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作者：书香文雅

出版社：天津古籍出版社

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改变世界的机械试读：

前言

从远古人类使用石头磨制工具那一刻起，机械就始终伴随着人类的生产与生活。从指南针的发明到航天飞机的问世，从地上的汽车、海中的轮船到天上的飞机，每样机械的产生都在推动着社会的进步。而且，新工具的出现又帮助人类提高劳动效率，更快地研制出新的工具。特别是在欧洲工业革命的这几百年里，人类的文明程度超过了历史上任何时期，机械的作用自然是功不可没的。

改变世界的机械都有哪些？它们又是在什么背景下诞生的呢？小朋友们，让我们一起来认识一下吧。

第一章　古老机械的神韵

防盗第一线的工具

锁是我们日常生活中最常见也最普通的一件工具了，小朋友们肯定见过各式各样的锁，像门上的锁、车上的锁、电子锁，等等。它们虽然样式不同但功能却一样，就是为了防止别人侵犯我们的财产。

锁是一件很古老的器具。据考古学家推断，在古代产生私有制后，为了保护个人的财产，就有人发明了锁，但是锁究竟是谁发明的，现在已经无证可考了。河南仰韶文化是中国古老文明的一个缩影，在仰韶遗址中，考古工作者就曾发现了一种木制的锁具，这就是早期的门锁。东汉时期，中国的冶炼技术已经非常成熟了，随之诞生了更加牢固耐用的三簧锁，三簧锁在我国沿用了一千多年。

最早介绍锁的文字出自《辞源》，上面记载：“锁，古谓之键，今谓之锁。”《辞海》解释为：“必须用钥匙方能开脱的封缄器。”古时候，锁还有另外一种作用，就是用作扣押犯人的一种刑具。在古装剧中，有时我们会看到犯人的脖子上夹着一块木板，这就是枷锁。

锁其实就是防范他人的一种小机关，在20世纪应用非常广泛的门闩其实也是一种简单的锁。古代勤劳的中国人还发明过一种石锁，这种锁没有钥匙。商周时期，冶炼原料还是以青铜为主，所以人们设计制造出的第一种必须用钥匙才能打开的锁是金属的。

时至今日，人类的科学技术迅猛发展，特别是在金属材料、模具设计、工艺水平等方面超出了历史上的任何时期。现代锁的特征是锁芯加入长度不同的弹子，钥匙配以相应的齿状，具有外形小巧、坚固耐用的特点。

18世纪，英国人D.波特最早发明了凸轮转片锁，这种锁的钥匙编号由三簧锁的20多种发展到80多种，安全性得到提升。到了19世纪中叶，欧洲又出现了一种滑动转片锁，它的钥匙编号已经提高到了1600种，破译难度大大增加。1848年，美国人L.耶尔发明了圆柱内栓的弹子锁，这也就是我们现在最常见的锁。后来，在圆柱内栓锁的基础上，人们又研制出双向、三向、四向弹子结构，以及平面、双面、多面弹子组合结构，使锁的编号提高到一百万多种，锁的保密性能更高了。

目前，最新的科技也运用到了锁具的制造上，比如用声音、视网膜、指纹作为钥匙的高科技锁，相信小朋友们的家里如果都装上了这种锁，小偷想要盗窃就难上加难了。

等值交换的量器

我们和妈妈去菜市场买菜，挑选好了菜品都要放秤上称一称重量，然后按重量付钱，那么秤这个东西有没有吸引过你的注意力呢？

我们现在所见的都是电子秤，如果往前推十年，杆秤还是秤家族的主要成员，而且这个东西在我国已经存在了上千年之久呢。杆秤的杆是木头制作的，上面有星点代表刻度，配有砣（起砝码的作用）、秤盘（也有的用秤钩），是一种称重的衡器。杆秤是利用杠杆原理来衡量物品重量的简易衡器。

杆秤在我国古代贸易中发挥了巨大的作用。湖南长沙一座楚墓中曾出土过一件公元前700年的杆秤，那时的杆秤和现在我们见到的杆秤完全一致，可见我国劳动人民使用杆秤的历史已经有几千年了。科考工作者后来陆续在几座古代墓穴中挖掘出杆秤。将秤作为陪葬品，可见古代人对它的重视程度。

传说最早发明杆秤的是古代名人范蠡。熟悉范蠡的人都知道，他是一个经商高手，在经商中他发现，人们在进行物品买卖时都是凭肉眼分辨东西的多少，很难做到公平交易，于是他就想创造一种测量工具。有一次，范蠡从外地经商回家，路过一个村庄，他看到了一件有意思的事情。只见一个农夫正从水井中打水，农夫的打水方法很是奇妙：他先在水井旁竖起一根木桩，然后将一根木杆绑在木桩的顶端。木杆的一头吊上水桶，另一头系上石块，当水桶打满水后，轻轻一拉石块的这头，就非常轻便地将水从井里拉上来了。

