第五回 工业革命 顺时蓬蓬发展经典物理 应运勃勃兴旺

以蒸气动力的普遍应用为主要标志，迎来了机器大工业时代。第一艘实用的轮船是由美国友明家富尔顿发明的。电和热的研究深化，物理学的前沿阵地不断扩大。

且说物理实验已形成独立的体系，在此前提下，物理学又增添了许多新的发明和发现。科学技术的迅猛发展为社会发展提供了后备力量，推动了社会的进步。

在牛顿力学建立以后，19 世纪近代自然科学进入全面繁荣。首先在英国，继而在欧美其他各国，掀起了一场工业革命。

18 世纪中叶到 19 世纪中叶的工业革命是以技术革命为中心内容的社会变革。它以工作机的发明为起点，以蒸汽动力的普遍应用为主要标志，迎来了人类历史上一个崭新的时代——机器大工业时代。

机器—蒸汽时代的到来是资本主义发展的必然结果，同时又为生产方式的巩固提供了坚实的技术基础，造成了社会生产力的空前发展，并为自然科学的发展开辟了广阔的道路。

从某种意义上说，资产阶级是依靠技术的力量登上统治阶级的宝座的。火药、指南针、印刷术等一系列发明，被资产阶级广泛运用，发挥了它的作用。

经过 16、17 世纪的变革，资本主义生产方式开始在欧洲各国出现。伴随着资产阶级革命，近代自然科学作为定量的实验科学也宣告诞生。

同时，市场的需要，引起了社会需要同原有生产技术手段之间的矛盾， 这一矛盾就成了推动技术发展的社会动力。企业资本家对于技术革新的渴求正是在这种矛盾的刺激下产生的。

早在文艺复兴时期，人们就已经设计和创制了许多加工机械。如脚踏式车床，即采用脚踏式曲轴把直线运动变成圆周运动，从而带动工件旋转的机械，利用曲轴带动锯齿作往复运动的锯床，以及加工螺丝用的丝锥和板牙等。

17、18 世纪科技上的发展，不仅改变了人们传统的科学观念，而且改变了人们对技术的态度。当时人们所特别关心的不再是未来的命运，而是现实的生活，金钱在人们生活中的重要性和地位也被提高了。

工业革命的最本质特征是实现了从手工技术向机械技术以及工场手工业向机械大工业的转变。这种转变既需要政治、经济因素，又是技术本身发展的必然结果。

工场手工业的发展对机器的使用提出了要求。近代又产生了许多新机器，所有这些都是在原有技术的基础上发展起来的。

马克思说：“水（风）磨和钟表，这是过去传下来的两种机器，它们的发展还在工场手工业时代就已经为机器时期作了准备。”

18 世纪，水磨机器已具备了三要素：工作机、传动机和动力机。16 世纪中叶，已经出现了适合家庭用的能打点报时的钟表，同时也制造出了小型怀表。英国人哈里逊在 1789 年造出的一台航海钟，重 66 磅，走时误差每昼夜不超过 1/10 秒，可以说是一台相当复杂而精密的机器。

文艺复兴运动以来的许多发明都为近代技术和工业革命的产生提供了技

术上的准备。工业革命的原材料基础是铁和煤。早在 16 世纪高炉炼铁已在西欧各国普及。

应该指出，早在文艺复兴运动以前，也曾有过一些技术发明，但由于当时尚未形成强有力的社会需要，不能得到社会的支持，因而没能得到很好的应用，或者毫无结果地消失了。

18 世纪以后，情况大大不同，随着商业和航海业的兴起，资本主义市场的扩大，社会的支持等都为技术的发展提供了前提。技术上的发明得以应用， 由此可以看出近代工业技术的兴起和工业革命的产生是相互作用的结果。

再说纺纱机的发明和实际应用为英国开始工业革命提供了机会。由于纺纱机的使用，17 世纪发展起来的纺纱业有可能突飞猛进地发展。

原纺纱机的动力能源是水力，扩大的纺纱业要求纺纱机有新的能源，刚刚面世的蒸汽机正好满足这个要求。这样，在工厂便开始广泛地使用原动机和工作机之类的机械，这使机器制造得到了发展。另一个条件是冶铁业的扩大，生产出了更多的制造机器的材料。

在 18 世纪后半期，随着新的熔炼法和炼铁法的实施，铁的生产有了显著提高。在新的炼铁业中，已广泛使用蒸汽机作为鼓风、锻造、压延的动力源。

由于蒸汽机的普及，对煤炭的需求量也大大增加了，煤炭产量的增加反之又促进了对蒸汽机的需求。蒸汽机可以采掘搬运煤炭、抽走坑道内的积水。由于工业革命，越来越多的原料、产品的输送也使蒸汽机大显身手。

1807 年，首次用蒸汽机作为原动机的船只出现了；1829 年，最早实用的蒸汽机车也在铁轨上运行起来。这样，由于产业革命，促进了蒸汽机的发展和普及，蒸汽机反过来又作为工业革命的推动力而广泛存在。

