用。用不锈钢做原料,飞机在恶劣天气也能正常飞行,轮船则不怕海水的侵蚀……这种钢材也走进了人们的日常生活,经过加工成为日常用品。

不锈钢的诞生,在世界冶金史上是一件了不起的大事。在20世纪的历史上,也是全人类的一项值得夸耀的科技成果。

040玻璃的由来

公元前2500年,古埃及生产的装饰品中就包括了玻璃珠。有考古学家在中国洛阳的西周墓葬中发现了玻璃珠,它的颜色呈白色。后来又在宝鸡的西周墓葬中发现了透明的玻璃管和玻璃珠,约有上千件。

中国的玻璃制造业得到较大发展的时候,是从战国到秦汉这一时期。那时候,蓝、绿、黑、红等彩色玻璃问世,还出现了俗称为“蜻蜓眼”的多色玻璃珠。可是奇怪的是,三国以后,玻璃制造技术竟然神秘地失传了。一直到北魏时期,西域的大月氏人将烧制玻璃的技术传到大同,中国的玻璃制作才又复兴起来,为世人所瞩目。

西方的玻璃则是腓尼基人传入的。

在一个阳光明媚的日子,地中海沿岸的贝鲁斯河河口,来了一艘腓尼基的大商船。船上装了一批天然结晶苏打。船员们来自远方,并不了解海水涨落的规律。很快,船在离河口不远的一片沙洲上搁浅了。

船上的人见船难以前进,就从大船上跳下来,奔向陆地,一边尽情嬉戏,一边等候涨潮后继续开船。中午到了,海水还没有涨上来,他们就决定在沙洲上做饭,饱餐一顿。可沙洲上到处是软软的细沙,一块石头都没有,拿什么来固定饭锅呢?突然,有人想到了那些天然结晶苏打。

大家搬来一些苏打垒起锅灶,用木柴烧起火来。当他们吃完后收拾餐具准备回船时,有人发现锅下沙子上竟然有一种晶莹发光的东西。他们开始不知道这是什么,其实,这是因为沙洲上的温度很高,导致苏打块和地上的石英砂发生化学反应,形成了晶莹透亮的玻璃。

腓尼基人非常聪明,他们很快掌握了制作玻璃的方法——先将石英砂和天然苏打搅拌起来,然后用特制的炉子把它们熔化,再把玻璃液制成大大小小的玻璃珠。

到了公元前2000年,美索不达米亚人也能生产玻璃制品,只是他们的产品较为简单罢了。而真正的玻璃器皿则是公元前1500年前后在埃及出现的。从7世纪起,一些地区,包括美索不达米亚、波斯以及埃及、叙利亚,兴起了玻璃制造业,一度达到了繁荣的景象。阿拉伯人在制作清真寺用灯时,还将透明玻璃和彩色玻璃作为原料。清真寺的用具是非常神圣的,可见阿拉伯人对玻璃是非常看重的。

13世纪时期,在威尼斯的玻璃工匠手里,普通的玻璃经过细致的加工,很快就变成了丰富多样的工艺品。后来,威尼斯玻璃制造商开发出了一种水晶玻璃。

1675年,乔治·拉文克罗夫发现,如果在玻璃中加入铅,玻璃制品就会变得重一些,并且清澈透明。当时,人们在制作贵重餐具时,有时还要用到一种名叫水晶玻璃的优质玻璃。

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