范蠡受到启发，回到家后，按照农夫打水的工具制作了一个工具，用一根木棍钻上小孔，从小孔穿过一根麻绳，用手来掂；木棍的一头拴上一个可以盛放物品的吊盘，另一头用一块鹅卵石当砣，砣离绳越远，吊盘盛放的物品就越多。但是怎样知道货物的重量呢？范蠡一时被难住了。就这样几个月过去了，范蠡还是找不出解决的办法。有一天夜里，范蠡来到院子里，抬头看到满天的星星，他突发奇想，能否用星星做标记呢？于是他用最好分辨的南斗六星和北斗七星做标记，一颗星代表一两，十三颗星代表一斤。于是，专门用来称重的衡量工具产生了。大开眼界范蠡注意到，市场上一些居心不良的商人卖东西时缺斤少两，欺骗消费者，怎么才能提醒商人规范自己的行为呢？范蠡想到了秤杆，他一改以往的白木秤杆，改为红木嵌金星的秤杆，在南斗六星和北斗七星外加上福、禄、寿三星。这样做的目的就是告诫商人们：经商要光明磊落，不能动歪心思挣钱，欺人一两就会失去幸福；欺人二两，则后人永远做不了大官；欺人三两则会折扣“阳寿”。虽然范蠡的初衷是好的，但是还是阻止不了那些贪心的商人。不过，这种方便的称量工具却世世代代流传了下来。

轮子——最简单的机械

轮子在我们生活中最常见了，各种车上有轮子，滑冰鞋上有轮子，现在就连一些家具上也装上了轮子。为什么要装轮子？行动方便呗。轮子通俗地讲就是用各种材料制作成的圆形滚动的物体，轮子由外圈、辐条和中心轴组成，在滚动过程中，可以减少与接触面的摩擦系数。中心轴上一般配有轴，这是车上的主要部件。它看似非常普通，却是人类一项重要的发明哩。

小朋友可不要小瞧了这个普通的轮子，它可是人类最古老的一项发明，它的贡献甚至可以与火的使用相媲美。人学会利用火以后，可以避寒、吃熟食，而人们学会利用轮子后，则创造了灿烂而辉煌的文明。据学者们考证，人类懂得使用轮子已经有6000多年的历史了。轮子最早出现在哪里

轮子这种工具的产生，人类并没有借鉴动物或植物给我们的提示，自然界里虽然有许多动物喜欢在地上滚动，但它们与轮子的滚动相差太远。美国一位历史学家斯塔夫里阿诺斯曾经写过一本《全球通史》，书中介绍人类首次使用轮子作为工具是在公元前3000年的美索不达米亚地区。当时美索不达米亚人已经制造出了手推车，轮子和车子是相对独立的两个部件。几百年以后，又出现了一种有轮辐的车轮。公元前4世纪时，出现了中间有轴、两头有轮的车子图案，说明那个时候车子已经是一个成熟的运输工具了。中国使用轮子的历史

在古老的中国大地上，车出现在公元前1500年左右。说明轮子的出现应该是在新石器末期至青铜器早期这段时间里。智人出现后的10多万年里，我们的祖先仅仅学会了使用石制工具，还不懂得使用轮子。早期的轮子是木质结构，而且这种轮子沿用了几千年。最原始的轮子都是以一根圆木的直切面为轮盘，中间挖上一个洞，装上一根粗木棍当轴。后来人们发现这种直切面的车轮强度太差，所以后来就将木头横着裁成木板，然后再加工成圆形的轮盘，这样加工后的轮子强度大大提高了。

辐式车轮的出现标志着轮子的一大进步，什么是辐式车轮呢？小朋友们想一想我们的自行车车轮，它外边是一个金属圈，中间有一根车轴，连接它们的是一根根细铁棍条，这种设计就是辐式车轮。不过古时候的辐式车轮也都是木头结构，但相对于实心的木轮来说，这已经轻便许多了。古代的战车车轮都是使用的这种辐式车轮。

轮的中心加一根轴就变成一种最简单的机械，这种机械代表着人类使用工具的新成就，轮子在外力的作用下旋转，让沉重的货物运输方便了许多，从而节省了人力。轮子的发明是交通运输工具的一大进步，同时也是人类技术的一次飞跃。现在我们看到的螺旋桨、飞轮、陀螺仪等机械都是利用了轮子的原理。

风车

小朋友们对风车一定不会陌生，它的身影经常出现在我们的图书里，而且我相信大多数小朋友在上手工课时，老师也教过你们制作纸风车。这里我们要讲的风车是一种利用风力驱动，能产生能量的机械，它由几个叶片和一个轮子组成。

古代的风车灵感来源于船帆，它的6个风叶像是帆船的篷帆，安装在一个垂直的轴上，风吹动它旋转时就跟我们看到的走马灯一样，所以这种风车就叫做走马灯式风车。

在距今2000多年前，中国、巴比伦、波斯等古国就已经懂得利用风车的动力来提水灌溉、碾磨谷物。12世纪以后，风车在欧洲得到了更多地推广和应用，他们把风车动力广泛应用在供暖、制冷、航运、农业等领域，取得了不错的效果。

