18世纪中后期,瓦特在对蒸汽机进行了接二连三的重大改进后,使这一机械成为大工业中普遍应用的动力机。于是,英国、美国、法国等资本主义较发达的国家,先后有数十人动上了蒸汽机的脑筋,想把它装到船上去,用蒸汽作动力使船前进。
一个星期天的早晨,美国人约翰·菲奇从教堂回来,一辆受惊的马车从他身边奔驰而过,菲奇吃了一惊,看着飞奔而去的马车,心里突然闪现出一个念头:“难道不能不用马拉车就使车‘自动行驶爷吗?能不能利用开水壶喷出的蒸汽的力量推动车行驶呢?不行,道路上尽是石头,行不通。但是,如果在水面上走,阻力就会很小。对呀!能不能用蒸汽来开船呢?”有了这一想法,菲奇便钻到发明轮船的工作中去了。他按照自己的想法,绘制出设计图,委托制造马车的作坊给他制造出模型。他带着这个模型到各州去寻求议会的支持。当时正是美国建国之初,州议会顾不上这些问题,没有人支持他的实验。最后,经过反复做工作,终于获得了新泽西州议会的支持,批准他从1788年起14年的专利权。菲奇便以这项批准为根据在费城成立了造船公司。
不久,菲奇的公司制造了第一只试验船,发动机是交替地向活塞两面送汽的蒸汽机。但是不幸的是这只船试验失败了。第二只试验船的设计是在船的两侧各装两组联动的长桨,用蒸汽机带动。这次取得了成功。
菲奇之后,富尔顿是对轮船发明作出重大贡献的杰出人物。少年时代的富尔顿善于幻想,酷爱绘画艺术。但他最大的兴趣还是搞科学发明。从小时候起,富尔顿就一直想制造一种不用人力和风力,就能自动行驶于水上的船只。成年之后,他到法国巴黎学习绘画。1799年,他认识了当时美国驻法公使利文斯顿,对方也有发明轮船的愿望。二人志同道合,最后利文斯顿竟招富尔顿做了自己的女婿,这使富尔顿在轮船研制上获得了可靠的经济后盾。
1802年,富尔顿到英国伦敦学画,又认识了发明蒸汽机的瓦特。两人一见如故,成了好朋友。这之后,他开始投入到研制轮船的工作。经过9年的努力,研制成一艘8马力的蒸汽轮船,在法国的塞纳河下水试航成功。不幸的是,当晚的狂风把这艘船打沉了。
1807年,富尔顿离开欧洲,回到美国,在纽约的哈得逊河上,造了一艘名为“克莱蒙特”号的轮船。这艘船长达47米,宽9米,排水量约为100吨。船体的两侧各有一个大水车式的轮子,船的上面立着一个直冒黑烟的烟囱。
1807年8月9日这一天,“克莱蒙特”号试航开始,船体慢慢向水中滑去。
接着,由富尔顿设计、瓦特亲手制造的发动机轰鸣起来,船体两侧的水轮拍打着河水,驶向远方。从纽约到阿尔巴尼城,“克莱蒙特”号以每小时8千米的速度行驶着,出色地完成了往返480多千米的长距离航行,在轮船航运史上写下了崭新的一页。
受到袋鼠启发的军用汽车
袋鼠的前肢短小,后肢粗大,腹前有一只供幼鼠发育成长的育仔袋。袋鼠还长有一条粗长的尾巴,有时候站立起来,还可以用尾巴支撑。袋鼠的奔跑速度和跳跃能力非常惊人,尽管育仔袋中装着幼仔,它也能在广阔的澳大利亚草原上随心所欲地奔跑、跃跳,疾驰如飞。
专家们注意到袋鼠的起跑姿势非常奇特,它们不采用站立式起跑,而是先将身体弯曲下去,采取蹲踞式起跑。这样一来,袋鼠降低了身体重心,起动、奔跑和跳跃时便增加了向前的水平分力和巨大的冲力。同时也充分利用了袋鼠形体结构上的特点,尤其是极好地发挥了它那强有力的后腿的蹬伸作用,这样使袋鼠能立即摆脱静止的状态,获得较大的起动初速度。
