历史上100个 伟大的发明(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:(美)亥文

出版社:青岛出版社

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历史上100个 伟大的发明

历史上100个 伟大的发明试读:

前言

发明!这个词会让你热血沸腾,心跳加速。发明令人兴奋激动,激动得就像发现了地下的财宝。发明就是创造,创造前所未有的新事物,讲究实际的天才们在发明中将自己的聪明才智发挥得淋漓尽致。世界因为有了发明才变得更加充实、更加繁荣。

为什么要研究发明史?研究发明史可以有效地追探社会进步和发展的轨迹。一个个发明汇集在一起便形成了一幅人类发展史的脉络图。这些发明实实在在地体现了人类的聪明才智。任何时代,任何文化,发明都可以勾勒出其发展和技术的前沿轨迹。研究人类科学和发展史必须涉猎发明史。

本书介绍了历史上100个最重要的科学发明。每一篇都叙述了每个发明的过程及其影响。对教师和学生来说,此书是有效的工具书。通过查阅,可以了解发明历史以及发明在人类发展过程中所发挥的至关重要的作用。书中故事介绍了最重要的发明事件及其过程。

撰写此书主要有以下3个目的:

1.介绍历史上重要发明的性质和范围;说明这些发明对我们今天生活的影响。

2.按时间顺序串连发明事件,以体现这些发明问世的先后顺序,清晰地勾勒出科技发展的脉络。

3.让学生更好地了解到他们身边的世界是由这些伟大发明构筑的、定义的。这些发明已进入了我们的生活,成为日常生活的一部分。

4.旨在说明在发明过程中科学和科学过程的重要作用。

然而,什么是发明?发明在哪里终止?发现又从哪里开始?两者之间有没有分界线?在七年级的时候,记得当时我以为艾萨克·牛顿发明了万有引力定律。我想知道人们在地球上怎么能站得住;在牛顿发明万有引力定律之前,人们能把棒球打得多远。

后来我才知道引力不是牛顿发明的。早在牛顿之前,或者说,早在地球上有人类的足迹之前就有引力的存在。你不能发明那已经存在的东西。

那么是牛顿发现了万有引力吗?也不是。早在牛顿出生之前,科学家就知道了有引力的存在。所谓发现者,意味着你必须第一个观察到或意识到那已存在的事物或现象。

那么,牛顿在引力方面的贡献是什么呢?为什么我们把他的名字跟万有引力联系在一起呢?牛顿发明了数学表达式,精确地描述了万有引力。他创立了一整套新的数学系统(微积分),人们因此可以计算万有引力。

牛顿创立微积分之前,没有类似微积分这样的数学表达式。像任何一项重要的发明一样,牛顿的微积分和方程式让人们能够轻而易举地完成自己必须做的事情,而没有这一发明就做不到这一点。凡是发明都是有形的、可感知的事物,不是单纯的一种想法或概念。

弗雷德里克·班廷1921年发现了胰岛素,这一成就属于发现。经过了两年的研究,班廷发明了合成胰岛素(一个建立在前期发现基础上的特殊产品)。并非所有的发现都可以直接带来具有实用价值的发明;并非所有的发明都是在某项前期发现的基础上实现的。然而,发现和发明的问世都有一个共同的模式:它们都是即兴之为,曲折迂回而行,推动了社会的进步和发展。

发明需要有想法,有科学知识支撑这一想法。除此之外,还需要有实现这一想法的资金和能力。第一台数字计算机发明之前100多年,查尔斯·巴贝奇就产生了计算机设想,但是他无法制造出计算机,因为当时没有一家作坊能够生产制造他所需要的高精密度零件。

亚历山大·格雷厄姆·贝尔发明了光纤电话机。这是通过光束传递信号的一种电话,它是光纤通讯的前身。1878年贝尔发明光纤电话机时,它并未引起人们的关注,因为这一发明不适合当时的条件需要。光纤电话机研究因此未能得以延续。100年后,光纤通讯发展成了一个庞大的通讯产业。1978年,人们已具备了用光传递信号的通讯系统条件。

如果具备了知识、材料、资金和需要这4个条件,那么发明这个伟大创举等待的就是发明家和他的想法——发明天才的灵感来自于他了解人们的需要,即因需发明创造。发明还需要发明家的恒心,需要他们将设想付诸实践,将想法变成现实。

此书冠名为《历史上100个最伟大的发明》。科学发明之所以伟大是因为发明的产物是以某一科学领域的知识为基础,科学知识使其有别于普通发明;发明的结果极大地影响并改变了人类的历史,改变了人类社会的发展进程。

本书所介绍的发明是最伟大的科学发明。伟大的发明应用面广,在生活及其文化中占主导地位。这些发明改变了科学、社会和文化的结构与发展。

此外,还有许多科学发明。若考虑到科学领域之外的发明,那么也还有许多其他的伟大发明。

以下7个问题是本人确定百个发明的标准。根据这些标准,通过评价分类,我从成百上千个发明中选出了100个最伟大的发明。

1.这个发明是有独到创新之处,还是仅仅对现有产品的改进?这一发现是否改变了(至少影响了)人类发展的趋势?

2.该发明所属领域是否是已确立的科学领域?发明家是否使用了科学工具和科学步骤?

3.这个发明在多大程度上改变了我们的生活?

4.这个发明耗费了多少资金、时间和精力?

5.享用这个发明的人占有多大的比例?

6.没有这个发明对社会将产生多大的影响?

7.多少人的工作与这个发明有关系?

许多很有价值的发明和发明物因不具备科学性而未入选此书,如语言、字母、钱币、用餐礼仪、各类体育项目、游戏、服装、艺术、音乐、宗教信仰、法律、医院、信用卡、大学、图书馆等等。上述内容都属于与我们生活息息相关的伟大发明,但却不是伟大的科学发明,所以不在本书的收录之列。

基于同样的原因,许多重要的发明家也未被纳入此书,因为他们的发明不在前茅之列。然而,不在百项之列并不意味着他们没有为人类发展做出重大的贡献,也不意味着他们不值得我们称赞、学习。本杰明·富兰克林、伊利亚·麦考、格兰维尔·伍兹、乔治·华盛顿·卡佛、本杰明·班纳克、诺兰·布什内尔,还有其他上百成千的发明家,他们都是重要的发明家,但却不在100个科学发明之列。

许多最伟大的科学家也不在本书之列。艾萨克·牛顿、阿尔伯特·爱因斯坦、哥白尼、格雷戈尔·门德尔、罗伯特·玻义耳、查尔斯·达尔文以及其他许许多多的科学家也未纳入本书,因为他们属于伟大的发现家而非发明家。《历史上100个最伟大的发明》可以作为自然科学学习单元的辅助性读物。以书中各篇章的内容为参考文献,学生可以进一步了解发明家的背景及其发明过程。此外,这些发明故事引人入胜,也是很好的休闲读物。

本书按编年史的方式记录了历史上最伟大的100个科学发明。每一篇都由3个部分组成。引言部分包括发明物、发明内容、发明家。第二部分阐明了为什么将此发明纳入100个最伟大的发明之列以及它对人类发展和人们生活的影响。第三部分以介绍发明过程为主,同时也介绍了发明前人们的生活状况以及发明后的社会变化和科学技术的发展。

书中有些篇章介绍了两个独立的发明,而这两个发明是另一个发明不可缺少的组成部分。例如,摩天大楼的发明离不开另外两个发明:钢框架结构和电梯。这两个发明相互依存,因此应归入同一个篇章。同样,精确航海导航系统的发明离不开另外两个发明:便携表和六分仪。因此,这3个发明也应该合在一起,作为一个整体加以介绍。

还有一些篇章包括两个发明。这两个发明合在一起才堪称伟大的发明,但分而论之,两者都不可能跻身于“百个”之列。拉链和维可牢搭扣就是一例。这两个发明合在一起,归属于“便捷扣件”发明。就个体而言,虽然也是重要发明,但却不能位居前茅,成为百个发明之一。

本书收录了100个最伟大的发明,以飨读者,让读者细细品味发明家的奇思妙想。想想还有哪些发明你认为可以冠之以“伟大”二字。读发明故事,令你惊诧于这些发明家的奉献精神和恒心毅力。(托马斯·爱迪生经常说,发明是99%的汗水加1%的灵感。)本书展示了科学家的时代和教育背景、他们的追求和发展道路。各位读者可以从中欣赏科学家的人格魅力,汲取其奋发向上、攀登高峰的智慧和勇气。

或许,《历史上100个最伟大的发明》会激发你发明的欲望,为你铺垫发明之路!

第一部分

公路

发明时间:公元前250年

发明内容:一种经过筑固以供机动车和四轮马车行驶的平坦地面。

发明者:意大利罗马的工程师

公路为什么是100个最伟大的发明之一?

对于交通运输系统来说,公路是最重要的基础设施。无论是卡车﹑轿车还是摩托车,只要行驶就离不开公路。乘车上下班者﹑假日旅行者和购物者都需要公路。有了路就可以批量载人运货,将人、货成批地运往城市。有路才有商业和贸易的发展。

公路的发明历史

公路发明之前

早期人类踏着动物走过的小径在树林和丛林中穿行,在草地上行走。后来小径得以拓宽,马车可以行驶。尽管此时的车行土路只不过是两道车辙,但毕竟取代了约1英尺宽的单车辙的小路。

靠颠簸、泥泞、路况恶劣的土路批量运输人(如一支军队)和物资设备(如军队的辎重车辆)非常困难,几乎是不可能的,因为四轮马车会使路面不堪重负,重压把路面变成了泥潭,车辆陷入其中,寸步难行。

公路是怎样发明的?

公元前270年以前,罗马帝国路况恶劣,运送军队和军需物资的车辆无法行驶通行,对此帝国予以极大的关注。专门有工程师负责筑路修路工作。每逢路面变得坑洼不平,车辙深陷,泥泞不堪,工程师们就探究其原因,反复试验,千方百计找出筑路的办法。

工程师们发现的第一个问题就是,一段时间后道路在重压下会变得坑坑洼洼,路面经常比其周围的地面低数英寸,路因此成了天然蓄水池,积水又很快成了淤泥。

罗马古迹“亚必古道”,

这种路面用大块熔岩铺砌而成到公元前260年,工程师们根据上述道路特点得出结论:罗马每条公路的路基既要坚固又要有良好的排水系统。接着,工程师们着手研究解决道路负重的办法,探究如何解决尾随罗马军队的四轮辎重马车使路面不堪负重的问题。工程师们认为分层铺设路面可以分散车轮重压,保持路面平顺。为此,他们对路面铺设进行了各种尝试,以期找出使道路坚固、有韧性而又易于施工铺砌的筑路方案。

这一发现创立了罗马筑路第一原则:路面要垫高并具备良好的渗水性。到公元前250年,罗马工程师们编写了一本筑路指南,在此后的2000年内本指南被奉为圭臬。罗马的公路都经过了缜密的勘测、仔细的铺设。公路由4个层面构成。这些层面的名称仍然可以在今天的道路词汇中找到。

首先,筑路工先开沟挖渠,修建公路排水系统。公路以锐石筑底,以泥夯实平整,然后在上面铺上砾石。砾石层由碎石瓦砾和混凝土混合而成,其作用在于排水渗水、改善路面受力状况。

砾石层上铺设的是中间层。这一层由熔渣或石灰、白垩和瓦砾等材料构成。中间层具有缓冲作用,负重时能吸收一部分行人和车轮的压力重量。最后一层铺设的是平板石。平板石层才是人行车驶的路面。罗马工程师们在罗马帝国境内修筑了372条大道,包括从非洲到苏格兰、从西班牙到希腊长达53000英里的大路。大批从占领地掠来的奴隶从事采石、搬运、筑路等苦役。他们切割石头,把石头和其他物资运到施工地点,挖掘、平整、铺设路面。这些工程严酷苛虐,但奴隶修筑的条条大路开创了辉煌的筑路篇章,此后的2000年里没有任何公路可与之媲美。

公路发明之后

随着罗马帝国的崩溃,欧洲道路建设又回到了落后的泥土时代。18世纪30年代,在工程师皮埃尔·特雷萨盖的指导下,法国第一个建立了公路网络系统。到1740年,英格兰修筑了若干条主要大道。

1765年,麦特卡夫与英国政府签订了合同,开始在英格兰境内修筑道路。他是继古罗马工程师之后意识到道路排水系统和路基重要性的第一人。到1790年,他修建完成了一条300英里的公路——这是第一条几乎可以和2000年前罗马公路相媲美的大路。

直到1824年才有了城市道路网。托马斯·泰尔福特承担了这项在伦敦富人区筑路的工程。从1905年开始,汽车的普及需要更加平整的路面。碎石柏油是最好的路面材料。柏油路在美国和欧洲四通八达,犹如条条闪闪发光的黑丝带连接着城市和乡镇。

1914年,纽约长岛开通了第一条汽车专用公路。1953年,美国帕萨迪纳和洛杉矶之间开通了第一条高速公路。

螺旋的发明

发明时间:公元前235年

发明内容:螺旋是指环绕一中心柱或杆的任一斜面。

发明者:阿基米德(Archimedes)

螺旋为什么是100个最伟大的发明之一?

螺旋是6种最基本的机械之一,几乎所有机器和建筑工程都离不开这6种机械。阿基米德发明的螺旋则是现代螺丝钉、钻头、螺栓、涡轮、锥子、抽水机和螺旋桨的基础。螺旋还能确保建筑的安全性。

螺旋能成倍地增加机械力,就像在杠杆上移动支点一样。螺旋的机械优势性能使其成为用途广泛的高效重负荷机械。直径长8英尺带有桨叶的巨型锥子能钻透竖井开矿采石,而另一些螺旋钻特别小,肉眼几乎看不见,但它们对制造优质瑞士表非常重要。这种微小的螺旋钻远比同样重量的黄金值钱得多。

螺旋发明之前

螺丝钉发明之前,人们用大头钉、绳子、锤钩、别针、水泥胶等系东西。阿基米德未发明螺旋之前,人们只能以吊桶打水。

螺旋是怎么发明的?