历史学家考证，最早使用风车技术的国家是叙利亚，7世纪时，风车就已经被叙利亚人民应用到生产中了。这里有得天独厚的地理优势，常年有风，而且风向常年朝一个方向，这对风车运转来说再好不过了。不过那时候的风车和我们现在看到的可不一样，它是竖式轴结构，也就是我们上面讲到的走马灯式的风车。

12世纪末，西欧也出现了风车的身影，有人猜测是欧洲发动十字军东征的时候将风车技术带了回来。但是，欧洲的风车与叙利亚的风车构造完全不同。欧洲的风车有一个石头砌的底座，巨大的风叶朝着风向，它的风叶是垂直安装的，我们现在看到的风车都是从这时的风车改进而来的。所以也有人认为欧洲风车是独立发明的。大开眼界欧洲风车在当时主要是用于磨碎谷物的，现在古老的风车更像是一个标志性建筑物，比如在荷兰，绿油油的田园里配上一个古老的风车，构成了一处充满田园风情的自然景观。但是现在，风车又被赋予了新的历史使命，现代风车装上相应的发电装置后，就成为了风力发电机，这种清洁、高效的能源越来越受到关注。在不久的将来，我们就能用上这种风车制造的电力资源发出的电了。

水车——水往上走的工具

对于水车，小朋友们可能都很陌生，这是一种古老的灌溉器械，虽然现代已经过时了，但在古代它可是发挥了巨大的作用呢。水车又叫孔明车，是我国最古老的农业器械之一，是我国的先民们在劳动中发挥聪明才智创造出来的一种灌溉工具，水车从诞生至今已经有1700多年的历史了。最早的水车

相传在汉代灵帝时期，华岚制造出第一部水车，但是由于当时的工艺水平还不发达，所以这部水车制造得还相对简陋，发挥不了多大作用。三国时期，诸葛亮在它的基础上加以改进，制造出了一种高效的水车，为蜀国的农业生产做出了重要的贡献。唐朝时，水车已经成为我国主要的农业灌溉工具。改进后的水车

水车在一些地方又叫天车，主要用于向高处提水。常见的水车高约10米，由一根长长的车轴支撑着24根向四周展开的辐条，每根辐条的顶端都有一个盛水的水斗。水车要架设在河流的沿岸，当河水流过时，河水会推动辐条转动，这时浸在水中的水斗装满水就会转动着升起来；当到了最高处时，水斗就会倾斜，将水倒进架设在高处的水槽中，然后再转动着浸进水里。这样周而复始，河水被源源不断地注入水槽里，然后流到田间地头去浇灌农田。

小朋友们一定都知道，中国自古就是农业大国，所以积累了很多农田水利方面的先进技术。水利作为农业生产中的重要一环，历朝历代都受到君王和百姓的重视，他们兴建了许多水渠用来引水灌溉。水车的发明解决了向高处运水的难题，这是中国人智慧的结晶，是人们长期在生产中积累出的硕果。

云梯——翻墙利器

小朋友们见过消防车上那个长长的梯子吗？它的学名叫云梯，有了这个梯子，消防员叔叔就能攀上更高的地方去救人了。但是你知道吗？古代的云梯其实并不是用来救人的，反而是为了更多地杀人，这是怎么回事呢？

原来，云梯在古代的身份是一件战争武器，主要是用来攀登敌方的城墙进行攻城的用具。现在的云梯是架设在消防车上的，古时的云梯下面也有一个带轮的车子，所以也叫“云梯车”。与云梯配套使用的工具还有防盾、绞车、抓钩等用具，先进一些的云梯甚至还能升降。

传说云梯最早是由春秋时期的工匠能手鲁班发明的。楚惠王为了达到称雄中原的目的，命令鲁班制作一种方便攻城的装备，鲁班就在木梯的基础上制造出了云梯。

根据古籍记载，攻城和打仗一样是讲究技巧的。古时攻城多以速度取胜，架梯攻城的士兵一定要勇敢、动作敏捷，才能完成攻城任务。这时要配合一种称为“飞梯”的工具，史书上曾有一段记载一次汉军作战的情况，当时汉军攻打的是郅支城，该城与其他城不同，它外边是一道木城墙，里面是土城墙，所以相当坚固。汉军攻城时先用弓弩将城上的守兵射退，然后放火再将外城烧毁，最后一鼓作气利用飞梯强攻登上城墙，取得战役的胜利。当时的飞梯制作材料就两种：木头或竹子，前端装有双轮，便于依附登城。所以古时候人们习惯把高空作业，竹制或木制的梯子都称为云梯。但这种简易的工具比较笨重，而且安全性也较差。到了现代，人们制作云梯的材料多用合金，不但重量轻，而且非常坚固，并且它现在也不是专门用于军事上，而是专为人们解决困难的好帮手了。