早在 17 世纪，惠更斯就有过利用热而获取动力的设想。他想利用火药的爆炸力，让助手帕潘（1646—1712）从事这项研究工作。而帕潘不久就想出了另一种方案，用蒸汽的压力代替危险的火药，他于 1687 年试制了这种装置。

1707 年帕潘曾用他的蒸汽机开动了一条模型船。这些先驱者们的大胆尝试都为蒸汽机的实用化提供了重要的技术准备。然而，在当时还没有出现大规模使用蒸汽动力的需求，所以不论多么杰出的发明还不能走向实用，成为现实的技术。

1. 世纪末，由于英国矿业深受矿井积水之害，排水问题已成为矿山生产的关键。英国的军事工程师萨弗里最先攻克了这一难题。

1698 年，他发明了第一台可以实际应用的蒸汽泵——被称为“矿山之友”的蒸汽抽水机。

其工作原理是：在容器中通入高压蒸汽，再使蒸汽在容器内冷凝，利用形成的真空把矿井中的水经吸管抽到容器中。不过，这种泵由于热损失太大， 扬程也不能超过 10 米，并常有爆炸的危险，没能推广。

英国人纽可门首次制造出基本可实用的蒸汽机。他的蒸汽机于 1705 年获得专利，这种机器是利用蒸汽把装在竖直气缸里的活塞推上去，接着冷却汽缸使蒸气凝结，再由大气压把活塞推下来。如果从它的作用原理上讲，这种蒸汽机叫大气压发动机更合适。

这种蒸汽机在一分钟内活塞只不过往返约 10 次，不久即被广泛用于矿山抽水。因为这个时期，在英国用于燃料、工业、造船的木材严重短缺，对煤的需求急剧增加。

此时，蒸汽机已成为动力机，它与工作机已完全分开。纽可门蒸汽机的效率比用马来提水提高 3 倍，而成本还不到马提水的 1/3。不久，在德、法各国也都采用了此机器。

继纽可门之后，对蒸汽机作出重大改进的是瓦特。

瓦特（1736—1819）是英国发明家、工程师，1736 年 1 月 19 日生于英格兰格拉斯哥附近的格林诺克。他未受过正规教育。18 岁时到伦敦一家钟表店当学徒。由于刻苦勤奋，他很快掌握了各种机器的制造技术。1756 年瓦特被聘为格拉斯哥大学的机器制造和仪器修理工人。

1761 年他开始热心于蒸汽机的改进实验工作，终于取得成功。

瓦特进入格拉斯哥大学工作后，有机会接触到早期的纽可门蒸汽机。纽可门机是一种笨重、低效、不太实用的蒸汽机。瓦特决心对它进行改造。

1763 年瓦特对纽可门机的研究取得了重大突破，他总结了提高蒸汽机效

率的关键环节，并于 1765 年成功地发明了冷凝器。此后瓦特开始与工厂主罗巴克合作，专门从事蒸汽机的实验和生产。

1769 年，他申请了关于制造蒸汽机的第一个专利。1775 年罗巴克破产后，瓦特又与博耳顿合作在伯明翰开设了专门生产蒸汽机的公司。

1781 年瓦特又发明了蒸汽机的双动作，并发明了利用曲柄把直线运动变成转动的方法，同时取得了第二个专利。1782 年瓦特又利用飞轮解决了转动的稳定性问题，取得了第三个专利。1784 年他又获得了第四个专利，同时建议蒸汽机可以应用于生产中。

纽可门是世界上最早的大规模地把热能转变成机械能蒸汽机的创造者。1712 年纽可门蒸汽机在英国开始应用，1720 年开始传到外国。

斯米顿对纽可门蒸汽机进行了系统的研究和使用调查，并进行了 130 余次实验，以创制自己的蒸汽机，但没有提出新的理论。

瓦特总结了前人的经验，在研究纽可门蒸汽机的基础上发展了新的理论，制成了高效实用的新动力。他的一系列创造性的研究成果，为蒸汽机的发展奠定了丰富的理论和实践基础。

1785 年，第一批新设计的蒸汽机交付纺纱厂使用，从此 1 万只纱锭通过蒸汽机的带动可同时运转。工厂由于不再受水力的限制而可以在任何地点修建了。

到 1880 年瓦特专利失效以后，无数生产蒸汽机的工厂纷纷建立，蒸汽机已被广泛应用于采矿、冶金、机械、酿酒、磨粉、造纸、制革等工业部门， 并促进了新的行业出现。瓦特被英国人尊为本国的伟大人物之一。

任何一项技术上的发明和应用都不是孤立的事件，都必须有一系列其他的发明来支持。纺织技术上的新发明曾导致纺纱与织布之间生产率的不平衡，工作机的发明暴露了工作机与动力机的不协调，工作机与动力机的发明和应用又造成了它们与机械加工技术之间的矛盾。

蒸汽机确实比水车更强有力，但是它必须使用更坚固的金属材料，其各个部分零件必须尽可能按准确的尺寸加工，而为了输出更大的功率各个部件还必须有足够的强度，这些原因使它制造起来相当困难。