阿基米德是叙拉克人,是其家乡的骄傲。他42岁时(大约公元前235年)就已是西西里著名的发明家和数学家。那时,他就发现了若干项数学原理,其中有杠杆原理、圆周率、比重和浮力的原理。阿基米德还根据这些原理发明了一些杀伤力极强的武器。在罗马海军侵略叙拉克时,这些武器充分发挥了作用。

公元前235年,阿基米德在去埃及的途中碰到一个新的难题:他发现当地人在沟中取水,将水一桶一桶地提到田里浇灌庄稼。这种方法既慢又费力。阿基米德能找到更好的办法使水源源不断地从水沟流到田里吗?

这个问题对阿基米德来说似乎既简单又复杂。他像以前一样从数学的角度思考问题。他先观察水的流向,发现水总是往低处流。当然,这并不是什么新发现,但阿基米德觉得自己或许能利用这一规律把沟渠里的水引到农田里。

接着,阿基米德开始细究各种各样的几何图形,发现从一个斜面取水远比从垂直方向取水省力多了。于是,他研究起不同形状和模型的斜面。螺旋形——一种环绕中心圆柱的斜面,就是该研究内容之一。

没有历史学家记录阿基米德这一想法的产生过程及其实验过程。水泵内部构造他决定把螺旋状物装入圆筒里,这样螺旋体的边棱就会和筒内壁摩擦。经过反复试验,阿基米德发现,如果把可旋转的螺旋体装入圆筒,将圆筒倾斜一定的角度,那么这螺旋体就具有水泵之功效。

只要水管的角度适度,确保轮叶每一转的最低点都低于下一转的最高点,水流就不会顺着旋体倒流。阿基米德用手柄转动螺旋体时,尽管水流有倒流的趋势,但还是顺管而上。

阿基米德发明的螺旋汲水器既能汲水又不费气力。螺旋汲水器被认为是一种神奇的发明,在地中海地区广为采纳。

螺旋发明之后

众所周知,螺旋汲水器早就为水轮、风车、动力泵(先是蒸汽动力泵,然后是电力泵,接着是内燃机动泵)所取代。

阿基米德的螺旋原理意义重大而深远。然而,到公元1400年才有人把螺旋原理运用到现代螺栓和钻机上。这个时候,锥子和钻机出现在了西欧绘画中。到1600年,手动钻锥和螺栓才得以运用。第一架电动钻床是法国技师雅克·德·佛康1728年发明的,第一个手持动力钻(蒸汽动力)1864年在英国问世,德国技师维尔·芬于1894年发明了第一个电力钻。

现在高科技的强力胶和黏固粉已取代了钉子和螺丝。这种趋势仍在继续,但在这个强力胶的时代,尽管螺旋的使用范围在缩小,但是在未来的几十年里它依然会在我们的生活中占据主导地位。

玻璃

发明时间:公元前100年

发明内容:一种透明且质地坚硬的液体,用矿砂、苏打粉、石灰石加多种微量成分混合后,加热融合而成。

发明家:叙利亚玻璃工匠

玻璃为什么是100个最伟大的发明之一?

窗户、汽车风挡玻璃、眼镜、放大镜、梳妆镜以及望远镜、显微镜、潜望镜的透镜,都是用玻璃制成的。我们喝水用的杯子、科学家做实验用的烧杯和其他实验室容器也是用玻璃制成的。我们还用玻璃设计建造房屋、学校和办公室。

玻璃是地球上真正独特的物质形式之一。确切地说,玻璃是液体,因为其分子不像所有的固体分子那样排列有序。玻璃是流动的——虽然流速十分缓慢——这也导致任何一块窗玻璃的底部最终要比顶部厚。玻璃是唯一能够割伤人的液体,也是唯一能被打碎的液体。

玻璃发明之前

普立尼玻璃是自然生成物。黑曜石就是火山爆发时高温燃烧生成的黑色玻璃。闪电在击中沙粒时,可以把沙粒融化成流体的玻璃雕塑。罗马历史学家普立尼(Pliny)记述了腓尼基水手公元前3500年偶然发现制作玻璃配方的经过。有一次,一些水手想在沙滩上炖鱼吃。海滩上没有合适的石块,于是就用硝石块支锅起火炖鱼。火熄灭后,他们发现硝石和沙粒融化到一起,形成了粗糙的玻璃圆环。

以前的建筑物几乎没有窗户。门开着的时候,阳光才能从门口泻入室内。窗户只不过是一些墙上的小洞而已,而这些小洞常常用毯子遮住,御严寒,挡风雨。

玻璃是怎样发明的?

公元前1500年以前埃及工匠就已经掌握了基本的玻璃制造技术。他们先用黏土制一个陶罐模子,然后把玻璃液涂到陶土模子的表面,并在冷却前将其抹平,这样就可以制造出玻璃罐。玻璃罐冷却以后,工匠就把一把金属刮刀(刮刀很像一把牙医使用的超长牙凿)探进玻璃罐内把里面的黏土挖掉。黏土被挖掉以后,就剩下了与陶罐的形状和大小都相同、表面平滑的玻璃罐。为了开发便于刮挖的黏土和精确度更高的刮刀,埃及工匠们花了数个世纪的时间。

这种制作工艺既漫长又昂贵,往往需要几天的时间。因为制作过程中工匠们需要收集材料进行设计,最后还要制作两个罐子(一个陶土罐,一个玻璃罐)。当时,玻璃罐在人们的眼中还是奢侈品,并不是日常生活必需品。

大约公元前100年,一位不知名的叙利亚工匠突然产生了一个奇妙的想法,玻璃制作技术从此实现了突破,玻璃世界也从此变了模样。此时正值铁器时代,坚固可靠的铁已经成为制造轮轴、矛、剑、锅和其他各种铁器的上等材料。玻璃工匠们搅拌和拿取玻璃液用的也是铁杆和铁拨火棒。

玻璃的熔点是大约1200华氏度。而铁在2000华氏度的高温下仍然十分坚固,因此可以用来拿取、搅拌、摊匀玻璃液而不致被熔化。后来,那位工匠又有了一个聪明的主意:他不再用铁杆去把玻璃液从火上取下来并将其均匀摊在陶罐的表面,而是用一根铁管——一根很细的铁管。

他用铁管一端蘸上一滴黏黏的玻璃液,然后往管子里吹气。他发现这样能够把玻璃吹成圆形的罐子。从此以后,费时又费力的制作陶罐的步骤被废弃了。

吹玻璃技术使玻璃器制作变得实用、廉价而快捷。现代的玻璃工匠使用的仍然是叙利亚工匠早就使用过的工艺和材料(硅沙、氧化钙、苏打粉、镁)。

玻璃发明之后

吹制的玻璃罐、玻璃杯、花瓶在公元1世纪时成了普通用品。玻璃器制作技术的第二次大跃进发生在1290年。这一年,威尼斯工匠在意大利的慕拉诺(Murano)岛上发明了透明玻璃。1675年,英国的乔治·拉文斯克劳福特(George Ravenscloft)在玻璃制作材料中添加氧化铅,从而发明了水晶玻璃。

1688年,用平板玻璃制作梳妆镜的工艺首先在德国问世。后来法国也拥有了这一技术。1720年,窗玻璃已经变得相当普遍,而且价格也比较便宜。

1902年,美国的欧文·W.考伯恩(Irving W. Colburn)发明了一台玻璃板牵拉机,并申请了专利。这一技术使批量窗玻璃制作成为现实。1904年,美国的迈克尔·欧文(Michael Owen)发明了玻璃铸型机,这一技术使得大批量生产玻璃瓶和玻璃罐成为可能。

1959年,伦敦的阿拉斯泰尔·皮尔金顿(Alastair Pilkington)发明了浮法玻璃工艺:不是把玻璃液涂到金属表面,而是把它浇灌到一盆锡液中。玻璃液和锡液并不相互黏着,也不相互交融,相反,两者之间的接触面格外平滑。现在,95%以上的玻璃是在采用浮法玻璃工艺的工厂制造出来的。

水轮

发明时间:公元前25年

发明内容:水轮是装有短桨的轮子,它能把水流转变成机械圆周运动,为某些工业生产活动提供动力。

发明家:维特鲁维乌斯(Vitruvius,意大利罗马)

水轮为什么是100个最伟大的发明之一?

水轮是第一种人造机械,借助水轮人们可以控制大自然的力量并将自然力转化成机械运动,为人类在陆地上的生产活动提供动力。

在1500多年的时间里,通过水轮转化成机械动力的水能,是磨坊、锯木厂、皮革厂、纺织厂乃至鼓风炉的主要动力来源。到18世纪末蒸汽机发明时为止,水轮一直是民用动力和工业动力的主要来源。

水轮发明之前

碾谷物、锯木头、转动车床和制陶转轮,原来都是由人或动物提供的——任何工业生产所需的动力也都是来自人力和畜力。

在海上,风力能助船行驶,但是船的动力主要还是依靠桨和人力。一直到9世纪或10世纪,这种状况才有所改变。

随着农村一步步扩展为城镇和城市,人类对机械动力的需要也日益增长。但是,水轮发明以前,除了人和动物作动力以外,并没有其他动力来源。

水轮是怎样发明的?

水轮是应早期人类社会的两大需求而出现的:碾谷物和提水灌溉。公元前100年,碾谷物成了人类最迫切的需要。

在此之前,面粉是用两块石头磨成的。人们把谷物一捧一捧放进一块大的凹面石头上,然后用手拿另一块石头将其磨成面粉。公元前150年,希腊磨坊主使用的是两块平面的大石头。工人们用力把上面的石头在下面固定的石头上来回推动,这样就把谷物磨成了面粉。

公元前100年左右,大多数的希腊磨坊主不再使用方形大石头,而是开始使用圆形的碾石。这样,人们就可以在一块固定的石头上面转动碾石来磨面粉。碾石上装有竖轴和一些手柄。工人可以握着这些木柄,绕着圈来推动碾石。

后来,在公元前95~85年的10年间,有个聪明的希腊人发现可以用水流推动碾石上的竖轴来转动碾石。这样,磨坊就必须建在河上。用一根竖轴穿过磨坊的地板一直通到下面的河面,竖轴下端固定一个水平方向的水轮,并在水轮上固定一些水杯形的桨。当这些水杯形桨的开口一端面向上游方向时,它们就会像风帆兜住海风一样把河水兜住。这样,水轮就被迫开始转动。在水轮的另一端,弧形的桨背向上游方向转动。但是,桨背的弧面比桨正面的水杯形开口部分对水流产生的阻力要小得多,这样水流就可以永远推动水轮向同一个方向转动。水平方向安装的水轮确实会损失一些能量,因为桨背不得不逆着水流方向转动。尽管如此,水轮产生的动力仍然足以转动一个小小的石磨。

水轮技术很快传到了罗马。罗马的磨坊主和工程师们对水轮做了两个重要的改进。首先是在磨坊的上游筑坝,让水流沿着一定的渠道从高处直泻到水轮上,这样就大大增强了水轮的动力。

其次,他们发现,可以在水轮的一侧转动水轮,以消除水流对水轮的阻力,于是,竖水轮诞生了。这位发明家是一名工程师兼作家,名叫维特鲁维乌斯(Vitruvius)。他在一部工程设计书里详细地描述了这一技术,这本书的名字叫《建筑学》,公元前25年出版。

竖水轮的每一只桨都可以入水,并被有力地沿水流方向推动,然后在转向上游方向之前被抬出水面。这样,水的阻力被消除,同时水轮的动力被进一步增大。这种维特鲁维乌斯水轮是历史上最早的高能高效、多用途水轮设计。

水轮发明之后

维特鲁维乌斯水轮(竖水轮)不久就被进一步改进,并被用作锯木机和纺织机的动力。1700年以后,这种水轮仍然被用作主要的动力来驱动工业革命时期工厂里的各种传送带。在美国,许多织布厂和面粉厂在整个18世纪都是用水轮来作动力的。

大约285年建造的罗纳河口省(在法国阿尔卑斯附近)水轮,是规模最大的维特鲁维乌斯水轮磨坊。工程师们建造了渡槽把河水引入一个位于高坡上的池塘,沿高坡的斜面挖两条平行的渠道,磨坊就建在两条水渠之间。16只维特鲁维乌斯水轮(每条水渠8只)被依次安装到水流上,水轮转动时可以推动当时罗马帝国最大的磨坊。磨坊主们使用一套复杂的齿轮装置,使竖轴以不同的速度转动,以便给不同的磨坊提供动力。

后来,蒸汽机的发明使水能不再是工业生产的主要动力。蒸汽机不但动力大,而且便于安装,从此,水轮从工业生产中消失了。

后来,水轮作为发电动力再次出现。第一个水力发电厂1891年在德国建成。水力发电厂使用水轮作动力(被称作涡轮)发电,而不使用机械作动力。现在,美国近乎8%的电力都来自水力发电厂。

罗盘

发明时间:公元83年

发明内容:一种与地球磁场一致并能总是指向南北方向,因此可以用来指示方向的仪器。

发明家:未知(中国)

罗盘为什么是100个最伟大的发明之一?

罗盘给远距离航海带来了一次革命。有了它,在任何天气条件下远洋航行都能够准确到达目的地。罗盘使探索整个世界成为可能。

从13世纪开始,所有航海船只上都装有罗盘。迄今生产的几乎每一驾飞机上都有罗盘装置。现在,许多汽车上也配有内置罗盘。每一位探险者,甚至几乎每一位登山者,都是靠罗盘来辨别方向的。

2000多年来,罗盘是世界上应用最广、指示方向最有效的仪器。

罗盘发明之前

罗盘问世之前,旅行者总是从一个路标走到另一个路标。水手们总是靠近岸边航行——他们利用海岸上的某些特征作航行标志,即使远程航行亦是如此。有的水手远洋航行时白天利用太阳,夜间利用北极星作标志,为自己导航。但是,这些标志阴天时就会失去效应。许多船只因此远远偏离了航道,水手们只能一边听天由命,一边苦苦等待晴天的到来。

罗盘的原理约在公元前4世纪时首先由中国人发现。希腊和埃及的古书中也有关于某些石头具有磁性的记载,但无论是古希腊人还是古埃及人好像都没有真正使用过罗盘。

中国人发现,磁石薄片——一种天然磁铁矿——悬浮在水中时总是指向南方。起初,磁石的这种功能并没有被用于航海,而是被用于看风水。中国人在建造房屋时,根据谶纬之学,用早期的罗盘给房屋、房间、窗户甚至家具摆设选址或选方向。

又过了约5个世纪,人们才发现了罗盘的航海价值。

罗盘是怎样发明的?