曲辕犁——耕作的好帮手

现在大多数小朋友都生活在幸福当中，已经远离了田间耕作的生活，即使生活在农村的孩子，见到的生产场景也实现了现代化，早已见不到古代农业机械的身影了。现在我们再来认识一种古代农田耕地离不开的生产工具——曲辕犁。

农田耕作首先要耕地，否则土地硬化不利于农作物生长。中华大地上最早出现的犁是耕犁，后来江东地区的百姓在劳动中又创造性地发明了曲辕犁。曲辕犁要比普通的耕犁优点更多，首先是将直辕、长辕改为曲辕、短辕，辕头还安装了可以自由转动的犁盘，这样一来整个犁架的重量就大大减轻了，而且在调头转变时也变得更加灵活，人或者耕牛在拉犁的时候也不会那么费力了。

汉朝时期，耕犁已经定型，它的特征是长辕，耕地时转变不够灵活，起土费力，效率低下。北魏贾思勰所著的农书《齐民要术》中提到一种辕犁，但因描述不详，所以只能推测是一种短辕犁；唐朝时期，出现了一种长曲辕犁，它的特点是操作灵活，机动性强，深耕更有力。这种曲辕犁由犁评、犁箭和犁键三部分有机结合在一起，可以根据需要调整耕地的深浅，便于精耕细作。犁壁在耕地时能巧妙地将土层推到一侧，而且还有碎土的功能，使耕犁的阻力大大降低。曲辕犁结构巧妙，轻便省力，成为中国历史上使用时间较长的一种农业器械，从唐朝定型一直沿用到清朝，耕犁为中国农业发展做出了巨大的贡献。大开眼界在5500年前，美索不达米亚和埃及的农民就开始尝试使用犁。早期的犁是用Y形的木段制作的，下面的枝段雕刻成一个尖头，上面的两个分枝则做成两个把手。将犁系上绳子由一头牛拉动，尖头就在泥土里扒出一道狭小的浅沟，农民可以用把手来驾驶犁。到公元前3000年，犁进行了改进，把尖头制成一个能更有力地辟开泥土的“犁铧”，增加了一个能把泥土推向旁边的倾斜的底板。

辨别方向的指南针

小朋友们一定对我国的四大发明非常熟悉，指南针就是其中一项。

指南针是一种用来辨别方向的简单仪器，它的构造非常简单：一个底盘、一根中轴和一根具有磁性的铁针就构成了这种巧妙的工具。在地球磁场的作用下，磁针会保持在跟地球的子午线同步的方向上，也就是说磁针的北极永远指向地理的南极。由于它的特性，它被广泛应用在航海、大地测量以及军事方面。指南针的发明

指南针的发明应该归功于我国古代聪明的先人们，他们在长期劳动实践过程中发现了磁性的特点，然后发明了方便实用的指南针。

我国人民对磁的认识最早可追溯到魏晋时期，当时的劳动人民就已经知道磁石的基本性质。从著名诗人曹植的诗句中就可以看出来，他在诗中写“磁石引铁，于金不连”，可见当时的人们就已经知道磁石吸铁的性质。南北朝时期的陶弘景在他所著的《名医别录》中更是提到了磁力测量的方法，书中提到：优良磁石出产在南方，磁性很强，能吸引三四根铁针，使几根针首尾相连挂在磁石上。磁性更强的磁石，能吸引十多根铁针，甚至能吸住一二斤刀器。这是世界上第一次关于磁性强弱和磁力测量的记载。指南针的前身

说起指南针不能不提到它的“祖先”——司南。司南在战国时期就已经出现，它是用天然磁石打磨而成的。它的样子和我们用的汤勺一样，它平稳地放在一个表面光滑的底盘上。人们需要它指示方向时，轻轻地让它旋转，当它静止不动时，勺柄所指的方向就是南方。

中国宋朝时期的工匠已经掌握了人工磁化的方法，用磁石不停地朝一个方向摩擦钢针，过一段时间这根钢针就会被磁化。人们把磁化的钢针插在一些灯草上，然后把它平放在一个盛满水的碗里，世界上最早的指南针就这样诞生了。是不是很神奇很简单呢？可是在科技水平还不够发达的古代，这已经是非常了不起的成就了。

石碾和石磨

小朋友们，你们知道我们吃的面粉是怎么来的吗？知道我们吃的稻谷收割后要先怎么加工吗？下面我们来认识一下两种农业工具，你就会明白了。古老的生产工具

石磨和石碾这两种工具你们也许没有见过，但对于爷爷辈的人来说，大多数人都非常熟悉，说不定他们还亲自操作过呢。20世纪随着工业化的发展，这两种工具基本上都已经退出了历史舞台，也许在农村某些地方还能看到它们的身影，但使用它们的人已经不多了。

石碾是用石头和木头制作的一种圆柱形的工具，它用来把谷物的外皮磨碎，再用其他工具把谷物的外皮吹干净后，剩下的就是我们餐桌上的粮食了。石磨同样是用石头制作，它的外形和石碾不同，它是两块圆盘状的石块重合在一起，用于把米、麦、豆等粮食加工成粉状或浆状的工具。