如纽可门在加工他的蒸汽机时，汽缸为 710 毫米的内径误差达 13 毫米。为了制造性能良好的机器，必须有可靠的制造机器的机床。只有当能够用机器生产机器时，大工业才能获得坚实的技术基础并找到自己的立足点。

在纺织机和蒸汽机的发明和应用之后，陆续出现了一批专门从事制造和

修理机器的工厂。从 18 世纪到 19 世纪，由于许多机器技术的发明家和制造家的努力，机械加工技术有了很大的变化。

机床发展史上最伟大的创造，是英国机械师莫兹利 1794 年发明的移动刀

架，以及 1797 年制成的带有移动刀架和导轨系统的车床。

在车床上安置刀架代替人手夹持刀具，并使其按照导轨所给运动，可以比人手握持刀具更方便、迅速和准确地加工机器零件，实行机械加工机械化。有人认为移动刀架的发明对机器的影响不亚于瓦特对蒸汽机的改良。

从 19 世纪初到 40 年代，不仅有大型的炮筒镗床、刨床、各种精密车床， 而且有了多刀切削的铣床和刀具作垂直运动的插床等一大批工作母机。

上面介绍的是英国近代工业革命的序幕，工业革命不仅造成了生产力的高速发展，而且也创造了崭新的机器体系，以及崭新的社会文化。

英国作为世界上第一个工业化国家，引起了欧洲各国的瞩目，他们派人参观，引进技术，聘请英国专家和技术工人协办本国工业。从 1750 年到 1850

年 100 年的时间内，比利时、瑞士、德国、法国和美国等都发生了工业革命。

工业革命在英国轰轰烈烈发展的同时，法国也于 1789 年进行了工业革命。1789 年资产阶级领导的法国大革命为工业革命提供了政治条件。从此， 各种工业得以迅速发展，机械纺织厂陆续建起，英国的先进技术得以引进和应用。

法国的技术发明也受到重视和推广。1810 年，加卡发明了提花织布机。1839 年机械师蒂蒙尼埃发明了缝纫机，首先在城市中建立了服装工业。

拿破仑一度实行的大陆封锁政策，不仅影响了法国的经济发展，也阻碍了技术的转移和交流。法国的工业化打破了这种封锁，在本国首先创立了综合技术学校，曾被拿破仑称为“下金蛋的母鸡”，它为法国培养了一批科学家，也培养了大量的工程师。

德国是在 1810 年以后，在外力推动下，经过上下改革，在极端落后的国家中首先进行了工业革命。

德国首先从英国引进了纺纱机、蒸汽机，从法国引进了穿孔提花织机， 带动了工业技术迅猛发展。德国人在采煤、钢铁、精密机器制造和化工等方面都有自己的方法，并取得了后来居上的地位。

克虏伯首先在埃森建立钢厂，并于 1815 年生产出铸钢，发展为欧洲最大的军火企业——克虏伯公司。1837 年，龙格从煤焦油中获得了苯胺和苯酚， 使染料工业问世。德国在工程教育方面积极投资，创办了各种工程学校和高等工业学院，积极促进科学和工程、研究与企业的合作。

美国在同时也进行了工业革命。在美国独立以前，它作为英国的殖民地被禁止不许建立任何工业。1789—1815 年欧洲频繁的战争使英国无暇顾及美国，这为美国的工业革命创造了机会。

1793 年，美国人惠特尼发明了轧花机，1831 年，麦考密克发明了收割机。

1845 年，哈威发明了第一架实用的缝纫机。美国人在枪支生产上也有较大贡献，1846 年，柯尔特和洛特生产出连发式手枪，引起了全世界的瞩目。

总之，各国根据不同的社会条件和技术基础，都在本国进行了工业革命。在工业革命发展中，每个国家都吸收了别国的新发明、新技术，又在自己基础上完成了自己的革新和创造，为别国使用。工业革命冲破了阻止技术交流的障碍，开始了世界技术大转移。

1. 世纪的技术发展，主要表现在工作机、动力机和机器系统方面的新发

明，并开始在工业生产中应用。工业革命的发展，逐渐形成了机器——蒸汽时代的技术体系。

在 19 世纪之前，工业革命的经济效益和社会作用还没有完全显现出来。在英国，蒸汽机虽已应用，主要动力还是水力、畜力和人力。蒸汽机在开始应用时还不够完善。甚至时有爆炸事故发生。

蒸汽动力技术经过长时期的完善和改革已经逐渐成熟。蒸汽机经过瓦特的改进已成为可以普遍应用的动力机，效率为 3％。1800 年，美国的伊万斯发明了高压蒸汽机。1812 年，俄国的季特维诺夫制成了水管锅炉，使锅炉技术也获得了重大改进。