专家们研究认为,袋鼠的这种起动姿势是符合生物学原理的。从生物力学的角度来分析,肌肉在收缩前先拉长,可以有效提高肌肉的张力,有利于发挥肌肉的收缩能力。袋鼠的蹲踞式起跑能拉长臀肌、大腿前面的四头肌和小腿后面的三头肌,使这些肌肉处于收缩前的绷紧状态。当后蹬起动时,就会产生相当大的爆发力,加之蹲踞起跑时,其身体重心低,支撑反作用向前的分力大,所以袋鼠能产生巨大的前冲力,从而提高了起动时的初速度。
科学家从袋鼠起跑的状态中受到启发,制成了时速达50千米的极地越野车和无轮汽车,它们在机动作战中也立下了赫赫战功。
潜入海中的“铁鱼”
人类建造潜水艇的尝试可追溯到约1620年,荷兰人科尼利斯·德雷贝尔(1572—1633)将划艇覆以涂满油脂的皮革,划艇上有一个供船桨伸出的覆盖着革质薄膜的防水孔,在伦敦泰晤士河水下,他向其资助人英国国王詹姆士一世展示了该潜水艇。
继德雷贝尔之后,有较为详细记载的制造潜水艇的尝试发生在北美。1776年,还是学生的大卫·布什内尔(1742—1824)建造了桶形单人潜水艇“海龟号”。该潜水艇具有一个方向舵,两个手动操纵推进器,其中一个用于控制上下运动,另一个则用于控制向前运动。另外还包括一个手动排水泵,用于将水舱内的水排出,以浮出水面。同时“海龟号”外侧则安了一个装满火药的容器,能够连到敌舰船体上。同时“海龟号”还设计了数个钓钩,用绳索连接到潜水艇内部,用做钩锁其他舰船等。布什内尔的潜水艇在美国独立战争时期下水测试,并准备攻击纽约港的英国军舰,不过还是以失败告终。
1801年,美国工程师罗伯特·富尔顿(1765—1815)在法国建造的“鹦鹉螺号”是一艘更为成功的潜水艇,它是铁质框架、外覆铜板的慢速手动曲柄潜水艇,长达6郾4米,能携带4人在水下停留约3个小时,直到氧气耗尽。在一次演示中,该潜水艇成功炸沉一艘假想的敌舰。
1863年美国内战期间,工程师贺瑞斯·汉利(1823—1863)依照富尔顿的设计为南部联邦建造了一艘潜水艇,该潜水艇配备了炸药,需要8个人驱动一根长曲柄杆转动推进器。不幸的是,在第二次试验中,潜水艇沉入海底,汉利与艇上人员一起命丧大海,不过他所设计的潜水艇却于1864年在查尔斯顿港浮出水面并成功袭击北方邦联军舰“霍萨托尼克号”,随后因为撞锤卡在敌舰的船体上而一起沉入海底。
1851年,德国士兵威廉·鲍尔(1822—1875)建造了“火潜者号”,该潜水艇能携带3人,由其中2名成员踩动踏车驱动潜水艇前进,但是这一设计并不成功。1855年,他又设计建造了更大的“海恶魔号”,长达16米,能搭载16人,“海恶魔号”较为成功,沉没前共完成过130多次潜水。1863年,法国工程师西蒙·布尔茹瓦设计建造了试验性潜水艇“潜水员号”,采用了能排出压缩空气的引擎。1888年,法国迎来了潜水艇建造史上真正意义的成功,工程师古斯塔夫·泽德(1825—1891)为法国海军建造了“吉姆诺特号”,该潜水艇长17米,由功率达51马力的电动马达驱动1郾5米的推进器,其在海面速度达11千米/小时,而水下速度也达到约8千米/小时。