因为都是石头制作而成，所以这两种工具使用起来异常笨重，最早都是以人力或畜力来推动它们。到了晋代，劳动人民懂得使用外力来驱动它们了，常见的是以河水作动力的水磨。

石碾相对简单，就是一根石柱，下面一个石盘，但是石磨就相对复杂一些了。石磨要求上下两块石盘直径一样大，两层的接合处刻有一道道的纹理，上边的石盘中央有一个倒粮食的孔洞，纹理就从孔洞周围向四周散开。当粮食倒进孔洞后，随着磨盘的转动，粮食就会沿着纹理向外慢慢运转，在滚动的过程中被两块石盘磨碎形成粉末或粉浆。

在中国历史上，石磨和石碾曾是农户必需的生产工具，直到20世纪60年代以后才逐渐淡出人们的生活。在改革开放初期，农村的角落里还能看到它们的身影，对于老一辈人来说，即使不用，仅看着它们也有一种特别的情怀。最早的生产工具之一

说石磨是一种古老的生产工具一点儿也不夸张。历史上，凡是从古至今延续下来的生产工具都有随着时代的变迁而改进的传统，石磨也不例外。石磨的出现可以追溯到七八千年前的新石器时代，大连长海县有几处新石器时代的遗址，据考古专家考证，它们是在距今六千年前形成的。在小珠山、大潘家、北海王家村等新石器遗址上，都曾挖掘出石盘。但那时的石盘面积还非常小，面积仅和现在的A4纸一样大，而且这时的石磨还是单体石磨，需要配合磨棒使用。在后来的社会发展中，农业生产技术得到快速发展，单体磨盘已经不能满足人们的生产需要，所以在实践中，单体磨盘改为双体磨盘，而且磨盘的体积也逐渐增大。大开眼界传说石磨的发明人是鲁班，鲁班在中国历史上可是出名的能工巧匠和发明家。鲁班是春秋战国时期鲁国人，他本名叫公输般，因为出生在鲁国，所以人们习惯上叫他鲁班。据说木匠使用的锯、刨子、曲尺都是他发明的。在春秋战国时期，人们吃的面粉都是放在石臼里用石棍一点点捣出来的，这种方法既费时又费力，而且用这种方法加工的面粉极不均匀。鲁班就想用一种省力的办法解决这个问题。他从石臼和石棍挤压粮食中产生灵感，将两块大石头加工成圆盘状的磨扇，下扇中央有个铁制的立轴，上扇中央有个圆洞，将上扇套在下扇之上通过外力就能绞合转动。两块磨盘接合处被刻上一道道的石纹，随着上扇的磨眼处向四周散开。磨面时，将粮食倒入磨眼，推动石磨转动，粉面就从石磨四周缓缓流出了。将粉面再进一步用罗筛筛过之后，就得到非常细腻的面粉了。古代机械最早可追溯到远古人类使用的石器工具，后来随着人类知识面的扩展，逐渐过渡到青铜器时代和铁器时代，所制造的工具也更加丰富，但由于工业水平的限制，多以木质为主。锁——最早发现于公元前3000年的中国仰韶文化；杆秤——最早发现于公元前700年的楚墓；轮子——最早出现在公元前3000年的美索不达米亚地区；风车——最早出现在公元前7世纪的西亚地区；水车——一千七百年前的三国时期；云梯——春秋战国时期；曲辕犁——中国唐朝后期；指南针——战国时期；石磨——六千年前新石器时期。

第二章　推动历史的机械

改变世界的蒸汽机

你们在学校学过工业革命这个词吗？在两百多年前，中国国力在世界上还是数一数二的，后来西方国家经历了工业革命，而我国正处于清朝的腐朽统治之下，因为政府长期闭关锁国，最终导致了中国与世界先进科技的脱节。工业革命的动力来源

说起工业革命就不能不提到蒸汽机，蒸汽机代替了传统的动力，开创了以机械作为动力的先河。所以它的出现标志着18世纪工业革命的开始，它一直沿用到20世纪初，才被后来更为先进的内燃机和汽轮机所替代。

历史上第一台蒸汽机可以追溯到公元1世纪，当时的希腊数学家希罗发明了一种汽转球，但是这种东西仅仅被当做玩具使用，并没有发挥动力机械的作用。

1679年法国物理学家丹尼斯·巴本根据高压锅的原理制造出一台蒸汽机的模型，可惜这个模型也没有发挥出重要作用。1698年、1712年、1769年，托马斯·塞维利、托马斯·纽科门、詹姆斯·瓦特三人分别在前人的基础上制造出更为先进的工业蒸汽机，这时的蒸汽机技术已经相对成熟。1807年，罗伯特·富尔顿制造了世界第一艘用蒸汽机驱动的轮船。