汉朝时期,一位聪明的中国人断定,用于风水和算命的磁石薄片也能为旅行者提供基本的方向信息。公元83年的史书中有一条“指南针”被珠宝商用来指引方向的记载。早期的罗盘被做成勺子形状,并被放入一碗水中悬浮起来。中国旅行者习惯把这种罗盘叫做“浮鱼”。

公元600年左右,另一位中国人发现,铁棒与磁石反复摩擦后也可以像磁石一样被用作指南针,铁棒被磁化以后也能准确地指向南方,而且比磁石耐用。大约就在这个时候,有人想到用木棒取代草棒来支住铁指南针,因为木棒不像草棒那么容易被水泡坏。

到公元800年,漂浮指南针在中国的船上已经很常见。这大大推动了中国人的远航探险活动,他们乘船航行到了印度。由于使用了指南针,中国的航海和海洋探险活动比西方和阿拉伯国家早了几个世纪。

大约也就在这个时候,一位不知名的中国船长想到了用油代替水来漂浮指南针。因为铁指南针在浓度比水大的油中更容易漂浮。不久以后,又一位聪明的水手断定,指南针在密封的容器里指示方向会更准确。油如果装在密闭的容器里,即使在天气不好的时候,也不会像放在碗里一样容易溢出来。

这位聪明的水手把油、木片、指南针密闭在一个玻璃盖瓷罐里。就这样,现代指南针终于诞生了。

罗盘发明之后

1150年以后,指南针传到了欧洲。1190年,英国人亚历山大·奈克姆(Alexander Neckam)记录了用指南针航海的经历。大约1240年,法国人发明了支柱指南针:不是把指南针放在液体里,而是把它放到一根直立的针尖上。这样,指南针就可以在空中自由摆动。他把这种指南针叫做“浮针”。

罗盘的名字是意大利人大约在1250年最先开始使用的。罗盘(compass)一词来自意大利语compassare,意思是“大步到处走”,用来比喻“测量或向导”的意思。

1400年以来,指南针几乎再也没有什么大的改进。起了变化的倒是我们关于地球磁场和磁力的观念。

卫星全球定位系统(GPS)在过去20年的时间里获得了广泛应用。但是,GPS只能指示原来和现在所处的位置,却不能指引方向。因此,即使是使用高科技进行探险活动,也离不开一只简单的罗盘。

铁犁

发明时间:50年

发明内容:一种农具,可以用它犁地翻土,提高耕种的速度。

发明家:罗马农民(意大利北部)

铁犁为什么是100个最伟大的发明之一?

铁犁改变了地球的面貌,并使批量农业生产成为可能。伟大的文明以及帝国的崛起都离不开充足的食物供应,而要获得充足的食物又离不开铁犁。小麦、燕麦、稞麦、大麦和其他种类的谷物,若离开铁犁就无法种植。

铁犁改变了地球表面的形状,也改变了世界上许多种动物的栖息地。铁犁使得农业生产在平坦的土地上得以推广,并把狼、熊、老虎和其他野生动物赶到了边远的旷野。

最后,铁犁还永远地改变了农业生产。人类历史上农业生产工具首次成为主要的生产投资,它经常被三四户家庭共同使用。由于有了铁犁,农业经济开始向有效地使用资本设备的方向转变。

铁犁的发明历史

铁犁发明之前

最初的铁犁是叉子形状。当时的农民们拖着它耙地表的软土。公元前5000年,苏美尔人用的是简单的手握式木犁。这样的犁在中东国家干燥的沙质松土里用起来很方便,但在欧洲中部和北部结实而又潮湿的土壤里,这种犁就寸步难行了。

铁犁是怎样发明的?

罗马人乐于学农。公元前200年,罗马农民把原来的尖头木犁改进成刀刃式木犁。他们用一根带子把犁拴住,然后把带子套到肩膀上,双脚蹬地,用力向前拉动木犁,同时双臂用力把犁往下按进土里。这种人力刀刃式木犁比埃及人设计的尖头木犁先进不了多少,用它只能在地面上划一道V字形的痕,播种会容易些而已。但这种犁也十分笨重,犁上一英亩地,就会把人累得精疲力竭。

又过了几十年,犁的体积和重量渐渐增大。重的犁用起来效率高一些,但也给耕者的背部加重了负担。据著名的罗马学者老普立尼记载,到公元50年,在土壤结实肥沃的意大利北部地区和被罗马军队征服了的北部各省,已经出现了单轮犁。因为有轮子承载犁的重量,农民们就可以在木犁的刃上包一层铁皮,加大犁的重量。铁皮不仅延长了犁的使用寿命,而且还加大了耕地的深度。这种罗马单轮犁被称为卡卢卡(carruca)犁。

普立尼还写道,到公元100年,在较富庶的农业地区,铁犁已经相当普遍。铁犁在人类历史上首次使大规模农耕成为可能。它有三个突出特点。首先,这种锋利的全铁犁,不管多硬的地,都能做到深耕;其次,犁呈水平方向运动,不但可以深耕,而且还能把土翻到任何一侧;最后,犁上装有一块弧形的木板,犁面的上部呈弧形,这样可以把耕起来的土翻到上面来。这种犁耕出的犁沟,深度可达八九英寸。

这种卡卢卡犁的效率的确非常高,但是却十分笨重,两个大汉要拉动它都很不容易。农民们一般用牛拉犁,把一片片荒地变成整齐适用的良田。罗马是世界上最早进行批量农业生产并出口粮食的国家。

铁犁发明之后

6世纪时,体积和力量更大的铁犁在斯拉夫国家出现,并传遍了整个欧洲。由于体积大,这种铁犁需要6头牛才能拉得动。6头牛(后来用马)经常在锁套里纠缠在一起。由于用力很大,锁套经常磨破牛脖颈和肩上的皮,留下深深的伤痕。

大约公元900年,颈圈和马具首先在法国问世。巨大的颈圈可以分散和缓冲锁套的拉力。这样,牲口拉犁时可以用力更大,速度更快,但不会磨破皮,犁地的速度因此翻了一倍还多。17世纪,钢犁取代了铁犁。19世纪,美国农民制造出了多犁头铁犁,一次可以犁五六道犁沟,拉犁的马多达20匹。拖拉机发明以后,农民可以在机器上同时安装20个犁头。

发明时间:公元105年

发明内容:纸是用植物纤维制成的光滑柔软的平面,可以用来写字和绘画。

发明家:蔡伦(中国)

纸为什么是100个最伟大的发明之一?

你一天能接触、阅读或者看到多少张纸?你一天能用多少纸袋、纸板、纸巾、纸面巾、卫生纸、纸壳箱、皱纸壳箱?由于纸量大而价廉,书写和艺术才变成了现实,才成了人类生活中的一部分。

有了纸,也就有了书面文字。纸不但改变,而且也成就了我们的交流方式和社会组织方式。纸决定了我们贮存、保护和共享我们的历史和信息的方式。让我们感到惊讶的是,在这100个人类历史上最重要的发明中,有19个就是直接依赖于纸,48个间接依赖于纸。

纸的发明历史

纸发明之前

纸发明以前,古人在黏土板和干羊皮上写字。但这些东西普通人没法得到,所以书写只是御用文人的特权。到公元前3000年,埃及人把纸莎草纤维一层层剥下来后压在一起做成了写字用的卷轴。也就在这个时候,中国人把桑树、无花果树、月桂树的内层皮扒下来,晒干,捶打,制成了写字的树皮纸。中国人和埃及人用的写字纸,表面都比较光滑、柔软、结实耐用。但是,像羊皮纸和犊皮纸一样,这样的纸数量有限,而且造价昂贵,普通人很难用得上。

纸是怎样发明的?

蔡伦在东汉和帝时任中常侍。他也是一名科学家。公元104年,和帝向蔡伦提出了这样的问题:用树皮造纸很慢,又很费劳力,而且树皮数量有限。和帝后来下诏,要蔡伦发明一种纸,不仅质量要更好,而且数量要大。

蔡伦首先寻找新的纤维资源。他试验了其他几种树皮:有的太脆,很容易折断;有的制造出的树皮纸不易着色;有的无法加工;有的则容易在制作过程中碎成粉末,无法制成细纤维。

一天,蔡伦从集市上走过,发现了一堆废弃的破布——有的是亚麻布,有的是大麻布,有的是丝绸。他心想,既然这些破布是用植物的纤维制成的,那么为什么不可以用作造纸的纤维呢?他抱起一包破布,回到了自己的作坊。

关于他做实验的详细经过,史书上没有什么记载。他想出了一个方法:把原料挫、捣、切、浸以后,放到大水缸里搅拌,把不同的纤维进行分离,然后把用竹帘编成的滤网浸到水里,这样竹网上就均匀地附上了一层纤维。干燥以后,这层纵横交错的纤维就是他新发明的书写纸。

为了满足书写的需要,新发明的纸必须薄,而且表面光滑、干净、平整、结实,墨汁写上去不洇不渗。但他最初的努力没有成功。

他又用新工艺新材料进行实验:破布需要剪得多碎?纤维浆需要搅拌多久?如果把竹网放到水里时间太短,纤维就不能充分分离,造出的纸表面就会很粗糙。如果搅拌的时间太长,纤维吸收的水分就会太多,不易晒干,也很难合到一起。如果舂得太狠,纤维就会被砸碎,纸会太薄而且不结实。

随着时间的流逝,他的技术变得越来越成熟。公元105年春,他选定了桑树皮与亚麻、麻头(从破布中抽取)掺上少量碎竹作原料,把这些原料的纤维混合到一起,他终于发明了质量上乘的纸。这种纸比以前他所发明的任何一种纸质量都要高,每一页都十分平滑而整齐,干得很快,而且干后平整、柔软、结实。由于纸里的麻头纤维吸墨,这种纸不洇不渗。最可喜的是,这种纸的大部分纤维都是来自破布。每个城镇里废弃的破布成堆,很容易找到。

实际上,蔡伦发明的纸在发明后1000年的时间里并没有被叫做“paper”。他发明的造纸工艺传到欧洲以后(约公元1100年),欧洲人误把这种纸的原料当作了纸莎草(papyrus),由此才开始把纸叫做“paper”。后来,虽然人们知道了“paper”和纸莎草的纤维并非取自同一种植物,而且制造工艺也不相同,但“paper”这个名字还是流传了下来。

纸发明之后

蔡伦的造纸工艺于公元600年以前传到了朝鲜、日本,不久又传到了阿拉伯世界。摩尔人入侵西班牙的时候,把造纸术也带到了欧洲。到公元1300年,欧洲大陆上的造纸厂已经到处可见——它们使用的都是蔡伦的造纸工艺。一个师傅带着五个徒弟一天就能造出2500张纸。

破布因为是造纸的主要原料,所以就成了贵重的商品。只要印刷业存在,纸的需求量就会不断增加,如果破布短缺,整个造纸行业就有可能瘫痪。破烂商甚至从晒衣绳上把衣服偷走剪成破布,有的从纺纱厂偷走新纺的纱,做成破布。

17世纪末,德国造纸厂采用了一种新工艺。他们把木屑用作纸纤维原料。此后不到一个世纪的时间,树木便取代了树皮和破布,成了造纸的主要原料。

1798年,尼古拉斯·娄·罗伯特(Nicholas Low Robert)发明了第一台自动造纸机。1870年,玛格丽特·奈特(Margaret Knight)发明了长方形底纸袋。1794年,托马斯·爱迪生发明了蜡纸。

电子邮件、网上搜索、个人电脑、掌上导航仪的使用和无纸办公运动的开展,使人类对纸的依赖程度正在变得越来越小。两千年来一直是人类信息储存和传递主要手段的纸的时代,大概就要走向终结。

水泥

发明时间:公元285年

发明内容:水泥是混凝土中的一种胶凝材料,它能将细沙和沙砾牢固地胶结在一起。

发明家:罗马工程师(意大利波佐利)

水泥为什么是100个最伟大的发明之一?

2000年来,水泥和由其制成的混凝土,一直是人类建设城市、桥梁、大教堂、大型水力发电站、摩天大楼、渠道、排水管、公路和街道等的主要建筑材料。

把一枚枚火箭送上太空的火箭发射台,是用混凝土建成的;中古世纪的伟大建筑奇迹——一座座一流的欧洲大教堂,是用混凝土建成的;那些保存了2000多年的罗马桥梁和渠道,也是用混凝土建成的。

水泥的发明历史

水泥发明之前

将细沙和沙砾通过黏合剂胶结在一起的设想至少已经有7000年的历史。在多瑙河沿岸的棚屋中,人们曾经发现了公元前5000年类似生混凝土的厚地板层。公元前3000年,埃及人便发明了类似水泥材料的黏合剂,并将其用于混凝土建筑。但是埃及的水泥由于缺乏强度和硬度而不够坚固耐用。他们采用石灰和石膏(一种含钙量丰富的矿物质)的混合物作为黏合剂制成的混凝土强度很低,往往数年后便会破裂、瓦解。

水泥(cement)一词来源于拉丁文的caementum,是碎石、片石的意思。最初,水泥一词是指由石灰、黏土、石膏和细沙制成的黏合材料把碎石松散地粘在一起所形成的所有混合物。后来罗马人将“cement”一词用来专指黏合材料,并且还发明出了“concrete”(混凝土)这个词来指代细沙、沙砾、水和黏合材料——水泥的完全混合物。

水泥是怎样发明的?