在许多工厂、矿山都利用一台或少量蒸汽机带动许多工作机运转。需要动力的地方就可以通过天轴、皮带等把蒸汽动力传送给许多工作机工作。

蒸汽动力不仅推动了工业的机械化进程，也促进了燃料、采矿业、机器制造业、钢铁冶炼业和交通运输业的发展。蒸汽动力技术是近代工业技术的主导和核心。

交通运输是社会生产和交往的必要条件。在封建社会里，除了海上运输需要较大的船只，运输工具的作用还没显出。

随着工业革命的兴起，世界贸易的发展和国际市场的开拓，各种原料进出口的运输已成为当时必须解决的问题。直到 19 世纪初期，水陆运输工具仍用古老的帆船和马车，这种工具不仅载重量小，而且速度也慢。

落后的交通工具已成为迅速发展的工业大生产的障碍，崭新的社会需要更新运输工具，导致了蒸汽机车和蒸汽轮船的发明和应用。

1. 世纪 80 年代，英国开始把木轨改为铁轨，出现了马车铁轨，马拉四轮车在铁轨上行走，提高了运输效率。同时，有人设想用蒸汽机作动力代替马的拉力，瓦特在他的专利说明书中也设计了用蒸汽机推动车辆的略图。

1787 年，英国的默多克曾设计并制造了无轨火车。1802 年，特里维西克在发明了高压蒸汽机后，也制造了蒸汽机车。但这些机车仍在普通路面上行驶，时速仅为 8 公里，未获应用。

1814 年，英国煤矿工人出身的史蒂芬终于造出了可实用的蒸汽机车，并解决了火车易于脱轨的技术问题。1825 年，由他负责勘测和兴建的铁路正式通车。史蒂芬驾驶着由他设计和指导制造的“旅行号”机车，成功地到达了目的地。

由于许多人对火车的运行安全有顾虑，又由于马车运输公司和帆船运输公司出于竞争的坚决反对，蒸汽机车仍处于试验阶段。1829 年，英国举行了蒸汽机车比赛，史蒂芬驾驶他的“火箭号”机车，以每小时 22 公里时速，牵

引 17 吨货物，安全行驶了 112.6 公里的成绩荣获第一。从此，火车才正式使用。首先在英国出现的铁路建设热蔓延到欧美各国，从而开辟了陆上运输的新纪元。

与蒸汽机实用化同时，轮船运输也实用化了。蒸汽机的早期发明者巴本在 1690 年就提出有桨轮的蒸汽动力船的设想。萨弗里也认为蒸汽机对推动船可能有用。

第一艘实用的轮船是由美国发明家富尔顿发明的。1807 年，富尔顿等人建造的“克勒蒙特”号汽船首航成功，标志着动力船代替帆船的开始。

1819 年，兼有帆船和蒸汽动力船的“萨凡纳”号轮船满载棉花，横渡大

西洋，用 26 天时间走完了帆船用 70 天走完的路程。1838 年，英国轮船“天

狼星”号和“大西方”号完全依靠蒸汽动力横渡大西洋取得了成功。

火车、轮船的应用和普及，给社会经济发展带来了巨大进步。过去由于运输工具的落后而积压的燃料、砂石、工业原料、农产品等都可以远销它地。轮船、火车的高速度标志着工业革命的新开端。

工业革命开始了科学和工业以技术为中介的结合，它为科学技术的发展和应用开辟了崭新的道路。18 世纪中叶以前，科学技术活动基本上是靠个别的学者和工匠分散进行的。在工业革命中，科学技术团体在资本家的赞助下纷纷建立。

最早出现的科学团体是 1766 年在英国伯明翰建立的太阴学会。这个学会是由博尔顿发起的，成员包括一些工厂主和一批科学家、发明家，其中有瓦特、默多克、普列斯特利等。他们在月圆之夜，讨论本区的工艺技术和科技问题。

1781 年，在英国又成立了曼彻斯特学会，也是由工业家和科学家组成的

地方性科技团体。到 19 世纪末，在英国已有 100 多个科学社团。

在 1799—1815 年间，美国总统杰弗逊亲自担任包括农艺、医学、天文等学科的美国哲学学会会长，并为科研拨发基金，使美国的科技活动带有“官方”的特点。

1. 世纪，在美国共建立了 400 多个科技团体。科技社团的建立，大大地促进了科技的交流和发展，并使科技研究从个体研究进展到团体研究时代。顺便提一下，在太阴学会成员中，普里斯特利就电现象进行了实验，写

出了论著。1767 年，他根据实验提出了电力的反平方定律。他还受到富兰克林的启发，让中空的金属箱带电，亲自进入箱内，从而确证内部不存在电力作用。

在曼彻斯特学会中，道耳顿是近代原子论的创立人。他的原子论是在该学会中的会议席上首次发表的。

在英国，由工业革命所创造的环境，大大加速了物理学各个领域的发展。但在那些学会中，中坚力量都是业余爱好者，他们的研究都是实用的，对问题的研究着眼于经验。

与此相反，从 18 世纪到 19 世纪，被看作理论科学的物理学，它的多方面发展的动力则是来自法国。

在法国，工业革命姗姗来迟，作为这次革命的成果，建立了与科技发展有关的制度，即米制的制订和专门的科技教育机构的设立。

在 1789 年法国革命之前，要求统一因地而异的度量衡的呼声很高。这种统一，必须有政府出面才有可能。1790 年 5 月，立宪议会作出统一度量衡的决议，科学院指令把巴黎秒摆的长度选作单位制成标准尺。