在我们的一些课本里讲到蒸汽机的发明者是詹姆斯·瓦特，严格说这是不对的，瓦特只是改进了蒸汽机，使它效率更高。在他之前，托马斯·纽科门已经研制出了用于工业的蒸汽机，但是这种蒸汽机的缺点很多，比如用煤量大、效率低、动力弱，等等。瓦特在使用这种蒸汽机时，总结出它的毛病所在，并于1765-1790年研制出自己的蒸汽机。他发明的蒸汽机在结构上比纽科门有较大改进，使它的效率提高了三倍以上，操作上也简化了许多。蒸汽机推动了英国文明

18世纪，随着瓦特蒸汽机的进一步完善，它不仅仅只是交通工具的动力来源了，还被广泛应用在了冶炼、纺织、制造行业，推动了西方资本主义国家工业的快速发展。比如英国，从1766-1789年的二十多年里，它的纺织品产量增长了五倍，但是成本却大大下降，通过出口换回了大量的资金，使英国国力快速跻身世界的前列。大开眼界我们在后面介绍的机械中很多都用到了蒸汽机。蒸汽机的发明解决了工业发展中的动力问题，只要有煤做燃料开动蒸汽机，就可根据需要建立工厂，不再受河流的限制。蒸汽机的出现也正式拉开了工业革命的序幕，出现了发明和使用机器的热潮，推动人类社会由此进入“蒸汽时代”。蒸汽机是工业革命时期最伟大的发明。蒸汽机的广泛利用，促使工场手工业作坊转变为机器大工业工厂，真正意义上的社会化大生产逐渐形成。工业化的进程加快了——历史已跨进了一个新的时代。但是蒸汽机也造成一些负面影响，其中最大的影响就是造成了环境污染。那些高耸入云的烟囱喷出缕缕烟雾，庞大的厂房发出隆隆的轰鸣，打破了原本中世纪田园生活的恬静，欧洲一些国家曾为此付出了沉重的代价。

动力升级的内燃机

上文我们讲到了蒸汽机，下面我们再来认识一下它的兄弟——内燃机。内燃机也是一种提供动力的机械，与蒸汽机不同，内燃机是通过机器内部燃料的燃烧产生热能，再由热能转换为动力的发动机。我们现在乘坐的汽车、摩托车都是用的内燃机。

内燃机都是活塞结构，它的起源还很有意思，最早研究内燃机的是荷兰物理学家惠更斯。小朋友们一定想不到他用什么做燃料，他用的是炸药！这装在一个密封的装置里不就是一颗炸弹嘛，惠更斯因为没有办法掌握炸药的正确用量最后也就没有研制成功。1794年，英国人斯特里特首先提出了燃料燃烧获得动力的概念。1833年，英国人赖特提出了在密封的燃料箱里燃烧推动活塞运动的设计。

一直到了19世纪60年代，活塞式内燃机才问世，后来经过不断地改进，内燃机得到了快速的发展，成为现今社会使用率最高的发动机。活塞式内燃机有许多优点，比如噪音低、效率高、体积小、配套方便等，所以被广泛应用在汽车、农业机械、工程机械，以及一些小型的舰船和飞机上。

如果说蒸汽机是英国人的贡献，那么内燃机就是德国人的贡献。1876年，德国发明家奥托研制出世界第一台往复式活塞发动机，这个发动机是单缸结构、四冲程内燃机，能产生3.2千瓦（4.4马力）的动力。它以煤气为燃料，用火焰打火，每分转速156转，运行非常平稳。

其实这种内燃机还是非常不方便的，为什么呢？因为它的燃料是煤气，这种东西不好携带，万一遇到火焰可就糟了。后来随着人们对石油的认识，人们就又开发出了以燃油为燃料的内燃机。1883年，德国的戴姆勒研制出了世界上第一台汽油发动机，这种发动机更加轻便和高效。随后才又出现了以柴油为动力的柴油机。至此，内燃机成为机械历史舞台上一颗耀眼的明星。

电报曾经辉煌的历史

小朋友们，你们生活在一个科技迅猛发展的时代，很多在20世纪的高科技产品现在也都纷纷“下岗”了，比如电报。如果你们问起你的父辈们什么是电报，他们一定会说电报曾经是一种方便快捷的通信方式。曾经最快的通信方式

电报曾是最早的、最可靠的即时远距离通信方式，最早是在19世纪30年代在英国和美国投入使用的。电报需要通过电报机将信息转换成特殊的信号编码，然后通过交换线路发送出去，这种信号编码替代了传统的文字和数字，可以快速传输，这就是莫尔斯编码。

电报的出现改变了以往靠信件传递信息的历史，大大加快了消息的传递速度，是通信史上的一次革命。电报刚刚出现时，限于它需要专门的线路，所以只能在陆地间使用，在铺设了海底电缆之后，才让越洋发报成为现实。到了20世纪初，无线电发报技术出现了，电报业务随即扩展到地球上大部分地区。