早期的罗马工程师(约公元前300年)仿效希腊和埃及建筑师生产水泥和混凝土的技术,他们沿用了这两国技术中相同的部分,即水泥、细沙、沙砾和水的比例。石灰石在窖中经过煅烧后,再将其碾成粉末,这样就制成了水泥。用这种水泥建造的建筑物,有的使用寿命较长,有的却在几年内就破裂,需要重新修葺。到公元100年,罗马统治者已经意识到,建筑物不牢固是一个很大的问题。

据记载,公元285年罗马工程师首次在意大利波佐利市附近的维苏威火山的山坡上使用火山土进行了实验。他们发现,这一片广袤的地域,上面被颗粒状的细沙似的土壤覆盖着。这种土壤呈深红褐色,不是呈普通细沙的棕褐色或浅棕色。

建筑师们惊奇地发现,这种混凝土有罕见的强度和硬度。工程师们认为这种超常的强度源自波佐利细沙。他们用这种细沙做实验,结果发现波佐利的细沙并不同于普通的细沙,而是矾土(铝的一种形式)和硅土含量很高的地表火山渣和火山灰。进一步的实验还证明,把地表的硅土和矾土一同煅烧、碾碎,然后跟石灰石(石灰的通常来源)掺在一起,这样制造出来的水泥,性能要远远胜于当时的标准水泥。

罗马人将这种硅土、矾土和石灰石的混合物称为波佐利水泥。工程师们找寻到了硅土和矾土的其他来源,同时实验测定了它们之间的比例。尽管最终的配方不再需要波佐利细沙,但这种水泥仍然以它首次被发现的这个小镇的名字命名。

水泥发明之后

随着罗马帝国的灭亡,许多长年累积下来的罗马知识和技术都失传了。水泥制造技术便是其中之一。这使得欧洲人在其后1200年的漫长岁月里,不得不依赖于落后的罗马以前的水泥制造技术制造混凝土来建筑房屋。1568年,法国建筑工程师菲利贝尔·德洛尔姆(Philbertdelorme)再次发现了罗马的水泥配方,并因此成为当时最著名的建筑师。他的发现使混凝土建筑恢复到了1200年前的强度和质量。

1824年,英国的泥水匠托马斯·阿斯普丁(Thomas Aspdin),为了省钱打算自己制造灰泥(水泥)。他偶然将一份以3∶1的比例配制的石灰石和黏土的混合物煮过了头(他煮的时间和混合物的温度都大大超过了当时的普通标准)。当他将这种水泥和水和在一起时,这种新的混凝土显示了令人难以置信的强度。阿斯普丁用附近的城镇波特兰命名这种水泥。波特兰水泥是建筑师们和那些勇于实践的人们的标准水泥。

1867年,法国人约瑟夫·莫尼尔(Joseph Monier)发现了一个弥补混凝土弱点的方法。混凝土有很好的抗压强度(混凝土的基本抗压强度),但却几乎不能承受多大的拉力(施加于一个混凝土圆柱体两端的拉伸力)。链条、绳索以及长鞭都有很高的抗拉强度,但却不能承受压力。莫尼尔将此两者合而为一。他在浇注混凝土时把金属条放在圆柱当中,由此发明了第一种强化混凝土。

近年来,由于波特兰水泥有缺点,世界范围内的建筑业发展步伐十分缓慢,水泥的价格也急剧攀升。这将促使人们去努力寻找新的建筑黏合物。但是直到现在,水泥这一古罗马发明的替代品,依然没有找到。

发明时间:公元810年

发明内容:零是用于“计数虚无”的数字,它将正数序列与负数序列连接在一起。

发明家:穆罕默德·伊本·阿尔花拉子模(Muhammadibn Al-Khwarizmi,伊拉克巴格达)“零”为什么是100个最伟大的发明之一?

数字和数学是基本的科学语言。数字还是唯一一种能被地球上所有的文化和民族都理解和使用的通用语言。由10个阿拉伯数字及相应的书写数字方法、演算基本数学和代数学方法构成的阿拉伯数字系统为现代科学和贸易提供了平台。“零”在整个数字系统里最是无足轻重。阿拉伯数字系统中的其他数字被使用了300多年以后,它才被发明出来。没人想过要用一个数字来表示“无”。希腊人不曾想到,埃及人不曾想到,罗马人不曾想到,亚里士多德(Aristotle)、欧几里德(Euclid)、阿基米德(Archimedes)、毕达格拉斯(Pythagoras)都不曾想到。把“零”作为一个真正的计算数字来使用这一发明,完善了阿拉伯数字系统。“零”这一数字的发明,也使复杂的算术成为可能。

今天,我们生活中的方方面面,都跟我们有效而准确地掌握数字的能力息息相关。计算机、建筑、导航、革新以及报时,都依赖于数字和数学的应用。而所有这一切,都依赖于数字“零”。“零”的发明历史“零”发明之前

大约在公元500年,印度的印度教数学家创造了我们现在使用的1~9的数字符号。他们还创造了沿用至今的数字书写、加法、乘法等一套完整体系。在这个过程中,他们发现有必要发明一个符号来标记数字空缺的位置。于是,他们创造出了“sifr”(“0”)这个占位符,来表示“数字的空缺”。这一创造,使得现在人人都知道了570和507、5700或5007的区别。“sifr”并不是一个数字,而只是一个占位符。它能使真数字位于正确的数位。大约在公元750年,这套数字体系(世界上最先进的数学体系)传到了西部的阿拉伯世界。“零”是怎样发明的?

公元810年,作为当时阿拉伯世界的首都的巴格达,其宏伟的宫殿被称为“智慧宫”,吸引了许多阿拉伯数学家和科学家来到那里。其中最著名的便是穆罕莫德·伊本·穆萨(Muhammadibn Musa),即众所周知的数学家阿尔花拉子模(Al-Khwarizmi)。那年春天,当荒漠的风在窗外低语,当多汁的椰枣在枣椰树上成熟之时,哈里发(Caliph,当时的统治者)的会议室里展开了一场伟大的辩论。

三个人参加了这场辩论:哈里发本人、阿尔花拉子模和宫廷数学家艾哈迈德·伊本·阿齐兹。他们争论的主题就是“sifr”——空位,也就是我们所说的“零”。多年以前,阿尔花拉子模就曾经参与劝说宫廷使用更为先进的印度数字体系。现在他又来到宫廷劝说哈里发改变这一数学体系中的重要元素——“sifr”的作用。

阿尔花拉子模强调“sifr”必须变成一个真正的数字。阿齐兹(Ahmahdibn Aziz)反驳说数字“0”一直就只是个占位符,不是真正的数字,现在仍然不是。哈里发认为,只有阿尔花拉子模证明“sifr”能像其他数字一样运算,并且拥有其他数字所具有的全部功能,他才会宣布“sifr”成为一个真正的数字。

也就是说,阿尔花拉子模必须证明“sifr”(“0”)能够进行加减乘除运算,能作为代数的指数,并且要像其他所有的数字一样非奇即偶。

加法和减法很简单。7加0等于7。如果能参与加法运算,那么“0”肯定是一个数字。因为只有数字才能和其他数字相加。

对于阿尔花拉子模来说,乘法和除法就较为难解释了。他利用钱币来进行演算。用一堆钱币乘以四,他必须摆出四堆钱币;用一堆钱币乘以二,他必须摆出两堆钱币;而用一堆钱币乘以零,他则不需要摆出任何钱币。任何数字乘以零,结果都是零。

阿尔花拉子模利用相同的钱币堆进行零的除法运算,并且将“0”当作指数进行演算(使其他某些数字具备零的特性)。阿尔花拉子模在哈里发和阿齐兹两人长达两天的质疑中,终于取得了胜利。他说服了哈里发宣布“sifr”是一个真正的数字。我们沿用至今并赖以生存的基本数字体系由此变得完整起来。“零”发明之后“algebra”一词是由阿尔花拉子模为“数学”发明的,该词出自阿拉伯语。在数字“0”成为一个真正参与运算的数字以后大约200年,“阿拉伯”数字传到了欧洲。“阿拉伯”数字首先传到了中世纪欧洲的数学和科学中心——意大利。由于这套数字是从阿拉伯传入欧洲的,欧洲人便称其为“阿拉伯”数字,尽管它们实际上是由印度的印度教数学家发明的。

数字序列和数学体系根据研究需要不断发展。1545年,拉斐尔·邦贝利(Rafael Bombelli)在意大利发明了虚数。17世纪60年代,微积分问世。这一发明通常被归功于艾萨克·牛顿(Isaac Newton)。(尽管还有其他的欧洲数学家也证明自己对微积分的发明作出了一定贡献。)

最近被添入数字体系的概念,是用于计算无穷大和无穷小的超实数。它是由约翰·康威(John Conway)和马丁·克鲁斯凯(Martin Kruskal)于1992年在普林斯顿大学发明的。在我们的数学体系继续向前发展的过程中,“无”的力量将继续成为所有数学的奠基石。

火药

发明时间:1261年

发明内容:一种剧烈爆炸性混合物,由三种主要原料——硝酸钾、木炭和硫黄组成。

发明家:罗杰·培根(法国巴黎)

火药为什么是100个最伟大的发明之一?

火药的出现革新了人们的战争和军事思想。大炮、步枪、火箭和炸弹是用黑火药制成的。它们的出现,完全取代了以前的战斗武器。

然而,火药的作用还远不止体现在武器上,它对土木工程也发挥着举足轻重的作用。有了火药,采石、教堂地基和道路的建设就不再繁琐而缓慢。最重要的是,火药改变了工程师们关于土木建筑方面的思维。

火药的发明历史

火药发明之前

火药出现之前,人们作战时使用的主要武器是箭、盾、矛和弓,工程建筑也只能依靠单纯的体力劳动,大型土木工程(如修路、开山、筑坝等)要完全依靠成百上千的人(通常是奴隶)用手工和体力来完成。

火药是怎样发明的?

培根首先发明和使用火药的是中国人。火药发明时间在公元850~1000年间。但是,关于发明家和发明、使用的过程,史书上没有记载。1261年,英国科学家培根(Roger Bacon)发明了火药的最佳配方,并亲自验证了它的可行性。这种爆炸性化合物的发明过程和所使用的原料,历史上均有记载。

1237年,年仅17岁的培根在巴黎修道院任摄政长,教授文学和自然科学。作为一个睿智的思想家,培根曾预言了轮船、汽车和飞机的出现,并且对它们进行了精确而详细的描绘。500~700年后,这些机械竟然真的出现了,并且与培根的描绘惊人地相似。伽利略的描绘还比他晚了300年。培根还致力于光学研究,发明了放大镜。直到1260年,人们都称他是“神奇的学者”。

培根一直自称为炼丹家。炼丹术主要研究自然元素及其化合物的属性。1261年夏天,时年47岁的培根已头发稀疏。身为修道士的他,开始了一系列针对硝酸钾的实验。硝酸钾是一种钾的硝酸盐,存在于腐烂有机物中,是许多化肥的主要原料。

培根认为,一个炼丹家的职责,就是用某种方式组合自然元素,使得到的混合物的属性不仅仅是单个元素属性的总和。在他的修道院住所里,墙边摆了长长一排瓶子和袋子,里面装着他所搜集的天然元素。

那年夏天一个雾气蒙蒙的早晨,培根拿来一瓶硝酸钾和一袋木炭放在实验台上。前一天,他曾经用好几种比例和方法混合这两种物质,但都没有发生什么反应。今天,他决定试着添加第三种物质来激活反应。

他称出一定量的颗粒状硝酸钾,加入等量木炭颗粒,然后转过身注视着他那些袋子和瓶子。啊!他看到了硫黄!这是一种很好的活化剂。

于是,他又往那只灰黑色的试管里加入了少量淡黄色硫黄,然后摇匀。

可是,仍然没有反应发生。

培根想,这并不奇怪,许多反应不仅需要活化剂,催化剂也必不可少。培根来到窗前,他想到了太阳光。炼丹家都知道,阳光在很多反应中都可以充当催化剂。

还是没有反应发生。

培根从炼丹书上了解到,如果光不能激活反应,那么很可能是因为反应物的温度过低。于是,他把反应物置于阳光下暴晒。

结果,他又一次失败了。

既然光和热都不可行,火应该是最好的方法。

培根从走廊里取来一根蜡烛,凑到了反应堆上。

一瞬间,火光迸发,轰的一声实验台上的反应物爆炸了。震耳欲聋的爆炸声传出了修道院。实验台被炸得支离破碎,横七竖八落了一地。培根的脸和周围的墙壁都被浓烟熏得乌黑,爆破发出的气浪把他推到了墙边。门外的修道士和居民们惊恐地望着清晨晴朗的天空,他们心里纳闷,这么晴的天,怎么会打雷呢?

培根本人惊呆了。他的眉毛烧焦了,耳朵里还嗡嗡作响,屋里弥漫的酸性烟雾把他的眼睛刺激得隐隐作痛。真的爆炸了!

但是,他并没有因此就结束实验。在后来的实验中,培根又确定三种混合物的最佳比例和发生爆炸的各种条件。需要同时弄清楚的问题还有:实验结果是否与加入混合物的顺序有关?是否还有其他因素对实验有重要影响?等等。

10分钟以后,第二次爆炸开始了。巨大的“雷声”又一次伴着火光和滚滚浓烟从培根的房间传到了千里之外。

火药发明之后

史瓦兹培根是一个充满好奇心的科学家,但不是务实肯干的发明家。他发明了一个火药的最佳爆炸配方:75%的硝酸钾,10%的硫黄,15%的炭。然后他就投身于其他实验了。直到100年后,德国修道士史瓦兹(Berthold Schwartz)才发现火药可以用来制造武器。

那时,培根发明的黑色火药一直是唯一的炸药。直到1846年,意大利化学家阿斯卡尼奥·索布罗雷(Ascanio Sobrero)发明了一种烈性液体炸药——硝化甘油。1866年,瑞典的诺贝尔在索布雷罗的基础上改进并发明了一种新型炸药“达那马特”(即TNT)。1868年,诺贝尔发明的TNT成为新的炸药标准。原子弹和核弹的爆炸威力也经常用TNT含量来衡量。

眼镜

发明时间:1280年

发明内容:一种经过磨光、用来矫正人们视力缺陷的透明镜片。

发明家:亚历山大·史毕那(Aless and rodella Spina,意大利佛罗伦萨)

眼镜为什么是100个最伟大的发明之一?