另一些发明家试验使用蒸汽作为推进力建造潜水艇。由英国牧师乔治·加勒特(1852—1902)设计建造的“我将再起号”采用木质结构,不过,它每次潜入水下之前都不得不熄灭锅炉火,利用储存的热蒸汽作为动力在水下前进。
1882年,瑞典军械商仿照加勒特的设计,建造了“诺登福特1号”,重达60吨,并携带鱼雷发射筒。
美籍爱尔兰裔教师约翰·霍兰(1840—1914)提供了潜艇推进力问题的解决方案。由纽约芬尼亚协会(该组织由一群革命者组成,目标在于谋求爱尔兰从大不列颠王国独立)出资,霍兰建造了一系列采用混合推进器的潜水艇。该类潜艇在水面航行时,采用汽油机驱动推进,而水下行进时,则使用电动马达推进器。1883年建造的“荷兰1号”为单人潜艇,长达4米;1878年建造的“芬尼亚撞击号”能搭乘3人,重19吨。1898年,经过一系列改进之后,“荷兰6号”潜水艇下水首航,该潜水艇长16米,能够以每小时11千米的速度在水下前进。同时潜水艇上还携带由英国工程师罗伯特·怀特黑德(1823—1905)于1866年发明的自推进式鱼雷,以及甲板机关枪等。1900年,美国海军购买了这艘潜艇,后改名为“USS荷兰号”。不久,该潜艇又配备了美国工程师西蒙·莱克(1866—1845)于1902年发明的潜望镜。后者曾于1897年建造远洋潜水艇“亚尔古号”。霍兰前后卖给美国海军6艘潜艇,并收到不少英国、日本、俄罗斯等国海军的订单。
1908年,装备柴油机引擎的潜水艇在英国下水试航,完成了潜水艇的最终演化。随后柴油机成为潜水艇的标准动力装置。1955年,美国海军订购的“鹦鹉螺号”潜艇首次采用核动力装置,成为世界上首艘核动力潜艇。
贝壳与复合装甲车
研究人员通过研究发现,贝壳有着十分巧妙的构造。由于这种软体动物堆砌生物组件的技巧非常高超。所以,这些贝壳的硬度是原料碳酸钙的10倍。
十字切开的鲍鱼壳在普通显微镜下看上去是由一层层的碳酸钙组成的,这些碳酸钙厚度仅有0郾2毫米,不过,在显微倍数提高以后,可以看到每一层碳酸钙又是由更多的每层厚约0郾5微米的层状结构组成的。仔细观察就会发现,这些薄层是由一种有机糖蛋白胶将一排排头尾相接的微型碳酸钙“砖块”固定而成的。这些薄层是互相错开的,每块“砖”码放在另两块头尾相接的“砖”上面。海螺壳则有更加精细的结构,它的一排排的微型“砖块”以人字形排列。
坚硬物体对贝壳的撞击,可能会使贝壳上出现穿透数层微型“砖块”的直线状裂痕。但是粘住“砖块”的有机胶最终会化解这种破坏。这种化解也许并不能完全消除裂痕,但它可以使裂痕的位置沿胶黏层有所改变,其宽度也比原先变窄了。这个过程还会持续下去,直到碰撞的能量被吸收,壳体停止开裂为止。由于裂痕不能沿直线穿过“砖块”层,使得贝壳不但不会破裂,而且还会像原来一样坚固。
深受贝壳研究启发的武器研究专家们已经制造了新型复合装甲材料,这种材料是仿造鲍鱼壳的结构制造的,坚固而轻巧,是坦克的新铠甲。
新型复合装甲材料的研制成功,对于提高装甲车的战场生存能力,争取战争的主动性,具有很大的帮助。
钢铁巨龙——火车