但电报有一定的局限性，比如只能传递文字，发报过程中需要编码、解码，信息不能太多等，所以随着电话和传真的普及，电报就渐渐退出历史舞台了。电报是谁发明的

电报技术是谁发明的呢？早在1836年，英国科学家库克、惠斯通和美国科学家莫尔斯先后开始研究电磁发报技术，库克和他的合作伙伴惠斯通首先研制成功首台电磁发报机，并申请了专利。莫尔斯原本是美国著名的画家，因为他在业余时间酷爱研究无线电，所以他也研制出了一台电磁发报机，并在1838年发明了由点、划组成的电报信号码——“莫尔斯电码”。

当他拿着自己的发报机寻找合作伙伴时，没有人相信这台机器能传递文字。直到1843年，美国国会才赞助给莫尔斯3万美元，试着让他开通一条华盛顿到巴尔的摩的电报线路。第二年的5月，这条64千米长的线路终于铺设完成了。莫尔斯在国会大厦用自已研制的电报机向巴尔的摩发送了人类历史上第一份电报，电报的内容是引用《圣经》的一句话：上帝啊，你创造了何等的奇迹！

从此以后，这种即时通信技术得到迅速发展，人类文明被再一次改写。

遥望星空的天文望远镜

小读者们，你们知道什么东西看得最远吗？可能有的小朋友会说：望远镜，那有没有比望远镜看得更远的仪器呢？对了，是天文望远镜。

我们在夜晚仰望天空的时候，会看到天上有许许多多的小星星，可是小星星上面有什么？我们用肉眼是看不到的，虽然望远镜看得远，但用它看月亮，只会看到一个大大的圆盘而已，这时就要借助天文望远镜了。天文望远镜是观测天体的重要仪器，难怪有科学家这样讲：没有望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学。有了天文望远镜后，人类对宇宙的认识才越来越深入了。第一台望远镜的诞生

最早的天文望远镜（严格来说它还不能称作天文望远镜）是著名的天文学家伽利略发明的。这架望远镜长12厘米，口径4.2厘米，这样的尺寸还比不上当代天文望远镜的一个零件大，但是却具有划时代的意义。这架望远镜是由一面凸透镜和一面凹透镜构成，这种结构的望远镜又被称为伽利略望远镜。当时，伽利略用这架望远镜观察太空的时候，发现了一个崭新的世界，天文学也由此进入望远镜时代。不断改进的望远镜

1611年，德国天文学家开普勒采用两片凸透镜制作了一种全新的望远镜，使放大倍数成倍提高，人们的视野更加广阔了。这种光学系统后来就被称作开普勒式望远镜，现在天文台使用的也多是这种望远镜。

19世纪末，随着科学技术和工业水平的提高，更大口径的折射望远镜相继问世了，随后望远镜的口径纪录被一再刷新。目前世界上有8架70厘米以上的折射望远镜，其中7架都是在1885-1897年间制造的。其中最具代表性的有1897年美国叶凯士天文台建成的口径102厘米的望远镜和1886年在德国里克天文台建成的口径91厘米望远镜。大开眼界射电望远镜不同于其他的望远镜，它是探测天体射电波的基本设备。它由一个有方向性的天线和一台灵敏度很高的接收机，以及终端设备三部分组成。在天空中，有许多星体都能发射各种无线电波，射电望远镜能“听”到这些电波信号，使科学家的研究工作更为便利。射电望远镜受地球大气的影响不大，可以不分昼夜地进行观测。另外，宇宙空间中还有很多尘埃云，它们大大地减弱了遥远的天体所发出的光线，但射电望远镜的强大威力，使我们可以利用它去发现更遥远、更隐蔽的天体，探索宇宙深处的奥秘。

离开地球的运载工具

说起火箭来，小朋友们都对它印象深刻。这个家伙可真是一个庞然大物，但是它的原理却借鉴了我们春节时燃放的焰火。我们燃放的焰火是将炸药装填进纸筒里，然后用引线点燃，借助火焰燃烧的推力升空的。起初只是过节时用于烘托节日气氛的玩具，后来发展到弓箭上，成为远距离攻击武器。

现代火箭可不是烟花的放大版，火箭的制作是非常复杂的，它底部装有喷气推进装置。它的燃料不再是炸药，而是特殊的燃料——燃烧剂和氧化剂。这种燃料有一个特征，它不依赖氧气而燃烧，这样在外太空缺少氧气的环境中也能自由飞行。火箭的主要作用有发射卫星、发射宇宙飞船和作为武器使用。

19世纪80年代，瑞典工程师拉瓦尔发明了一种大功率喷管，它成为火箭发动机的主要动力设备，由于拉瓦尔的贡献，这种喷管就以他的名字命名。除发动机技术成熟外，19世纪还有几项有关火箭的技术得到完善。如火箭金属外壳的制造技术，使它能承受复杂的环境；火药配方技术，将传统的固体燃料改为液体燃料，建造出大型发射台。这些技术的相继出现，为火箭的出现奠定了基础。19世纪末，火箭开始应用于非军事目的，如用火箭携带救生索搭救海上遇难的船只，那时的火箭体积还相对较小。

1903年，俄罗斯科学家K.E.齐奥尔科夫斯基提出了大型液体燃料火箭的设计原理。1926年3月16日，美国科学家R.H.戈达德将这一设计变为现实，在他的领导下，美国成功发射了第一个无控液体火箭。