少年时的西奥多·罗斯福,后来的美国总统,第一次戴上眼镜时被自己所看到的影像震惊了,正如他所描述的那样“眼前的世界突然之间变得清晰起来”。他称这一刻是他生命中意义最深远、最难忘的时刻之一。

眼镜为人们日常生活提供了必不可少的明晰影像。它的出现使得十几亿人能够顺利地进行阅读,接受教育,享受生活。随着现代生活对清晰影像要求的日益提高,眼镜的重要性也日益突出。

眼镜的发明历史

眼镜发明之前

罗杰·贝肯1250年以前没有任何关于眼镜的记录,但毫无疑问,此前一定有许多人受到视力缺陷的困扰。1249年,英国科学家兼发明家罗杰·贝肯曾提到过“能够改善视力的镜片”,这是最早的用镜片矫正视力的记录,但并没有任何证据显示贝肯曾经拥有或制造出眼镜。据传,早在公元1000年,中国和阿拉伯世界部分地区的人们就已经能够用抛光的凹面来扩大图像了,类似于我们今天用放大镜,他们能够使用透明水晶镜片放大图像。

13世纪中期,意大利威尼斯的能工巧匠们就已经掌握了磨削、抛光镜片的精细工艺。当时的镜片主要是由透明水晶制成的。不经意间,人们制造出了在不使图像扭曲变形的情况下能够放大图像的镜片。这种镜片后来为科学家们所使用,但造价不菲,价格昂贵。那时,因为无法清除玻璃中的杂质,并且在玻璃的制作过程中还要添加化学药剂,所以当时生产的玻璃都是有色玻璃。玻璃中还经常有些小气泡和瑕疵。除此之外,由于当时的玻璃很难打磨得光滑平整,要使透过镜片看到的影像不发生扭曲变形绝非一件容易的事情。

眼镜是怎样发明的?

自1275年起,多明尼各修会的男修道士亚历山大·史毕那与物理学家萨尔维纳·德格里·阿尔马提一起在他们的家乡意大利佛罗伦萨进行了各种各样的科学实验,萨尔维纳·德格里·阿尔马提其中许多实验都与研究光的特性有关。

1276年,他们对光的折射现象进行实验,研究光在通过水、石英、玻璃等材料时会发生弯曲的现象。实验过程中亚历山大的眼睛严重受伤,他的视线变得模糊,眼睛看不清东西。由于眼睛不能聚光,他无法看清放在手上的物品,无法阅读文字记录,也无法看清实验中形成的反射光线。

亚历山大无法再继续工作下去,便退隐到修道院里个人的世界中去。1278年,阿尔马提去修道院看望亚历山大,带去了自己最近一次去威尼斯时买回的一副水晶镜片。亚历山大发现自己的视力在阿尔马提带回的凸透镜帮助下得到明显改善,物体看起来更大更清晰了。

亚历山大对这套设备产生了强烈的好奇心,同时,他为能够重新恢复视力再次投入到光实验中,开始对镜片的效果进行测试。亚历山大来到威尼斯,跟水晶研磨工匠们一起工作,不断改变镜片的形状和凸曲线的弧度。他尝试了椭圆形、圆形、方形等各种形状各异、大小不同的镜片,以求将镜片对世界的扭曲程度降到最低。

用眼镜进行阅读

的亚历山大亚历山大学会了磨削、抛光自己佩戴镜片的方法,并且开始设计镶嵌镜片用的镜框。如果有了镜框就可以把镜片拿在手里放在眼前使用了。1280年,亚历山大完成了自己的设计,称之为“眼镜”,这是世界上第一个眼镜。他先制造出两块磨光的水晶凸透镜,然后把这两块镜片镶嵌在由毛皮和金属制成的镜框里。所用的两块凸透镜是专门针对他自己的具体视力状况设计的,能够最大程度上矫正他的视力缺陷。亚历山大设计的眼镜没有鼻部固定装置,也没有镜框和镜腿,使用时,为了使镜片位于眼睛前方,还须用手握住眼镜上部的一块金属条放在眉毛与前额处才能进行阅读。但不管怎么说,借用这种镜片亚历山大又能够看清东西了。

眼镜发明之后

1300年,眼镜上配上了卡钳式镜桥,这样使用者就无需用手握住眼镜了。截至1310年,戴眼镜在佛罗伦萨已经成了一种时尚的象征。每个人都希望自己能够拥有一副眼镜,即使他们视力正常。1340年,用于矫正眼睛近视的凹面镜问世,发明者不详。

1650年左右,太阳镜首次亮相德国。这种眼镜的镜片呈烟熏色。不久,各种颜色深浅不一的有色眼镜上市,而且广受欢迎。1727年,伦敦的爱德华·斯卡雷特发明了眼镜边架(眼镜腿),把眼镜固定在合适的位置上,不必再像以前那样靠夹捏鼻子来固定眼镜了。斯卡雷特给这种眼镜命名为“带边架的眼镜”。自1746年起,巴黎的一家公司开始批量生产带镜腿的眼镜。1755年,久负盛誉的美国发明家本杰明·弗兰克林厌倦了来回更换远视镜(即老花镜)和近视镜的麻烦,所以他将这两种镜片分别剪成两半,然后将不同的两种镜片对接粘贴在一起,远视镜在下边,近视镜在上边,世界上第一个远近两用的双焦点眼镜由此诞生。

1508年,列奥纳多·达·芬奇勾画出了隐形眼镜的草图,并阐述了其相关原理。1632年,久负盛名的哲学家兼数学家雷内·笛卡尔提议使用角膜接触式镜片(即隐形眼镜)。1888年,瑞士人尤金·菲克和法国人安瓦多·考尔特设计并使用了世界上第一副隐形眼镜。1936年,纽约验光配镜师威廉·费博龙制成了第一副美国产的隐形眼镜,并研制出世界上第一副塑料制隐形眼镜。1950年,在美国俄勒冈州,乔治·巴登福右设计出了硬性隐形眼镜,成为现代硬性隐形眼镜的雏形。1971年,由奧托·威特勒制造的软性隐形眼镜问世。

新兴的激光外科手术技术正在日益减少人们对眼镜的依赖。近视眼与远视眼这两种最常见的视力问题都可以通过激光手术得以矫正。也许终有一天,眼镜将留在人们朦胧的记忆里。

风车的发明

发明时间:1280年

发明内容:利用风能并把风能转化为机械能的一种装置。

发明者:未知(比利时、荷兰)

风车为什么是100个最伟大的发明之一?

风车初始取代水车是作为碾磨谷物的主要工具,而后在干旱地区它又用作抽水泵,在洪涝地区用作排水泵。风车能从地下水层(涵水域)向地表抽水。或许正因为风车的运用,美国平原地区和西部地区才出现了大规模的移民,农业才得以发展。

风车还是一种重要的可再生电力的来源。1000年来,由于其用途广泛,没有污染,值得信赖,风车已成为一种重要的能量来源。

风车的发明历史

早期风车素描风车发明之前

公元前3000年,人们就已经借助风力驱动帆船航行了。然而,几千年后,人们才产生了将风力用作他途的想法。

最早在陆地上利用风力的是波斯人。早在公元600年,波斯人就用芦苇垫、编织的棕榈叶,偶尔也用长木条,制成小翼板。翼板安在一根垂直的风转动轴上,水平方向旋转,带动立轴,为碾磨谷物提供动力。

然而,由于风的多样性和多变性,水平风车在许多地区的效果不佳,所以从未传入非洲和欧洲。

风车是怎样发明的?

约公元1100年,“地中海”风车开始在意大利出现。高大的两层石头建筑上安装了垂直翼板,如同帆船的三角帆。这些翼板斜度适当,因而风吹不到翼板的正面,而是吹到了侧面或边缘。所有的翼板顺风转动,带动相连的一根立轴,立轴连带下方的磨石转动。

然而,地中海风车只有在风向和风速适当的情况下才能转动。由于条件限制,地中海风车磨房大部分时间都处于停工状态。

单柱风车第一台实用的风车于1250年左右问世,叫做单柱风车。有证据表明,单柱风车首现于低地国家,随后很快传到英格兰。没人知道是谁第一个为单柱风车增设了一些功能,使其优越于以前的风车。有了这些附设功能,单柱风车几乎可以全年迎风而转。这样一来,风车首次超越了水车,比水车更可靠、更实用。

单柱风车后来在7个方面得以改进,所以比别的风车都更实用、更有效。其一,这种风车有一个可旋转顶端。石塔的整个顶端在木梁上旋转,因而能四面迎风。其二,风车的翼板像螺旋桨叶片迎风而转,因此所覆盖的风域更广,产生的能量更多。

其三是它的尾杆。这种风车的尾部装有酷似飞机尾翼的尾杆,随风转动的尾杆使叶片始终能够迎风而转。尾杆也能由人控制,转动尾杆可使翼板迎风。

在旋转过程中,垂直向下的那块翼板(木料或帆布料)底端始终贴近地面,这样磨工能轻松地改变翼板或重新安装翼板,确保无论在微风还是劲风中风车都能转动。

单柱风车内部也增设了3个重要功能。它是第一种带离合器的风力驱动轮,磨工能借助离合器分离开磨盘和风车叶片。此外,它还是一种带齿轮装置的风车。有了巨大的木制齿轮传动装置,磨工就能控制磨盘的转速,从而保证碾磨质量,控制磨出面粉的精细度。最后一个内部功能是它的直梁和支架。单柱风车由数根支架支撑,所以比以前的任何风车都更加牢固稳定。

单柱风车很快就在欧洲大陆传播开来。甚至在水系条件好的地方,许多居民也转而采用借助风力碾谷磨粉的办法——因为河流冬季结冰,旱季枯竭,这都会导致磨房停业。单柱风车在欧洲大陆独领风骚600年。

单柱风车发明之后

塔式风车直到18世纪中叶美国才出现了第一架单柱风车。之前,在美国,殖民者喜欢以水车碾磨谷物,水车也用于工厂照明。

18世纪中叶,塔式风车主要用于抽水,很受欢迎。翼板装在塔顶,塔可以造得很高,便于利用更大的风力。在易涝的低地,风车把水从低地抽到排水渠。在西部开发期间,移居西部的美国人都用塔式风车抽水,抽水灌溉果园和农田,汲水饮用洗刷,饲养家畜。塔式风车推动了美国的西进运动,使辽阔的草原转化为农田。

19世纪初,蒸汽机已取代风车,为磨房和工业提供动力,备受青睐。19纪末,电动机和内燃机在欧洲大陆得以普及,取代了大部分风车。尽管风车在美国平原地区还未被淘汰,但其数量,就像幸存的野牛数量那样,不过是其全盛期的九牛一毛。

现在风力又有了新用途,人类利用风力发电。美国有12个主要“风力农场”,这里的风车看上去犹如把大片巨型飞机螺旋桨安装在了牢固的电话线杆上。全国12%的电力由可再生燃料产生,其中很大一部分来自这些“风力农场”。

玻璃镜

发明时间:1291年

发明内容:一种光滑、明净或经抛光的平面。该平面经反光可逼真地重现物体形象。

发明家:手工艺人(意大利威尼斯)

镜子为什么是100个最伟大的发明之一?

照镜子可以看清自己的模样。镜子使人们普遍有了“相貌”的概念。在镜子尚未普及、人们买不起的时代,多数人无法确切知道自己的“相貌”,也很少在乎过自己的模样。有了镜子以后,时装、化妆品便相继问世,人们也开始了对魅力的追求。

美妇照镜在科学上,有了镜子才有了激光放映机、

望远镜

和其他科学仪器,人们才能看见、记录并测量一些肉眼无法察觉的自然现象。在汽车和自行车上安上镜子,生活就变得更加安全,无数生命可免遭伤害,但镜子最大的用处是用来端详容貌。每年,我们花在美容产品上的费用高达10亿英镑。每天,我们都会在镜子前花上数小时,梳理打扮,唯恐仪容不整,这一切全都是因为有了镜子。

玻璃镜发明之前

铜镜据古罗马历史学家普立尼说,公元前4000年黎巴嫩城市伊东曾出现过以金片制成的握式镜,然而考古学家尚未发现可证明这一说法的实物。

抛光的黑曜石(一种由火山喷发形成的黑色天然玻璃状物)镜子可追溯到公元前2000年,当时只有贵族才有这种镜子。中国最早的抛光铜镜应出现在公元前500年。大约在同一时期,罗马也有了铜镜。这种手握式镜子体积小,价格不菲。第一面可照全身的镜子(一种由罗马黄铜制成的壁挂式镜)可追溯到公元100年。

玻璃镜是怎样发明的?

