书城科普人类的创举(科学知识大课堂)
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第17章 发明简史(16)

世界上第一颗人造地球卫星“斯普涅克1”号于1957年10月4日进入轨道。这是前苏联人的骄傲。美国国家航空和航天局直到1960年8月12日才发射了自己的第一颗通信卫星“回声-1”号。这实际只是一个直径30米的大气球,表面镀铝,只能反射地面电磁信号,而没有放大和指向作用。因受陨石撞击,“回声-1”号不久便爆毁。美国第一颗真正具有实用价值的民用通信卫星,是美国国家航空和航天局于1962年7月10日为美国电话电报公司发射的“电星”号。它造价100万美元,可在美国缅因州东部的安多佛地面站和设在英国贡希利镇及法国菲尼斯太尔省普勒默——博多的欧洲站之间,传送多路电话通信和电视图像。——所应注意的是,通信卫星的理论是英国工程师阿瑟·C·克拉克在1945年公诸于世的。

而从60年代,通信卫星技术一日千里,也就逐渐取代了微波中继站,有电视的家庭开始拆掉房顶上的线状天线,而换上“锅口”朝天的抛物面天线。我们现在的闭路电视信号就是这种“锅式”天线从卫星上接收下来的。同时,通过卫星还促进了电话自身的许多改进。以后的无线电话开始利用卫星来实现全球性通信联系,各式移动电话也借此而得到飞速发展。

从人们对电子和电信技术的消费上看,20世纪50年代时,人们对收音机情有独钟,六七十年代又青睐电视。但是这些音频和视频娱乐都是由电台和电视台安排的,用户没有太多的选择消费的自由。电视唱片、唱机和录像机的出现,虽给人们提供了较大的选择余地;视频玩具、电子象棋等也增加了人们不少乐趣。但人们还是不满足,还是要求获得更多的信息,要求分享更多更宝贵的信息资源,希望能与其他人进行可视的对话,——可视电话,或电视电话已成为人们的一种更高的需要。与此相应,90年代就出现了电话与电视联姻的产物,一种既可听到对方声音,又可看到对方形象、以至说话时的神态表情的多功能视听电话。如果这种电话普及开来,就果真是“天涯若比邻”了。不管你在地球的任何地方与自己的亲友、同事通话,都会像面对面地交谈一样,得到亲见亲谈的效果。

近些年来,美国电话电报公司还发明了一种要求人们必须忘记拨号、响铃、讲话和听话等概念的新型电话,并努力使它成为家庭通讯系统的基石。适应那些父母双方都上班、孩子上学、家里无人的家庭需要,一种具有应急和遥控特点的电话被生产出来。它装有防火报警装置或急救寻呼设备。自动探测电话可监视室内温度、音响和电器设备,甚至还可自动开关室内各种电器或电控阀门等。这种电话也在得到发展:它能甄别打入电话的声音,使人们从远处呼叫自己的电话以进行某种操作,如关闭电炉等,安装在门上的麦克风将声音送入电话机,经识别后,它就会启动一个机械装置将门打开。现在有些可视电话正在成为一种计算机终端,人们利用它能够显示银行结余和购物指南,能够与自己所要通话的对象自由地交谈。电话正在与电视、微机等通过通信电路或卫星与各种信息中心、数据库、商店银行及其他公共服务部门连接成一个信息网络,开展各种电信业务。

越来越小的“地球村”

的确,目前人们使用最多、最广的电信设备就是电话。单纯的传音电话确实拉近了人们的距离,将地球缩小成一个“村庄”,而同时既传音又传图像的电话就会使地球上的人们如同在一个屋子里面对面亲切谈话一样,将“地球村”变成一个“地球家”。

发展真是太令人惊叹了!电话系统在短短100多年时间里,经历了由最原始的磁石式、步进式、纵横式到程控电话交换、全数字电话交换以至当今综合业务数字网交换、异步传输模式的发展。

在综合业务数字通信网中,一条用户线,可以同时将电话、传真、图像、数据等综合地交换、传送。我国及世界各国都在积极开发这种通信网,它在现在电话网的基础上,充分利用先进的数字化通信技术,采用光纤通信、卫星通信及程控数字交换机等,建立起一个全数字化的综合业务网。

光纤通信技术正在成为远距离大容量通信的主角。我们知道,光实际是一种频率极高、波长极短的电磁波,只要适当调制,就可像一般的电磁波一样传送出去。光的频率在2×1014赫兹~5×1014赫兹之间,几乎可以把无限数量的通话调制到一根光纤的频带宽度内,从而极大地增加通信容量。光纤通信的许多优点,如信息最大、传送距离远、体积小、重量轻、保密性强等,吸引着人们利用光纤组成的光缆而不是电缆来建立综合业务数字网。