20世纪，火箭制造技术被美国和前苏联两个太空强国垄断，两国分别研制出7个系列的运载火箭。特别是美国为“阿波罗载人登月工程”研制的新型火箭，它直径为10米，长111米，起飞质量达2930吨，拥有运载127吨货物的能力。前苏联随后研制的“能源”号火箭，起飞质量为2000吨，运载能力为100吨。大开眼界新中国成立后不久，我国也开始进行火箭的研制工作。在西方国家对我们采取技术封锁的条件下，我国的科学家硬是啃下了这块硬骨头，并研制出质量稳定的“长征”系列运载火箭。1970年4月24日“长征1号”运载火箭诞生，首次发射“东方红1号”卫星成功。我国的运载火箭采用并联助推技术，它具有可靠性高、成本低、用途广、运载力强和反复使用的特点。目前，“长征”系列火箭已经走向世界，享誉全球，在国际发射市场上占有重要的一席。截止2012年11月，累计成功发射171次。

天上的人造卫星

小朋友们，你们对人造卫星了解多少呢？你们知道它都有什么作用吗？没了卫星会不会影响我们的生活呢？现在我们人类的生活可是与卫星密不可分的。举个简单的例子，没有卫星，我们就没办法使用手机通信，接收不到电视信号，轮船出海都找不到自己精确的地理位置，甚至未来几天的天气变化我们也不知道了。卫星就像是人类一只高高挂在天上的眼睛，没了这只眼睛，人类还真是成了睁眼瞎了呢。人造卫星的外形与功能

人造卫星是人造地球卫星的简称，它是由火箭发射到太空，并沿着地球轨道运行的宇宙飞行器。卫星的外形和地球的生物一样也是千姿百态的，有球形、多面形、圆形、圆柱形，甚至还有哑铃和蝴蝶的形状呢。

人造卫星的外形不仅多样，它的功能也是非常丰富的：有专门负责充当信使的通信卫星，有勘测地球的遥感卫星，有负责观察天气的气象卫星，有充当向导的导航卫星，有间谍功能的侦察卫星，有天空望远镜之称的天文卫星等。你看，人造卫星家族是不是很庞大呀。人造卫星的作用

为什么要发射这么多卫星？它有什么独特的作用呢？人造地球卫星因为是在几百公里外的太空俯视地球，所以它对地球具有全方位的观测能力。比如在赤道上空轨道运行的卫星，它所能观测的地表面积可达1.63亿平方公里，一架在8000米高空飞行的侦察机所能观测的面积只有卫星的1/5600。因此，对于通信、侦察、导航来说，卫星具有无可比拟的优势。

1957年10月4日，世界上第一个人造地球卫星由前苏联发射成功。这颗卫星距离地面高度约900千米，它围绕地球旋转一周只用了1小时35分钟。这是一个球状的卫星，直径58厘米，重83.6千克。这颗卫星发射的成功，标志着人类向太空迈出了重要的一步。世界各国探求太空、研制卫星的热情被点燃了，纷纷投入到卫星研制当中，可是到目前为止，只有极少数实力雄厚的国家拥有卫星研制能力。大开眼界1989年，世界太空总署曾对地球轨道运行的卫星做过一次统计，除去军用和科研实验卫星外，为人类正常提供通信、广播、气象、导航服务的卫星共有1093颗，这些卫星只占发射总量的27.6%。为什么比例这么小呢？原来卫星的工作寿命是很短暂的，大部分卫星的使用年限只有一两年，最长的也不超过10年，所以在轨道上正常工作的卫星并不多。

电话——最普及的通信工具

电话是我们日常生活中必不可少的通信工具之一，虽然现在移动电话有代替固定电话的趋势，但是不能否认它是一个划时代的发明。

在相当长的时间里，人们一直认为电话的发明人是贝尔，他在1876年3月10日发明了早期的电话机。但是美国国会于2002年6月15日通过决议，宣布安东尼奥·梅乌奇才是真正的电话发明人。为什么会这样呢？这就要从梅乌奇的一次实验说起。安东尼奥·梅乌奇是意大利人，1850年移居到美国，在此之前，为了改善收入，梅乌奇开始对电生理学进行研究。后来，他研究了一种用电击治疗某种疾病的方法，这使得他的知名度大大提高。1849年的一天，他准备好电击治疗仪器要给隔壁房间的患者治疗，就在他试着操作机器的时候，一件意想不到的事情发生了：通过连接两个房间的电线，他清楚地听到患者与家属之间的谈话。梅乌奇马上意识到这种仪器存在着某种“神奇的功能”，于是立即投入到这台“会说话的电报机”的研究上。1860年，他已经制造出一台电话系统的雏形，并在报纸上发表了这项发明的介绍。但是由于穷困潦倒，他一直没能为自己的发明申请专利。电话专利之争

1876年2月14日，贝尔向美国专利局提出了电话专利的申请。

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