13世纪上半叶,玻璃制造已成为意大利威尼斯手工艺者的专长。1286年,威尼斯城邦的督治(统治者)下令要玻璃艺人连同其商铺一同迁移至威尼斯海湾的穆拉诺岛,并派人把守该岛屿,以防玻璃制造工艺外传。督治下令说,任何知道玻璃制作秘方的人私自离岛将受到严惩,逐出威尼斯。威尼斯的玻璃质量上乘,声誉日渐提高,玻璃工艺技术也因此受到越来越严密的监控。

岛上的工匠主要从事3个领域的工作:玻璃的装饰(以吹制玻璃为主)、片状(或板状)透明玻璃的压平和镜子的制作。威尼斯工匠们进行了长达30年的试验,试着将不同剂量的各种化学物质加入玻璃配方,透明光滑的玻璃镜以期制出透明的玻璃。当时的玻璃制造者还不能像今天这样提炼纯化原材料。微量矿物质和金属杂质的残留物会在玻璃上形成杂色,玻璃因此变得浑浊,呈灰色。

1290年末或1291年初,威尼斯工匠找到了正确的配方并制出了世界上第一块全透明玻璃。人们将其视为最珍贵的玻璃制作秘方。

配方问世前一两年,手工艺人就已经掌握了一套最佳制作方法,即把一滴滚烫的熔融玻璃液延展、抚平,使其形成光滑的薄片,但熔融玻璃液总是粘在长铁管的尾部,而且不等冷却就固而成型。威尼斯人想出了一个办法:将玻璃压成片状。这样就几乎消除了玻璃中的瑕疵、气泡和波纹,制成的玻璃片就像我们现代的窗玻璃一样透明光滑。

岛上其他工匠用不同的镜背材料做试验,以期研制出一个反光平面。金属镜背须薄而易弯曲,反光性能好,容易固定在玻璃片上。金和银都符合这一要求,但是对大规模生产来说成本太高。同年初期,即1291年初,这些工匠决定用锡和汞的混合物做镜背。这种混合物易制成平滑的薄片,易于附着,反光性好,与金子相比,其资源充足,价格便宜。

1291年期间,这些研制成果集中到一起就生产出了第一批现代、实用、镜面清晰的玻璃镜。

镜子发明之后

1300年以前,威尼斯一直是整个欧洲玻璃和镜子制造业的中心。威尼斯的历代统治者极力严守玻璃制作流程的秘密,但有价值的秘密欲守亦难。到1350年,玻璃制作流程已为外界所知,其他的城市开始仿照威尼斯的玻璃制作流程。即便不是照搬威尼斯工匠的技艺,也是借鉴了其制作技艺。1390年,德国产的镜子首先使用了镜框(先是金属镜框,而后使用了木制的镜框)。到1600年,壁挂式镜子在欧洲风靡一时。

1835年,利比格发明了新的镜背工艺,即用化学方法在镜子上直接镀上一层银,这种方法沿用至今。5年后,新玻璃制作工艺降低了德国镜子的价格。欧洲各阶层的人也因此而买得起镜子了。

今天,有了透明塑料和丙烯酸塑料,镜子生产已经能够摆脱对玻璃的依赖。现在,有些镜子是用抛光金属制作的。在近50年中,镜子使用率越来越高。家庭、商店、办公室以镜子作为墙面的装潢设计空前盛行。与祖辈的房子相比,我们房屋内的镜子用得更多,更频繁。

鼓风炉

发明时间:1350年

发明内容:一种装有鼓风装置、用于提炼金属原材料的冶炼炉。

发明者:里沃勒修道院的修道士(英格兰北约克)

鼓风炉为什么是100个最伟大的发明之一?

冶炼钢铁鼓风炉把铁变成了地球上最重要的建筑材料。此后铁即成为造桥、建塔、盖楼最受欢迎的材料。铁也是工业革命的基础。它韧性强且耐压,质地坚硬而又易加工;它价格便宜,可批量进货,促进了军工制造业和建筑业的革新,改变了战争的性质和城市风貌。庞大的鼓风炉喷火吐焰,锻铁铸钢,为工业革命提供了最基本的材料。

鼓风炉的发明历史

鼓风炉发明之前

以前,一切所需金属器具皆由铁匠们借助壁炉大小的型鼓风炉生产出来的。由于这种炉内的煤和柴燃烧所释放的热量不足以充分熔化铁矿石,所以铁匠们就用手风箱鼓风来提升炉火的温度。早期的鼓风炉铁匠每次只能粉碎少量的原矿石,矿石熔化后倒入石模具冷却。冷却的矿石放入炭火中重新加热后,才能用锤子和碾磨机把软化的金属制成所需形状。

只要量小,铁匠靠手工技艺足以打造铁具或其他金属器皿,但类似建筑物的大梁和主梁这种传统的人工锻铸方法就行不通了,所以建筑师们只能依赖混凝土、木材和石料这样的建筑材料来建楼架桥。

鼓风炉是怎样发明的?

中世纪,在欧洲,修道院既是经济实体,又是财富和学术中心。英格兰北约克郡里沃勒修道院西多会的修道士就是一个典型的例子。他们饲养了1400只羊和成群的猪牛,耕田种地,种花养蜂;他们有自己的樱桃园和啤酒酿制机,还拥有大片土地和一个已具规模的金属加工厂。修道士们雇用农民从事体力劳动,自己则多数忙于诵经习文。

也有一些修道士将毕生的精力花在铁器制造上。他们自己生产犁铧、四轮马车用的金属车轴及车轮用的辋圈,与他人签订铸剑造盾之约。尽管其铸铁技艺在英国已盛名远播,但西多会的修道士仍千方百计地研究提高铁的质量和产量。修道院的一位住持写道:对人类来说铁要比金子更重要。

大约1348年,修道士们发现,如果能把炉火提高到足以熔沸铁矿石的温度,就能把纯化铁同其他成分和杂质分离开来。虽然靠风箱往燃烧的木柴或木炭上鼓风能提高炉火的温度,但这温度远远不能满足需要。修道士们进行了各种尝试,以期放弃风箱吹风助燃之法,找到能连续不断地鼓风助燃提高温度的办法。

鼓风炉水车1350年,修道士们把鼓风炉搬运到一条小河边,建了一个水车,水车与风箱的齿轮相连,河流驱使水车转动。“呼呼呼”,风箱将大股气流源源不断地送入鼓风炉,厚厚的砖砌鼓风炉里温度骤然升高。灌注铁水然而,新问题又出现了。在鼓风助燃的同时,炉外的冷气流也抑制了炉火温度的升高。修道士决定把送风管安在鼓风炉的排气管上面,让气流先在送风管内循环预热后再由风箱送入火炉。

修道士们把铁矿石和木炭倒入鼓风炉,风箱鼓风送出热空气,热气流呼啸入炉,炉内的温度高达华氏3000度,这个温度远远超出了熔沸点温度,足以把铁矿石变成沸腾的火山岩浆般红色液体。熔化的铁矿石通过一个带有阀门的槽流出,杂质作为黑色的矿渣浮出表面,很容易将其剔除。纯铁重量大,因而沿石槽底流动,经石槽流入形状各异的石制或砖制模具。模具因需而异,将铁水铸成形态各异的铁器。

修道士们逐步扩大鼓风炉的规模,最后其鼓风炉一天能加工一吨多浇铸铁,从此开辟了铁作为建筑材料的时代。

鼓风炉发明之后

到17世纪中叶,由于木炭需求增加,里沃勒修道院周围的林木被砍伐一空,修道院的金属加工厂因此而倒闭。里沃勒修道院废墟但是他们的鼓风炉先后在英国以及欧洲得以仿效普及。

1709年,英国工程师詹姆斯·达比发明了焦炭鼓风炉。焦炭(煤的一种)的火力强,比木炭的温度高,效果好。1856年,亨利·伯塞麦爵士发明了转炉炼钢(伯塞麦炼钢法)。

多年来,燃料有了很大的变化,鼓风炉的体积也成倍增加。今天的鼓风炉如大山洞穴,鼓风炉的风箱也为电动机所取代。尽管鼓风炉有了巨大的变化,但现代鼓风炉采用的依然是650多年前西多会修道士们发明的炼铁原理。

快帆船

发明时间:1410年

发明内容:第一艘远洋帆船。

发明家:亨利王子(葡萄牙里斯本)

快帆船为什么是100个最伟大的发明之一?

从第一艘帆船的出现到葡萄牙快帆船的问世历经了几千年的时间。葡萄牙的快帆船对世界范围进行了重新定义,将欧洲的影响扩展到世界各地。

快帆船的发明使环球航海旅行成为可能。就像探索太空的阿波罗一样,快帆船是一个海上和世界版图的探索工具,借此欧洲人可以探索从未涉足的海域和地区;同时它也为欧洲侵略者打开了侵略和剥削非洲人民的大门。

借助快帆船,人们才首次绕过了非洲西部的博哈多尔角;葡萄牙人发现了位于大西洋的马德拉群岛和亚速尔群岛;哥伦布发现了新大陆;后来有人绕过了非洲南端的好望角,驶入印度洋。快帆船的问世一方面使欧洲各国的海上贸易往来成为可能,另一方面也为他们殖民侵略非洲、美洲及印度铺平了道路。

快帆船的发明历史

快帆船发明之前

快帆船发明前,人们很少能够完全借助风力航行。那时,货船和军舰一般配有长桨,逆风逆水时全靠人力划桨行船。即使当时堪称最先进的战式帆船也只是单桅帆船,至少需配置3排船桨,才能确保海战中灵活驾驭。1571年,克里斯舰队和土耳其舰队在勒班多外海相遇,发生了会战,这时舰长们才明白顺风扬帆、逆风划桨的道理。

快帆船是怎样发明的?

14世纪末,葡萄牙在对外扩张的探险活动中已处于领先地位。1410年,年仅16岁的葡萄牙王子亨利决心要使葡萄牙在航海领域占统治地位。但是亨利王子发现远航的问题在于欧洲人使用的船只。于是,他决定集阿拉伯船和欧洲船的优势为一体,开拓创新,设计一种新型帆船。他把这种新型帆船命名为快帆船。1410年,他开始实施造船计划。该工程持续了10年,这期间,他采取了9项改进措施,改进了船的设计和操作方法。

首先,亨利王子把船帆设计成三角形。帆挂在一个倾斜的十字形船梁上。这种设计能使船向风航行,三角形帆减少抢风航行时间(为迎风航行而来回调整船头操控方法)。为了更好地利用风力,帆船由2根桅杆改为3根,又由3根增加到4根。

快帆船亨利王子建造的船体积小,仅60~100英尺长,底部不足8英尺,吃水浅,船舵固定在艉柱上,这些都有助于增加船的灵活性。快帆船像一个空间探索器,外观小巧结实,行驶起来快速敏捷,而且特别适合远洋航行。船上供给舱室存放的供给品足以满足长期航行的需要。

亨利王子以结实的麻绳取代了传统的粗绳,用棉布或亚麻布做帆布。棉、麻帆布造价虽高但效果很好。这一革新使索具简化了许多,帆具对风向风力的适应力有所增强。索具的简化使水手不用再频繁地拉拽那么多的绳索,于是船员数量可以减少到25人;精简人数的同时,帆船的性能却大大增强了。因此,帆船不仅能航行得更远,而且停泊靠岸补充供给的时间间隔也更长了。

方形船尾后来亨利王子还将船尾改成方形,这样就增加了船的空间以容纳更多船员。同时,他还设计了一些小舱口并用沥青密封住甲板,以提高船面防水度。亨利王子命令造船木匠严守造船机密,不许泄露半点快帆船构造的秘密,要求他们既不能售船给外国人,更不能为外国人造船。

亨利王子的最后一项发明对欧洲的航海事业同样产生了巨大影响。他意识到其船队拥有精湛的绘图技术和丰富的航海知识,便决定在萨格雷斯建立一所独特的“航海学校”,教授关于海风、水流以及识别星辰等方面的知识。学校还建立了一套以太阳为基础的纬度表,能帮助航海的人们识别方向,计算他们与赤道之间的距离。

快帆船发明之后

1450年,葡萄牙船队已绕过非洲抵达印度洋,随之又驶入大西洋中部,发现了马德拉群岛和亚速尔群岛。由此,快帆船为欧洲商人打开了与非洲和印度贸易往来的大门。

尽管如此,亨利王子为改造帆船花费了巨额资金,导致他和他的王国濒临破产的境地。后来葡萄牙帝国瓦解,船队也销声匿迹,史传帆船被人为地沉入海底,以免落入敌人手中。四方形帆的三桅帆船当时的葡萄牙式快帆船没有一艘幸存下来,也没有留下详细的图解,有的只是一些草图和流传下来的故事。

其他一些国家很快便开始仿制快帆船并尝试对它进行改造。到1600年,世界上出现了较大的三桅帆船,帆是四方形的。随着时间的推移,它们逐渐取代了快帆船。虽然快帆船在海上统治时期不长,但它对世界政治经济的变化产生了重要的影响。也正是由于亨利王子快帆船的发明,欧洲舰队才得以雄霸海洋长达300年之久。

印刷机

发明时间:1454年

发明内容:一种利用活字大量复印文件的设备。

发明家:约翰尼斯·谷腾堡(Johannes Gutenberg,德国美因茨)

印刷机为什么是100个最伟大的发明之一?

印刷机被许多人誉为过去2000年中最伟大的发明。以前用手工复印一辈子都完不成的工作,现在用印刷机几周就能完成。印刷机使大众扫盲和大众教育成为可能。

科技革新建立在科学家能够记录并共享他人发现的基础之上。有了印刷机,科学家就可以阅读他人的发现成果。印刷机改变了人类社会、人类思维和人类活动的基本结构。

印刷机的发明历史

印刷机发明之前

文件复印一直都是手工进行的,而且通常由僧侣制作。制作一本书不但费时费力,而且价格不菲。更糟糕的是,手工复印会产生错误。每复印一次,错误就会随之增加。

印刷术起源于中国,它解决了以上问题。1040年,毕发明了使用胶泥印版的印刷术。他是活字印刷术真正的发明家。更为可贵的是,西方字母表要求印刷者制作26个字母即可,而毕则必须制作5000多个胶泥活字。

1403年,韩国人金泰忠(King Htai Tjong)发明了金属活字,比毕的胶泥活字更加结实,也更为实用。但是他并没有研发出使用金属活字的整个印刷体系。

印刷机是怎样发明的?