其实,贝尔在发明电话后,又于1880年发明了一种“光电话”。它用一束聚焦的光线落到一块平面镜上,声音使镜振动而偏转,使反射出的光线随之改变方向,再落到一块硒光电器件上,从而产生正比于声强的电流,推动音响装置将声音复制出来。但因为技术上的巨大困难,贝尔最终放弃了“光电话”。但类似的光电话至少在二战中的军舰或商船都普遍应用过。经过多年技术上的攻关,美国贝尔系统(贝尔电话实验室和西方电气公司)于1976年在亚特兰大进行了多次数字光纤电话通信试验。现在,美国、日本的海底和陆地光缆网络已经形成,并可实现声音、文字、数据和图像的综合处理,而且比起电缆通信来要经济实惠得多。光纤通信的巨大潜力正在通过综合业务数字网不断展示出来。

国际互联网(Internet)最初起源于冷战时期,美国国防部一级计划局的计算机网络即ARPANET,后来又出现了美国科学基金会的NSFNET、美国宇航局和能源部的NSINET。同时,日本、欧洲等也积极发展本地网络。中国在八九十年代之交也建立了自己的网络(叫CHINANET)。逐渐地在此基础上互联形成了一个全球性广域网络,即INTERNET(又叫因特网)。在因特网上,实现了全球信息资源的共享。到1998年,因特网的用户数量已超过1亿。在中国,因特网也正在成为继电话、电视之后的第三大公共系统,人们用它可以访问远程电脑、收发电子信件、进行电子购物、实行电子会议等,用它可以搜索到上万个世界大图书馆和资料库的巨大信息。既然它与电话网密不可分,那么在电脑终端具备电话功能之后,网上的可视电话的实现就不会是太远的事情了。

在因特网上的电视电话实现的基础上,如果能充分挖掘美国摩托罗拉公司1987年设想的“铱”卫星通信系统的潜力,并实现无线移动电话的可视功能,那时,你无论是在家里的网上可视电话前,还是随身携带着一只袖珍可视移动电话,你都可以自由自在地与世界上任何一个地点的人进行逼真的“促膝交谈”。在这个“地球家”里,这是一种多么令人神往的情景啊!

汽车简史

当人类历史进入20世纪,交通运输越来越成为一个国家极其重要的基础设施,成为一个国家赖以生存和发展的命脉。现代运输格局,使我们在感受到空中的飞机、海上的轮船、陆地的火车等交通运输工具的方便快捷之外,我们更经常地体会到汽车给人们的生活带来的诸多便利。其实,汽车的出现只是近100多年的事情。但人们的梦想和追求却已相当久远。

独领风骚的中国早期车辆技术

汽车曾经历了好几千年的孕育和形成的历史,中国古代的车辆制造史对人类发明汽车起了巨大作用。

早在殷商时代,中国人就能制造较高级的两轮车,车轮有辐条,结构精巧华美。周朝时还出现了车轮轴承的润滑油。春秋战国时期,高架车、巢车等新型车辆已广为应用。汉魏时流行一种经济耐用的独轮车。根据科技史家的研究考证,他们认为这不劳人力、不食粮草的“木牛流马”就是一种独轮车,而从其能上山下岭、昼夜运行的情况看,这种独轮车的内部结构和性能一定非常精巧、复杂。大致同时,我国出现了四轮车。南北朝时,出现了规模更大的车,如由12条牛拉的大型牛车、装有20个轮子的大车(类似现在的载重大卡车)及安装磨机的磨车,这些车都已经用石油作润滑材料了。五代时出现了三轮车。北宋时“独轮车”发展成各种各样的运输车,还出现了“手推车”、“二把车”、“鸡公车”等名称,有的独轮车上还安有风帆,以借助风力减轻人力,因其轻便灵活、适应性强,在我国农村应用非常广泛。明代时又有专门运输建筑材料的八轮车。清代出现了四轮铁甲车。

在中国古代的各种车辆中,设计严谨、结构精巧的指南车和计里鼓车最充分地体现了中国古代工匠在运输车辆制造方面的高度智慧和创造能力。它们的机械传动和控制原理都非常复杂,远远超出了同时代西方人的机械制造水平。我们可以粗略地看一下计里鼓车。