1794 年，政府出面，组织了科学技术的教育和研究机构。从 1792 年起， 法国与欧洲各国兵戎相见的必须品——火药、大炮、粮食严重匮乏。面对这些危机，科学家做出了应有的贡献。他们研究了炮身的铸造方法和钻孔方法， 发明了从堆肥中提取火药原料硝酸钾的方法。

1794 年法国建立了中央公共事业学校，第二年 9 月改为综合工科学校， 沿用至今。当时，蒙热、拉格朗日等一流的科学家担任了该校教授，不久， 安培、傅立叶等人也加入了教授行列。法国 19 世纪的科学家几乎都是该校的毕业生，由于这些人的积极活动，19 世纪前半期的科技主导权掌握在法国人手里。

19 世纪后半期，科学的主导权转移到德国。在此时，作为科学中心的大学作出了很大贡献。

1810 年柏林大学的创立是德国的一个丰硕成果。柏林大学体现古典的大学形象，它坚持这样的方针：大学应为综合性大学，大学应该培养为科学而科学的接班人。

从 19 世纪中叶起，德国在科学上开始崭露头角，国家有意识地使科学和技术相结合。同时，国家和大企业又创办了大规模的科学研究机构，这些机构和大学相互有利，使德国在一切科学领域上，把握了主导权。

在英国的工业革命中，从蒸汽机这样一个典型例子可以看出，新的技术都是从实践家成功的经验和失败的教训中产生的。

19 世纪后半期，由于电力工业和化学工业的兴起，技术上的发明和发展才可能以科学研究为前提。从发展趋势看，有计划地培养具有科学素养的技术专家势在必行。还是德国站在前头，在全国各地建起了工科大学。到 1884 年，形势发展要求把物理学作为技术研究的基础，为此德国设立了国立物理技术研究所。该所第一任所长是物理学家亥姆霍兹。

与法国和德国的发展相比，19 世纪中叶以后，英国的科学教育和研究机构显著落后。为了改变这种状况、英国在伦敦设立了大不列颠皇家科学研究院，在这里，戴维（1778—1829）和法拉第（1791—1867）取得了重大的研究成果。

1874 年，由贵族卡文迪许捐赠，在剑桥建立了物理学实验室。它被命名

为卡文迪许研究所，麦克斯韦被任命为第一任所长。从 19 世纪末到 20 世纪初，该研究所被视为原子物理学、核物理学的发源地，吸引了全世界的物理学家。

自 18 世纪末以来，大约 100 多年间所发生的主要变化是：科学教育和科学研究在大学中牢牢扎根，官方设立了研究所，科学家以教学和研究为职业， 并以此为生。国家已开始资助科学研究，科学研究也成为一种职业。

1. 世纪完成了经典力学和经典天文学，为人们指明了近代科学所遵循的正确道路。在实践中人们得出这样一个经验：一旦得到普遍性的定律，通过数学方法可以解释其他现象。

例如法国物理学家、工程师库仑（1736—1806），曾参与子弹性体的研究，根据自己的研究结果发明了扭秤。库仑用扭秤确立了电引力、磁引力二者都服从反平方定律。

库仑在 1785—1789 年间进行的研究，不仅是精密测量和数学解析相结合的典范，而且作为其结果的反平方定律为电磁学奠定了定量的基础，迅速推进了这个领域的数学化。

在工业革命中，从蒸汽机把大量的热转化为功开始，热运动学在科学的基础上复活了。到 18 世纪末，美国的物理学家伦福德开始从事火药性能的研究，他还亲任巴伐利亚公国的军事大臣，监督慕尼黑兵工厂。以镗炮筒作业时产生大量的热这个极其实际的问题为转机，他终于提出了热运动说。

热运动说首先由英国的戴维从实验上加以发展，作为其发展的结果，在19 世纪 20 年代开始了气体运动论的尝试。在当时的热运动说中，对于物质的微小部分分子的热运动来说，不是分子在空间杂乱无章的运动，而是在一定位置上的振动或脉动。

人们想象，气体的弹性是由分子自身具有的弹性而引起的。伯努利曾认

为，气体分子只有在空间中平动时才产生气体的弹性，由于这种想法而引出的气体运动论终于在 19 世纪 20 年代以后出现了。

1. 世纪物理学确立的最基本的和高度概括的原理是能量守恒定律，它的一部分以机械能守恒的形式表现出来，18 世纪末的力学已经证明了这一点。焦耳从电流产生热的研究中确信电流和热的同等性，接着通过电磁感应