德国谷腾堡在多大程度上借鉴了前人的发明成果还不为人知。历史学家认为他对世界其他地方的发明并不知情,他认为自己是在发明一项全新的技术。

谷腾堡出生于德国美因茨市一个风景如画的小镇。大约1440年,在他年近五十的时候,谷腾堡开始考虑发明印刷机。他花了10年时间来满足3个基本的需要。

首先需要的是印刷机。谷腾堡将碾压橄榄的重型碾压机改装成印刷机。经过改造加固,印刷机能够均匀地同时压过整页。

其次需要的是墨。僧侣和雕版印刷者使用的是墨水。谷腾堡咨询了当时知名的印刷家金属活字(包括凡·达克),最后决定使用印刷家们推崇的油墨和他们正在试验使用的新颜料。有了新型的墨,谷腾堡就能印制出更为清晰的作品。

最后需要的是金属活字。这也是谷腾堡对印刷事业最大的贡献。数年间,他潜心实验各种不同的金属合金。他要找的金属合金必须熔点低,易于模具成字,同时又要十分坚韧,足以承受印刷时成千上万次的挤压和磨损。1450年,他决定采用含锑的铅锡合金。

谷腾堡《圣经》1452年间,谷腾堡的印刷机已经可以投入使用。他借来800盾钱购买纸张、颜料、油墨、铅、锡、锑以及其他一些必需的原料,开始印制他的第一本书——42行谷腾堡《圣经》(42行指的是每页上文本的行数)。他逐个将字母成行排列在木制底盘中,行与行之间由金属栏隔开,字母由金属锲子牢牢固定住。第一页摆好之后,先试印一张,确保字母保持水平,油墨厚度一致,然后他将这页复印了300张。

第一页印完后,谷腾堡把这一页上的三四千个字母取下来,清洁之后,重新排列在适当的位置,着手准备印制第二页。这个过程重复了1282次,三年之后印完了300本圣经。如果手工印制这么多书的话,需要花1200多年的时间。

印刷机发明之后

印刷机投入使用谷腾堡《圣经》不仅是欧洲第一本用金属活字印刷的书籍,而且是一本印刷精良的作品,完全可以与当今的印刷技术相媲美。此后的3个半世纪中,谷腾堡的印刷技术一直被人们原封不动地使用着。这充分证明,他的印刷技术质量高超,而且方法合理。

谷腾堡还没印完《圣经》,就因无力偿还2000盾的债务把店铺和所有设备都赔给了债主约翰尼斯·福斯特(Johannes Fust)。谷腾堡死于1467年,死时穷困潦倒,默默无闻。然而,他的发明改变了一个渴望信息和阅读的世界。在之后的45年中,有500多位印刷家制造出了谷腾堡式的印刷机,印制出了100多万册图书。

如今手置活字已经被电脑、电脑驱动印刷机和影印技术所取代,谷腾堡的发明已成为遥远的记忆。

投影地图

发明时间:1569年

发明内容:三维地球到平面(二维)地图的准确投影。

发明家:杰罗德·莫卡托(Gerard Mercator,德国杜伊斯堡)

投影地图为什么是100个最伟大的发明之一?

地图有很多种:街道地图、世界地图、资源分布图、人口分布图。地图告诉我们身处何地,该往哪里走。地图展示给我们不同地区的空间关系以及地理特征。

如果不是由地图准确地给航海家指路的话,那么远洋航海将会危险重重、险象环生。精确地图首次创造了关于世界的共识。莫卡托的地图标志着希腊地理的终结和现代地理的开始。

投影地图的发明历史

地中海图解航海手册投影地图发明之前

历史上,地图通常都是人们凭借记忆或者对去过的人进行采访而手工绘制的草图。这样的地图在距离和比例上存在着严重的误差。绘图者一般都不会按比例尺绘图。在不说明比例尺有变化的情况下,50英里的距离可能在地图的这一面用1英寸来表示,在另一面则用5英寸来表示。大部分旅行者首先依靠的是路标,其次靠太阳和北极星,而地图只是备用之物而已。

在3~12世纪(欧洲黑暗时代)之间,阿拉伯地图制作者(制图师)在绘图上比欧洲人更讲究精准与科学。直到14世纪早期,欧洲制图师都在模仿阿拉伯的地图。14世纪中期,以罗盘和海岸地标为依据绘制的精确地图(叫做“图解航海手册”)指引商人们在地中海的港口之间来往穿梭。然而,地中海以外的地图却非常不准确。麦哲伦在1521年抵达菲律宾时,把自己的位置估计错了3000多英里。

投影地图是怎样发明的?

欧洲政府开始对制图者施加巨大压力,要他们制作出精确可靠的地图。制图师们面临的最大难题,就是地球的弯曲度和圆球状。航海者没有意识到地球是三维球体这一事实,而这对于二维平面地图来说是灭顶之灾。

制图师在绘制地图时力图保持正确的地表关系。但是,如果制图师像把三维地球摊平到一张纸上那样准确地反映地表形态和地表关系的话,海洋的形态就会被遮蔽,结果海上的直线(直的罗盘航线)在地图上就成了曲线。地图会显示轮船要经常改变罗盘指向。但是如果真这样做的话,他们到头来就会偏离航线成千上万英里。

1552年,佛兰德制图师莫卡托移居到德国的杜伊斯堡,开办了一个绘图中心。1568年,他被委任绘制一套“最好的”世界地图。在此之前,他专门绘制北海和丹麦海岸的地图。这将是他首次尝试改进世界地图的设计。

一年之后(1569年),他仍然踌躇不前,无法顺利解决在平面纸张上呈现球体行星的难题。他下定决心,要不辱使命,一定得攻克这个由来已久的绘图难题。

之后3个月中,莫卡托研究了现有的地图,采访了船长和航海者。他脑中突然闪现出一个极为简单的画面。画面中,世界是一个球体、一个圆球,一张纸围绕地球卷成圆筒状,纸跟地球在赤道处接触。莫卡托地球投影图然后他想象一道光从地球内部射出来,把地球的表面特征投射到纸上。这时如果把纸展开,就能得到一张新的世界地图。

在投影地图上,经线(垂直线)和纬线(水平线)组成矩形格网,可以用于船舶导航。罗盘方向线(方位线)在投影地图上会呈现为横过海面的直线。这样航海者就能在地图上绘制出直的航线,然后设定罗盘指向,扬帆起航。

的确,离赤道越远,地表特征就越容易失真(尽管非洲比格陵兰岛实际上大了将近14倍,但在一张莫卡托投影地图上,格陵兰岛看起来却比非洲大)。但这对莫卡托来说并不成问题,因为这种新地图将主要用于航海者远洋航行。

投影地图发明之后

莫卡托《地图册》的封面莫卡托投影地图并没有一举成名。只是随着越洋航行越来越普遍,知名港口离欧洲越来越远,航海者终于认识到了莫卡托投影系统的好处,纷纷查询并购买他的地图。

到1580年时,莫卡托已经制作出收录各种地图的图书,每本书封面上都有肩扛世界的希腊巨人阿特拉斯(Atlas)的图像。不久之后这些书就被叫做《地图集》(atlases)。“地图册”(Atlas)后来成为所有地图类书籍的通称。

过去的近500年间,莫卡托投影地图一直最为流行,而且应用最广。在这个电脑和卫星制图的时代,依然没有一个绘图系统可以取代,抑或挑战莫卡托投影地图的地位。

显微镜

发明时间:1590年

发明内容:一种可以放大微小物体的光学仪器,能使人类看见因为太小而无法用肉眼识别的物体。

发明家:汉斯·詹森、札恰里亚斯·詹森(Hans & Zacharias Janssen,荷兰密得尔堡),列文虎克(Anton Van Leeuwenhoek,荷兰代夫特)

显微镜为什么是100个最伟大的发明之一?

显微镜使科学发生了变革。没有显微镜,人类就永远不可能对细胞、微生物、血液、分子及原子进行研究。医药学、工程学、解剖学、生物学、动物学和化学也都是依赖于显微镜而得以存在的。

显微镜打开了人类的视野和心灵,使人类能够观看和想象另一个微型的世界和宇宙。显微镜是知识和认知的重要来源。没有一项发明能比显微镜教给我们更多的关于人类自身和自然世界的知识。

显微镜的发明历史

显微镜发明之前

当然即使最早的人类也知道放大的概念,知道叶子上的露珠可以将叶片放大。然而几千年来却没有人想到人工放大。

1290年,意大利威尼斯的工匠们已经会打磨高质量的透明玻璃镜片。此后的几百年间,用透镜制作眼镜风靡欧洲,眼镜成为时尚的代名词。大部分透镜眼镜都能放大图像,但只能放大很小的倍数。

1558年,瑞士博物学家康瑞德·格斯纳(Konrad Gesner)制作了更为有效(曲率更大)的凸透镜,并且镶了金属边框。他用这面放大镜观察蜗牛壳。利用透镜进行光学放大和科学研究,这在历史上还是第一次。

显微镜是怎样发明的?

札恰里亚斯·詹森汉斯·詹森和他的儿子札恰里亚斯都是荷兰密得尔堡的眼镜制造商。他们知道凸透镜能够放大前面的物体。16世纪90年代初期,札恰里亚斯突然想到两面透镜也许会放大得更多。他在管子两头各放置一面凸透镜,结果发现这样看到的几乎都是管子,看不清透镜前面的物体。

札恰里亚斯把这个想法暂且搁置一边。后来,他的父亲汉斯对双透镜到底能把物体放大多少倍感到好奇,于是开始了更为热切的实验。他一手拿一面透镜,试着找到成像最大最清晰时两面透镜的距离、前透镜和物体的距离以及后透镜和人眼的距离。他用不同强度的透镜反复试验,不断重新打磨和调整两面透镜。

父子两人最终用金属管固定住两片透镜,取得了极大成功。这是世界上第一部显微镜,放大倍率在9~10之间(倍率指的是显微镜将前面物体放大的倍数)。

詹森父子发明了显微镜,却不知道到底用它来做什么。以后的50年间,显微镜一直被看作新奇的小玩意,主要在集市上出售。

1652年,荷兰布商列文虎克拾起了詹森父子的未竟事业。28岁的列文虎克居住在荷兰的代夫特市,詹森显微镜是一名殷切的业余科学爱好者和玻璃透镜打磨者。当时,检查员使用放大镜清点单根线的数量来判断布匹质量。还是年轻布商学徒的他,由此对放大镜深深着了迷,这种迷恋使他走上了科学之路。列文虎克显微镜列文虎克决定把显微镜实际应用到科学发现中去。首先,他磨制了放大倍数更大(曲度更大)的透镜,倍数之大是眼镜商詹森从未想过要制作的。数月之内,列文虎克就制作出了150倍的显微镜。然而,倍率大了,新的问题也随之而来。透镜前面仅有一小块空间在准焦距内。研究物体时,手只要轻轻一动(这种抖动在所难免),物体就会被放大,把列文虎克刺激得眼睛酸痛,头也痛。

1652年,列文虎克花了一夏天的时间设计底座,托住显微镜要观察的物体。到秋天的时候,他给底座加上了螺旋调节纽,可以横向纵向移动物体,从而获得并保持合适的焦距。这是世界上第一部实用显微镜。

显微镜发明之后

罗伯特·胡克显微镜1660年,列文虎克用显微镜得到了一系列令人震惊的发现,因此成为欧洲最负盛名的科学家之一。他的发现包括微生物的存在、普通水滴中微生物的存在、血液质以及细菌质。列文虎克显微镜为科学研究开辟了一个新的天地。

英国著名的机械师兼科学家罗伯特·胡克(Robert Hooke)于1665年开始研究显微镜。他的许多著名发现都应该归功于他自己制作的显微镜,也就是列文虎克显微镜的改良版。

1889年,瑞士科学家奥格斯特·科勒(August Kohler)发明了一部显微镜,显微镜带有内置光源和光线聚焦镜。这样,受观察的物体就会被照亮,从而变得更加清晰。1884年,美国发明家查尔斯·斯宾塞(Charles Spencer)发明了复合(多透镜)带光显微镜,放大倍率高达1250倍。科学杂志将其称为前所未有的进步。

40年后(1926年),德国科学家汉斯·布奇(Hans Busch)发明了电子显微镜,放大倍率比斯宾塞显微镜还要高1000多倍。1933年,麦克斯·克诺尔(Max Knoll)在柏林制造出了第一部实用电子显微镜。人们利用这部显微镜能够看到纳米级的物体。望远镜

发明时间:1608年、1609年

发明内容:一种利用凹透镜和凸透镜观测遥远物体的光学仪器。

发明家:汉斯·利伯希(荷兰),伽利略·伽利雷(意大利佛罗伦萨)

望远镜为什么是100个最伟大的发明之一?

望远镜使人类掌握了太阳系、银河系以及外部太空。它大大改变了人类作为一个物种对自己的看法。望远镜缩小了空间,永远改变了我们对世界的大小、外部空间的大小以及我们在宇宙中的位置和意图的看法。

望远镜同时也促进了现代科学的诞生,使天文学成为可能。它将夜空中的星星点点变成了球形天体,将点点光芒变成了地理位置。

望远镜的发明历史

望远镜发明之前

11世纪时,人们已经有了利用弯曲透镜放大遥远物体的大致想法。十字军东征时的土耳其人和摩尔人军队就已经在使用简单的望远设备。

制造望远镜所需要的技术条件其实早已具备,只是没有人想到要去发明罢了。早在1290年,意大利威尼斯的工匠就制作出高质量的清晰透镜。眼镜随后出现,到1500年时,眼镜匠已遍布所有城市。1590年,有人发明显微镜,利用曲面(凸面)玻璃透镜放大物体的近景。

望远镜是怎样发明的?