16世纪下半叶,在英国和德国的矿山和采石场铺有用木材做成的路轨。在轨道上行走的车是靠人力或畜力推动的。1767年,英国的金属大跌价,有家铁工厂的老板看到堆积如山的生铁,既卖不出去,又赚不了钱,还占用了很多地方,就令人浇铸成长长的铁条,铺在工厂的道路上,准备在铁价上涨的时候再卖出去。可是,人们发现车辆走在铺着铁条的路上,既省力,又平稳。这样,铁轨就先于火车诞生了。
铁条上行车毕竟不是很方便,于是,铁条得到了改进,做成凹槽形的铁轨。
这种轨道可以防止车轮滑出,但容易在凹槽中积上石子、煤屑,铁轨很容易损坏。于是,人们把铁轨做成了上下一样宽,中间略窄的形状,这样垃圾不易积起,铁轨也不容易损坏。可是,这种轨道不是很稳,铁轨受到冲击,容易翻倒而导致车辆出轨翻车。人们又把铁轨的下面加宽,造成像汉字的“工”字形,这种形状的轨道既稳定又可靠,一直沿用到今天。
那个时代铁路已诞生,可是行走在铁路上的车大部分是用马拉的。1783年,瓦特的学生默多克造出了1台用蒸汽机作动力的车子,但效果不好,没人用。1807年,英国人特里维希克和维维安制造成功用蒸汽机推动的车子,可是这车子太笨重了,难以在普通的道路上行走,而他们也没想到把这辆车放到铁轨上去,所以不久也就弃之不用了。直到1814年,放牛娃出身的英国工程师斯蒂芬森造出了在铁轨上行走的蒸汽机车,正式发明了火车。
斯蒂芬森出生于1781年,父亲是煤矿上的蒸汽机司炉工。母亲没有工作。
一家8口全靠父亲的工资收入生活,日子过得很艰难。14岁那年,斯蒂芬森也来到煤矿,当上了一名见习司炉工。他很喜欢这个工作,别人下班了,他却认真地擦洗机器,清洁零部件。多次的拆拆装装,使他掌握了机器的结构。他渴望掌握更多的知识,辛勤工作一天后,就去夜校上课。他从没上过学,开始学习时困难重重。但他聪明好学,勤奋钻研,很快掌握了机械、制图等方面的知识。一次,他用书本上学到的知识,结合工作的实际,设计了一台机器。煤矿上的总工程师看到他设计的机器草图,大加赞赏,这给了斯蒂芬森很大的鼓励。
他学习工作更加努力、勤奋,不久便成了一名熟练的机械修理工。
斯蒂芬森总结他们失败的教训,开始研制蒸汽机车。1814年,斯蒂芬森经过长期钻研,制成了世界上最早的可在铁路上行驶的蒸汽机车。在前进时,这台机车不断从烟囱里冒出火来,被称为“火车”,但其貌不扬,丑陋笨重,走得很慢很吃力。有人驾着马车与火车赛跑,讥笑他:“你的火车怎么还没有马车快呀?”又有人责怪他,火车的声音又响又尖又大,吓跑了牛羊,引起了农民的恐慌。然而,斯蒂芬森并不灰心,继续努力改进机车。
1825年9月27日,在英国的斯托克顿附近挤满了4万余名观众,铜管乐队也整齐地站在铁轨两旁,人们翘首以待,望着那卧榻蜿蜒而去的铁路。铁路两旁也拥挤着前来观看的人群。忽然,人们听到一声激昂的汽笛声,一台机车喷云吐雾地疾驶而来。机车后面拖着12节煤车,另外还有20节车厢,车厢里还乘着450名旅客。斯蒂芬森亲自驾驶世界上第一列火车。火车驶近了,大地在微微颤动。观众惊呆了,简直不相信自己的眼睛,不相信眼前的这铁家伙竟有这么大的力气。火车缓缓地停稳,人群中爆发出一阵雷鸣般的欢呼声。铜管乐队奏出激昂的乐曲,7门礼炮同时鸣放,人们在庆祝世界上第一列火车的诞生。
这列火车以每小时24千米的速度,从达灵顿驶到了斯托克顿,铁路运输事业从这天开始了。
人类的变色服