转向定量地证明力学上的功和热的同等性。为此，他从 1840 年一直到 1849

年进行了实验研究，到 1878 年以前，他还反复作了多次实验。

焦耳也是加入曼彻斯特文学科学协会的一位酿造业者，其研究的动机是电磁发动机的实用化和效率的提高。焦耳出于对实际问题的关心，彻底进行了实验研究。

作为蒸汽机的发展和应用，前面已作了介绍，由于蒸汽机发展和应用的局限性，蒸汽机又发展为内燃机和外燃机。

1794 年，英国人斯特列斯提出了燃气发动机的设想，试图以松节油或柏油为燃料与空气混合送入汽缸燃烧，第一次提出了将燃料与空气混合作为内燃机能源的原理。

1799 年，法国工程师勒蓬又提出了以煤气为燃料与空气混合，并用电火花点火的内燃机的设想。这些设想都未实现。1820 年，塞西尔发明的以煤气为燃料的煤气机，在实验室里初次成功。

最早的商品化内燃机，是由法国的雷诺发明的。1860 年，雷诺制成了一台二冲程、无压缩、电点火的煤气机。它与二冲程卧式蒸汽机十分相像，但却用煤气在缸内的燃烧代替了从外部通入的蒸汽。

雷诺的内燃机效率仍然很低，只有 4％，但它可以平稳地运转了。由于它没有锅炉、燃烧器和煤仓，无需加热就能把机器发动，作为小型发动机很受欢迎。

1860 年，德国的报纸报道了雷诺的发明，并预言内燃机将取代蒸汽机。德国的发明家、工程师奥托（1832—1891）在一个小车间内制成了德国第一台煤气机。虽然它的功率只有半马力，但工作性能良好。1864 年，他与欧根·朗

根合伙创办了奥托公司，世界上第一家专门生产内燃机的工厂由此诞生。 内燃机的进一步发展，有赖于科学的指导。蒸汽机的发展促进了热力学

的研究。现在，热力学理论又应用于内燃机的改进。

1862 年，法国工程师德·罗沙斯发表了一本小册子，提出根据热力学理论的研究可以制造高效率内燃机的理想操作循环，即等容燃烧四冲程循环原理。

1872 年，奥托为发展小型内燃机生产又创立了多伊茨煤气发动机厂，并聘用了曾在英国、比利时和法国工作过的工程师戴姆勒。奥托与朗根、戴姆勒共同合作，在罗沙斯四冲程循环原理的指导下，于 1876 年制成了第一台四冲程卧式煤气机。这种发动机被称为奥托机而载入史册。

19 世纪 60 年代，欧洲市场上已有石油供应。这使内燃机的制造者们开始考虑用这种液体代替煤气。1864 年，马尔库斯在维也纳获得了一次把汽油、空气混合体用于内燃机以驱动车辆的专利。

1882 年，戴姆勒离开多伊茨煤气发动机厂，迁居于斯图加特并开设了自

己的工厂。他与迈巴赫合作研究一种空气冷却式高速汽油发动机，于 1883

年制造成功。用汽油作燃料，内燃机可更小型化，转速也从煤气机的 200 转/

分提高到 900 转/分，达到了可驱动车辆的程度。

在煤气机、汽油机相继问世之后，许多人又探索用石油的重油成份作燃料。1885 年在英国出现了煤油机。燃烧重油的技术问题是由德国的机械工程师狄塞尔解决的，他于 1892 年发明了一种压燃点火式柴油发动机。

狄塞尔在《一种合理热机的理论与制造》中阐述了这种内燃机的工作原理：它不是先把燃料和空气混合再从外部将其引燃，而是先将汽缸里的空气压缩使其升温，再向汽缸里喷入燃料，不用点火就能燃烧起来。狄塞尔经过多年努力，于 1897 年制成了柴油发动机。

由于柴油机所使用的柴油比汽油便宜，输出功率又大，因而柴油机也获得了广泛应用并成为内燃机发展史上又一起点。最初柴油机作为固定式发动机用发电厂，1903 年起，柴油机又被用作船舶、潜艇、机车的动力，发挥了它重型内燃机的作用。

上述各种内燃机和蒸汽机一样，都是往复式活塞发动机。19 世纪人们开始对转动式发动机进行探索，由此出现了燃气轮机和汽轮机。

转动式发动机的设想出现得很早，如我国古代的走马灯，罗马古代的烟风车等，都是燃气涡轮的雏形。燃气轮机是一种用燃气推动涡轮而产生旋转运动的动力装置。

在蒸汽机迅速发展的基础上，有人提出了汽轮机的设想，即利用高压蒸汽直接推动涡轮叶片以产生旋转运动。它的优点是可以利用低热值燃料，能连续平稳作功，并能提供更大的功率，且结构简单，热效率高。

到 19 世纪 80 年代中期，出现了大型发电站，对于强大动力的需要，设计并制造大功率汽轮机势在必行，首先完成这一任务的是英国发明家帕森斯。

1884 年，帕森斯为驱动自己设计的高速发电机，制成了多级反作用式汽轮机。1897 年，帕森斯建造了世界上第一台用汽轮机驱动的轮船“达比尼亚号”，船速达 64 公里/时。这说明汽轮机是一种可以提供大功率并能连续驱动的新型动力装置。