宋天圣五年(1027年)卢道隆制造和大观年间(1107年~1110年)吴德仁再造的计里鼓车,结构大致相同。它共有两个足轮,立轮、下平轮、旋风轮、中平轮、小平轮和上平轮等齿轮各一个,整个齿轮系统和车辆同行同止。车行一里,中平轮转一周,同时,在中平轮的轴上安装的一个起凸轮作用的拨子,拨动木人的手臂,击鼓一次。如再加上一个10齿的小平轮和一个100齿的上平轮,当车行10里时,上平轮转一周,上面的拨子拨动另一木人的手臂,使木人击鼓一次。这里面的各种齿轮的大小和齿数都非常精密。计里鼓车虽在汉魏时就已出现,但其因原理和制作方法史书所记不详,就延迟至宋朝才又被人制造成这个样子。

汽车的诞生

中国虽有十分发达的机械车辆制造技术,但现代意义的汽车并没有在中国诞生。荷兰17世纪初的风帆车算是西方汽车的祖先。到18世纪,在瓦特发明蒸汽机之后第二年,法国出现了古诺的第一辆蒸汽车。

法国工程师尼古拉·约瑟夫·居纽奉陆军大臣舒瓦瑟尔公爵之命,于1771年制造了一辆用来运送辎重和牵引火炮的蒸汽车,当时人们称它为“大板车”。这辆车以粗木作车架,装有三个轮子,前轮既是驱动轮,也是转向轮,司机通过一个双把曲柄控制车行方向。车上装有世界上第一台高压蒸汽机,活塞杆将蒸汽机活塞的运动传递给驱动轮,从而带动前轮运动,它的时速曾达3.5千米。它至今还保存在巴黎国立工艺博物馆,供人参观。

之后,英国著名的铁道蒸汽机车发明者特莱维西克于1801年制造了第一辆能乘坐的汽车。

但是,蒸汽机的动力还太小,带动机车尚显费劲,驱动汽车就更加困难。为汽车创造一种更充足的动力机成为汽车发展的关键。内燃机的出现为实现这一点提供了可能。1832年,布朗发明了最早的内燃机——煤气机。经过法国人卢诺瓦、德罗夏和德国人奥托·戴姆勒等人的努力,四冲程煤气机出现了。戴姆勒原是一个军械所的学徒,他与设计师威廉·迈巴赫在多伊茨工厂工作期间,就想用汽油代替煤气工作,用电火花代替奥托的火焰点火,把笨重的固定性发动机变成可以移动的轻便汽油机。1883年,这种汽油机问世,可达每分钟900转的高速。随后,他们又造出“座钟”发动机,将它用在两轮车上。1885年,一辆装有这种发动机的摩托车产生,它由一个木架和两个带铁箍的木轮组成,时速可达12千米,从而证明了“座钟”发动机可以用于车辆。

1873年,法国人阿梅代·博莱制造出一台有12个座位的蒸汽汽车。能装12个乘客的容载量在当时已经是最大的了,说明它的动力确实很大。这辆汽车上装有两台V型双缸蒸汽机,每台发动机均有一根传动轴,通过齿轮和格尔式链与驱动轮相连。它是后轮驱动,前轮转向,操纵十分方便省力,车上所有的操作机构均装在司机手脚可以活动到的范围之内,而最主要的是装有一个控制发动机进气量的踏板和一个方向盘。这显然已是现代汽车的雏形。1875年,博莱汽车在18个小时之内走完了从勒芒到巴黎的230千米路程(包括沿途的休息和加水时的停留),在载重的4800千克的情况下,时速仍达20千米。因这种汽车易于操纵,所以就有了“温顺者”的美称。

1886年,戴姆勒和迈巴赫让车匠造出一个改了装的马车,把车辕变为操纵杆,以控制行驶方向,司机坐在原来马车夫坐的地方,采用后轮驱动,在平坦的道路上时速已接近20千米。这是世界上最早的内燃机驱动的四轮汽车。1889年,他们就在巴黎万国博览会上展出了世界上第一辆钢管车架的汽油发动机汽车,它的车轮是实心橡胶胎钢圈轮,有两台V型排列双缸汽油发动机,功率为2千瓦,时速分别为5千米到16千米,还有一台锥形摩擦离合器和一套后轮机械制动系统,前面的转向轮略小于后驱动轮。

戴姆勒—迈马赫汽油汽车一问世,法国人勒内·庞阿尔和埃米尔·勒瓦索就购买了它的专利,改进后组织批量生产。1891年,他们造出了第一台样车,把发动机从原车架的后部移到前脚,并呈卧式安装,节省了车内空间。巴黎国立工艺博物馆里还存有一辆M2E1896型汽车。庞阿尔和勒瓦索是法国最早的汽车制造商,也是世界上最早的成批生产汽车的企业家。他们和戴姆勒、迈巴赫一样被推崇为现代汽车的创始人。