自从奥托汽油机和狄塞尔柴油机出现后，内燃机很快就在各个领域得到了广泛应用。它的一项重要应用，就是导致了汽车的发明和制造。汽车制造业由此迅速兴起并成为 20 世纪最重要的工业部门之一。

戴姆勒不仅是汽油机的发明者，而且也是第一个认识到迫切为交通部门制造动力车的人。1885 年，他把一台轻便的单缸汽油发动机装在自行车上， 制成了第一辆摩托车。1886 年，他制成了用 1.5 马力汽油机驱动的木制轻便游览车，外形似汽车。

此外，德国发明家本茨发明了三轮汽车。1890 年本茨采用差动传动装置和水循环冷却系统生产了四轮汽车。1893 年，这种汽车已批量生产。

轮胎充气的发明，对于汽车发展具有重要意义。1839 年，英国人古德伊尔把巴西的天然橡胶与硫磺混合起来，发明橡胶的硫化法。因此，在美、英等国出现了第一批橡胶工业。

1845 年，汤姆森在爱丁堡获得带有气阀和外胎的车轮轮胎专利。1888

年，博伊德·邓禄普获得充气轮胎的专利权并首先用到自行车上，到 19 世纪末又开始广泛用于汽车制造。

德国由于天然橡胶资源缺乏，20 世纪 20 年代开始研究合成橡胶。随着汽车的制造，其附属工业技术也得到发展。如电磁点火装置、起动器、车灯、喇叭等制造技术，钢铁的轧制技术及玻璃制造等其他配套技术。

迅速飞驶的汽车逐渐代替马车，成为城市的主要交通工具。汽车的普遍应用，不仅改变了城市的交通面貌，而且促进了公路网的兴建、道路和桥梁的建筑，因而使国与国之间、城市之间、城乡之间联系更为加强，农村的闭塞状况也得以消除。

内燃机的发明还使铁路运输的状况得以改善。当内燃机被用于铁路后， 内燃机逐渐取代了蒸汽机。帝国主义国家为了侵略扩张，竭力发展与备战有关的科学研究工作。1903 年 12 月 17 日，人类进入了航空时代。美国人赖特兄弟发明了内燃机为动力的世界上第一架飞机，并试飞成功。

1870 年以后，帝国主义为了侵略扩张，非常重视军事技术的发展。人们

先后发明了炮筒和枪筒内的来复线，使命中率提高 5 倍。

原先人们发明的枪炮膛内是光溜溜的，从这种滑膛枪炮打出去的弹丸， 往往在空中翻筋斗，这就影响射击的准确性。

枪炮传到西方以后，到了近代，欧洲枪炮专家想出一个防止弹丸在空中翻筋斗的巧妙方法。那就是在枪炮膛内刻出螺旋线，称为“来复线”。这样， 枪炮膛就成了“螺母”，而弹丸成了“螺丝”。射击时，弹丸在膛内旋转前进。出了枪炮口，旋转惯性使弹丸一边飞行一边旋转，保证弹丸总是头朝前、尾朝后，射击的准确性就提高了。

同时，他们又发明了机关枪和各种新的炸药和武器，还制成装有内燃机和无线电设备的巨大军舰和潜水艇。

内燃机特别是柴油机发明以后，很快变为农业生产的动力，从而促进了农业技术的发展。在内燃机发明以前出现的许多农业机械，由于有了内燃机这个新动力而迅速获得推广应用。

以内燃机为动力的拖拉机的出现，彻底改变了农业生产状况。1910 年， 拖拉机已批量生产，促进了农用机具的进一步发明和改进。在美国，从 1890

年到 1930 年，农业机械增长了 6 倍多，同时，劳动生产率也增加了 4 倍。内燃机的发明和应用，促进了汽车工业的发展。19 世纪末，美国的福特

看到了汽车对交通工具变革的巨大意义，他坚信只有大量生产简便而结实的汽车才能降低价格，而价格低又能促进人们的购买力，反过来又可以增加生产量。

1903 年，福特在底特律创立了福特汽车公司，1908 年开始生产 T 型汽车，同时建立了大批量生产的方式。过去装配汽车的方法是全组人员围着车架工作，而零件要靠拖车或载重汽车从别的车间运来，很费时间。

福特改变了这种大批量生产的传统方式，把工作分成最简单的基本单元，让工人在装配线两侧只做某一种作业，从而大大提高了生产率。

这种作业大大降低了汽车价格，使汽车成为大众化的消费品。从小批量生产转入大批量生产，是生产方式的一次重大改革，它很快就在世界各地得到普遍推广，这种生产不仅在汽车工厂，在其他行业都得到普及。

从 19 世纪中叶到 20 世纪初，是技术体系结构发生革命性变革的时期。钢铁技术的发展，不仅适应于已有技术对材料的需要，而且为新技术体系的形成提供了基础。

1713—1735 年，达比父子发明的焦炭炼铁方法使炼铁技术有了重大进

步。相比之下，炼钢技术明显落后了。在 19 世纪中叶以前，炼钢方法主要有

两种：一是英国在 18 世纪初用的渗碳方法，把低含碳量的熟铁放在木炭上加热，使其含碳量增高，生产出“泡钢”；二是英国人亨茨曼发明的坩锅法，

用煤气作燃料，在坩锅中把铁炼成钢，称为“铸钢”。

第一种方法周期很长，生产一炉“泡钢”约十几天时间，后一种方法产量有限，一次产量不过几十公斤。

在 19 世纪中叶以前，钢是一种特殊产品，价格为铁的 5 倍。但是，社会对钢的需求量却在日益增加。

值得一提的是 1830 年以后，欧美各国兴起了修筑铁路的热潮。这样，对

钢的需求更加突出。在这种迫切需求下，新的炼钢法在 19 世纪下半叶出现了。

1847 年，美国匹兹堡的糖锅制造者凯利在自己办的铁工厂里，实验了一种新的炼钢方法，即所谓空气沸腾法。

其方法是给炼钢炉中的铁水吹入空气，这样可以除去铸铁中所含的碳， 并由于铁水中碳的快燃而获得高温，这样就可以在不加燃料的情况下把铁炼成钢。

当凯利对自己的发明严加保密时，英国人贝塞麦也几乎在同时发明了相同的方法，并立即于 1855 年取得了美国专利。

凯利直到 1856 年才提出申请专利。两个几乎在同时作出同样的发明，在技术史上并不少见，这表明技术发明出现的必然性。

使贝塞麦研究新的炼钢方法的直接动机是为了研制新式枪炮的需要。 在英、法支持土耳其同俄国进行克里米亚战争期间，贝塞麦在枪筒内部

加了来复线，提高了步枪射程和命中率。但要将这项发明用于大炮，在炮筒内加来复线必须使炮弹与炮筒配合得十分严密，而这种严密配合使炮弹出膛前一直保持高压，若用原来的铸铁作为炮筒则可能使炮筒被炸裂。

为此就必须炼制一种能耐受高压的铁。贝塞麦在实验中发现强化鼓风既可以提高炉温，又可以减少铁水中的杂质和含碳量。他经过反复实验，终于取得了预期的结果。

贝塞麦在总结他的发明时说：比起许多研究同样问题的人，我有一个极大的有利条件，那就是我没被长期既定的惯例所形成的观念束缚思想，造成偏见。

不为传统观念所束缚，正是一切发明家取得成功的共同要素。后来，贝塞麦的炼钢法又经过许多人的改进而日趋成熟。

任何技术发明的适用范围总是有限的。当贝塞麦的转炉炼钢法迅速推广时，许多应用此法炼钢的企业却发现炼出的钢质太脆，由此引起了一场对贝塞麦的攻击。

经过认真研究，贝塞麦发现凡是出现上述毛病的转炉，所使用的都是含磷、硫较高的矿石，由于铁水中磷成份过高而使钢变脆。

转炉炼钢法的应用，使钢产量激增。钢的大量使用又产生了大量工业废钢。转炉只能利用铁水作原料来炼钢，而要把废钢再炼成新钢，又是一个技术难题。

1864 年，法国人马丁改造了炉体结构，在英国籍德国人西门子兄弟的帮助下，终于用废铁和生铁合金试炼出了优质钢，创造了西门子—马丁平炉炼钢法。

尽管平炉法冶炼时间较长，一般约 24 小时左右，但它的炉容很大，一炉便可炼出上百吨钢水，所以产量很高。因而它也得到迅速推广，且与转炉炼钢法并驾齐驱。

随着钢铁冶炼技术的发展，钢铁加工技术也迅速发展起来了。轧机作为主要加工钢铁的设备而不断更新，相继出现了三段轧辊、四段轧辊和万能轧机。

就像纺纱与织布技术相互影响一样，炼铁与炼钢技术从 19 世纪中叶开始也相互促进，形成了高炉、平炉、转炉、铸钢、轧钢的产业技术系统，并日益完善。

19 世纪中叶以后，钢材在许多方面代替了铁，成为工业的重要支柱，开

创了材料工业的钢铁时代，以至进入 20 世纪以后，人们把钢铁拥有量作为国家经济军事实力的重要标志。

通过以上分析可以看出，工业革命推动了技术进步，科学技术反过来又推动社会的发展。一方面大工业生产提出了许多自然科学研究的课题，并为解决这些课题提供了大量的可供研究的资料。另一方面，大工业生产又为科学实验活动的开展提供了大量的先进仪器和设备。一大批“智慧工具”随着工业革命的发展被发明和制造出来。

各种精密仪器的出现，推动了 19 世纪科学实验活动的发展。如精密天平、光谱分析、精密显微镜、电流计、电压计等，这些科学仪器都是科学和大工业的产物。有了这些仪器，加快了物理进程。欲知后事如何，且听下回分解。