1608年春天,荷兰眼镜匠汉斯·利伯希的生意很不景气。荷兰当时正处在一场针对西班牙统治的长期反叛之中。西班牙海军封锁了荷兰港口,荷兰的工商业发展几近停滞。

那年春天一个闲散的午后,利伯希的一个助手把玩着利伯希为一名顾客做眼镜而打磨的透镜。这个学徒发现,把两块透镜相隔一定距离放在一只眼睛的前面时,从透镜望过去,远处教堂的塔尖似乎比平时拉近了许多。

利伯希望远镜之后的几天,这个学徒和他的几个朋友分享了这一发现,一起玩起了“侦察”小镇居民的游戏。直到后来一次玩游戏时被利伯希当场抓住。利伯希立即意识到,学徒这不经意的发现有着重要的价值。他赶忙着手实验,以确定两块透镜间距多大时远处物体成像最大最清晰。然后利伯希制作了金属管来固定两块透镜,创造出了第一部现代望远镜。利伯希用希腊语“看得远”一词,把它命名为“望远镜”。

利伯希的望远镜倍率在5~7之间(与肉眼看到的相比,能将物体放大5~7倍)。他并没有试图改良自己的发明,而是申请了专利,并把他的望远镜提供给了荷兰军队。军队试图将其保密。然而数月之内就泄露了秘密,望远镜的复制品也风靡了整个欧洲。

1608年末,伽利略·伽利雷首次见到了利伯希望远镜的复制品。他立刻意识到,一部更好的望远镜将会使天文学家梦想成真,能在减少眼睛酸痛的同时提高天文学研究的准确性。

伽利略开始做实验,他不断改变望远镜内透镜的形状与间距,同时改变望远镜的部件。1609年初,伽利略制造出了40倍的双镜望远镜。这是第一部投入科学应用的实用望远镜。

望远镜发明之后

1610年伽利略发现了木星的4颗卫星。这是人类首次观测到的月球之外的卫星。同年晚些时候,他观测并研究了土星环。天空一下子充满了奇观景象,而不是整齐划一的光点。

牛顿反射望远镜60年后(1670年),牛顿首次对利伯希和伽利略的设计进行了根本性的改进。他发明了反射式望远镜。牛顿望远镜的光学透镜聚焦在凹面镜上,然后将观测到的图像反射并聚焦到目镜上。这一体系极大地增大了望远镜的倍数,而且消除了利伯希设计固有的失真现象。

1825年法国人莱玫尔(J. P. Lemiere)发明了双目望远镜。意大利人波罗斯(Ignatio Porris)首次在莱玫尔发明的基础上制作了一只实用双目望远镜。

望远镜技术最新的突破性进展是射电望远镜的问世。这种望远镜与光学望远镜截然不同。它是一种射电接收器,专门探测天空中某一区域发出的射电信号,就像光学望远镜只能探测天空中某一区域的光信号一样。

卡尔·杨斯基(Karl Jansky)1949年在新泽西贝尔电话实验室工作的时候,发明了射电望远镜。英国天文学家乔戴尔·阪克(Jordell Bank)于1957年制造出了第一部实用射电望远镜。

气压计

发明时间:1643年

发明内容:一种测量大气压力的仪器。

发明家:埃文哲李斯特·托里拆利(Evangelista Torricelli)(意大利,佛罗伦萨)

气压计为什么是100个最伟大的发明之一?

气压计简单得让人难以置信:没有活动的零件、没有齿轮、没有按钮。然而就是气压计使科学家们能够了解大气压和大气性质,使普通人能够预测和了解天气。

气压计还让科学家们发现了大气的上限。这一发现打破了大气层一直延伸到恒星的观念,从而帮助人类形成了太空概念。

气压计的发明历史

气压计发明之前

没有人提出或者认为大气有重量,而且大气的重量压在地球所有人和物的身上。人类从来就没有这样想过。没有人研究过从地球表面伸向太空边缘的大气柱,没有人认为大气有什么值得研究的地方。

气压计是怎样发明的?

伽利略手动抽水泵不能将水抽过33英尺的问题一直困扰着开采工程师。1621年,这个问题被交给了知名科学家伽利略·伽利雷(Galileo Galilee)。伽利略做了几次实验,但收效甚微。17世纪30年代中期,伽利略在意大利佛罗伦萨的一口公用水井里进行了最后一次实验,当时埃文哲李斯特·托里拆利是他的助手。托里拆利出身豪门,是一位极有抱负的科学家。

在这个实验中,伽利略将一根管子缠绕在井口40英尺以上的木棍上。管子一头伸进井水里,另一头连着托里拆利和另一个义工操作的抽水泵。两个人开始抽水,可是直到累得大汗淋漓、肩膀酸痛,也没能将水抽过水面以上33英尺的地方。

伽利略提出,或许是水柱的重量使它退回到了33英尺的高度。

几年之后,伽利略逝世。1643年,托里拆利开始重新思考抽水泵的问题。如果伽利略是正确的,所有液体柱只能支撑一定的重量,那么较重的液体就会退回到一个较低的高度。液体水银的重量是水的13.5倍,这样说来的话,那水银柱就不可能上升到水柱高度(33英尺)的1/13,也就是接近30英寸。

托里拆利将一个6英尺长的玻璃管注满液体水银,并在管口处塞上软木塞。然后将试管倒置,把管口放入一个盛满水银的盆内,最后把软木塞拔掉。跟他预计的一样,一些水银从管内流入盆中。但一部分水银却没有流出来。

托里拆利测量了剩余水银柱的高度。正如他所料,水银柱高30英寸。

实验中的托里拆利但托里拆利仍然觉得伽利略的解释是错误的。他怀疑真正的答案与他在水银柱上面制造的真空有关。

第二天,窗外风雨交加,托里拆利重复了他的实验。这次,他打算将注意力集中在水银上面的真空上,而不是玻璃管中的水银柱上。然而那一天,试管中的水银柱只升到了29英寸。现在托里拆利困惑了,他原以为水银的高度会跟昨天一模一样。是什么改变了呢?雨水打在窗户上,托里拆利思索着这个新难题。

忽然,托里拆利灵机一动,他终于明白了。发生变化的是大气,是天气!托里拆利实验托里拆利意识到是大气压迫盆里的水银。空气的重量把一些水银压入了试管。试管内水银的重量必须和大气压迫盆内水银的重力完全相等。

当大气发生变化,密度变大或变小时,盆内水银受到的大气压就会变大或变小,试管内水银柱就会相应地变高或变矮。托里拆利研制出了可以测量大气压力的装置——气压计。

气压计发明之后

托里拆利气压计立即得到了科学界的赞扬。1647年,法国哲学家、科学家雷内·笛卡尔(Rene Descartes)发现托里拆利气压计读数的变化与天气变化有关,可以用来预测天气变化。

1648年,另一位法国科学家布莱斯·帕斯卡(Blaise Pescal)用气压计证明了山顶的空气压强比山下的低。这样一来,帕斯卡认识到人爬得越高,他上面的大气就越少,那么人类肯定能在某一高度到达大气的顶层。

这是一个革命性的思想。人类一直以为无论在多高的地方都有大气存在。帕斯卡用托里拆利气压计证明了大气的高度有上限,一定的高度之上就是太空。

460年来,水银气压计未曾改变过,仍然是测量大气压的权威。现在电子气压计开始在科学研究中取代水银气压计。但电子气压计虽然价格昂贵得多,却并不见得比水银气压计精确多少。

机械钟表

发明时间:1657年

发明内容:一种可以准确测量时间的机械设备。

发明家:克里斯蒂安·惠更斯(Christian Huygens,荷兰)

机械钟表为什么是100个最伟大的发明之一?

钟表改变了人类的时间观念,没有钟表就不会有小时、分钟、秒,只剩下白天、黑夜、季节与一生的流逝。

钟表的精确度十分可靠,这不仅使科学计量成为可能,而且也为牛顿、笛卡尔以及莱布尼兹这样的科学巨人发展自然法则提供了可能性。

钟表还为我们设定时间表、安排生活。它告诉我们该何时入睡、何时起床、何时进餐、何时工作、何时娱乐。因为钟表使时间变得如此重要,我们往往不用英里来测量距离,而是看走一段距离要花费多长时间。

人们发明了钟表来满足自己定义时间的需求。而现在,钟表却反过来控制了它所侍奉的主人。

机械钟表的发明历史

机械钟表发明之前

日晷仪最早的人类利用太阳来计算时间(日出、正午与日落)。后来,有聪明人在地上立了一根木棍,并发现在一天不同的时刻可以绕木棍标记日影的位置。这种装置叫做日晷仪。到公元前3500年,日晷在中国与埃及都已相当普遍。公元前600年左右,希腊发明家阿那克西曼德(Anaximander)建造了第一座希腊金属日晷仪。

公元前1500年左右,首次出现了通过蜡烛在固定时间内燃烧的寸数来记录时间流逝的方法。沙漏也是在这时候出现的,依靠沙漏里的细沙从上面的容器流到下面来记录时间。到公元前1000年,水钟也已沙漏广泛流行。水钟里的水滴按一定速度从一个容器滴到另一个。公元前800年,几个埃及大寺庙以拥有24小时(全天)水钟为特色。

经过近30年的发展,中国佛教僧侣一行于公元725年建造了一座宏伟复杂的水钟来追踪行星与恒星的运动。朝臣苏颂在1092年对一行钟进行了改良。苏颂钟的一座模型现在陈列在北京,是迄今为止最为精美的水钟。

机械钟表是怎样发明的?

苏颂钟——“水运仪象台”到1100年,机械钟表开始出现,成为水钟的替代品。机械钟不是依靠水或沙的流动来记录时间,而是依靠重力、滑轮以及平衡杆来标记时间的流逝。公元999年,法国本笃会修士吉伯特(即后来的罗马教皇西尔维斯特二世)制作了一座拥有“齿轮与平衡锤系统”的机械钟。法国西多会镇1120年的城镇志里提到他们有一座塔钟,每到整点都会敲一声钟。英语中“钟表”这个词便来源于法语词“钟”。

1335年,米兰子爵建造了第一座著名的公共时钟。它通过敲出一定次数的钟声来指示时间。不久,其他城市如1364年意大利的帕多瓦市和1368年英格兰的瓦林福特市圣奥尔班斯大教堂也纷纷效仿,制造出了更为华丽的公共时钟。

这一批机械钟比水钟更为方便,却不见得更为准确。他们通常一天内会走慢或走快30分钟。用它来看什么时间回家吃午饭是可以的,但对科学而言却无法接受。

伽利略的发现使制造走时精确的钟表成为可能。1594年,伽利略21岁,时为意大利比萨大学的一位数学教授。他经常坐在当地的一座教堂里思考一些复杂的问题。教堂里照明用的吊灯在长长的链子下轻轻摆动。1594年的一个夏日,伽利略意识到这些灯一直在匀速摆动。

他决定为这些灯计时,用颈部动脉脉搏的跳动次数来测度一盏灯摇摆的周期。他从灯夫那里借来了点灯用的长灯芯,并把一盏灯摇得摆动更加剧烈,然后再测量一次。经过几天来对吊灯的测量,他发现不管摆动幅度有多大,吊灯完成一段弧形运动所用的时间是完全相同的。弧度越大摆动速度越快,弧度越小摆动速度就越慢。

当他把吊灯的链子缩短时,它的摆动周期(完成一段弧形所用的时间)变短了。当他把吊灯的链子伸长时,其摆动周期又变长了。但弧的大小(灯穿过弧的距离)根本不影响完成弧形运动所用的时间。

伽利略深深地为之着迷。4年后,他用这个发现证明了亚里士多德落体学说是错误的。但他却没有惠更斯机械钟用这一发现去研制一个更好的钟表。

荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯第一个意识到,伽利略的发现可以用在钟表制作上。1657年,惠更斯决定用钟摆最终制作一座精确的钟表。他用一根加重金属杆做钟摆,重复了伽利略的基础实验。

他将一座大钟的平衡锤换成了钟摆,这种钟摆可以沿摆杆上下调节重量,从而使钟摆沿一定的弧线摆动一定的次数来准确记录一个小时的时间。旧式机械钟经常一天慢20~30分钟,而惠更斯的表却从来不会一天慢过15秒。世界上终于有了一种可靠而又准确的时钟。

机械钟表发明之后

3年之内,整个欧洲有100多位钟表匠研制出了摆钟。大小城市、时尚家庭、工厂商行都意识到他们需要一个惠更斯发明的摆钟。

德国锁匠彼得·亨林(Peter Helein)发明了第一块怀表。亨林怀表从水手那里得名。水手们用亨林怀表代替沙漏来计量他们“值班”(watch)时间的长度(4小时轮班制)。不久以后,钟表就被叫做“watch”,这个名字一直沿用至今。

1840年,苏格兰人亚历山大·柏恩(Alexander Bain)发明了第一块电子(

电池

驱动)表。1847年,法国钟表匠安东·瑞地(Antoine Redier)制造了第一个闹钟。法国人路易斯·卡特(Louis Cartier)特意为他的巴西飞行家朋友阿尔伯图·桑托斯·都蒙特(Alberto Santos-Dumont)发明了第一块手表。1907年11月27日,阿尔伯图第一次戴着它驾驶亚历山大·格拉汉姆·贝尔飞机进行速度记录飞行。

1949年,美国物理学家哈罗德莱·昂斯(Harold Lyons)和威廉姆·利比(William Libby)为国家标准局发明了第一架原子钟。他们的钟利用原子的震动作为振荡器,精确到每年误差在11000000秒以内。普通人用不着也理解不了这种级别的精确度,但很多科学实验需要精确到这种程度。

1971年美国时代电脑公司开发出第一块数码电子表,这块表叫做“琶莎”,价值2000美金。而现如今,类似的电子表价格还不到15美金。

温度计

明时间:1714年

发明内容:一种可以定量地精确测量另一物体温度的仪器。

发明家:丹尼尔·华伦海特(Daniel Fahrenheit,荷兰阿姆斯特丹)

温度计为什么是100个最伟大的发明之一?

身体不适的时候,你需要用体温计测量体温。穿衣打扮的时候,你需要用温度计测度室外气温。烘焙食物的时候,你需要用温度计查看烤箱温度。我们的日常生活离不开温度,温度则靠温度计来测量。

伽利略温度计温度计的发明历史

温度计发明之前

远古人类唯有通过触摸判断温度。但是湿度与气流都会影响某一特定温度的手感。那时还没有切实可信的方法来测量和比较温度。

1581年,伽利略首次制造出了简易温度计。他从以往经验得知气体(空气)会热胀冷缩,并计划通过膨胀的气体来测量温度。他根据古希腊语“测量温度”发明了“温度计”一词。

然而伽利略的温度计非常不准确。气压的变化(或者滞留在管内空气中的水蒸气)都会改变温度计的读数。这在科学工作中是无法接受的。

温度计是怎样发明的?

为了开一家气象器材制造厂,34岁的丹尼尔·华伦海特从德国搬到了阿姆斯特丹。他经常为没有一个像样的温度计感到沮丧。1713年时,他决定自己制作温度计。

华伦海特的两大革新使他发明了实用温度计。1714年初,他研究出了第一个也是最重要的革新。他认为,如果将气体(空气)换成液体,那么温度计会更加准确。经过几个月的搜索,他最终确定水银是温度计的最佳液体。水银凝固点较低(-38℃),沸点较高(380℃以上)。在不同的温度下,水银的膨胀率是相同的,它不挥发,而且银色在升降时易于观测。

1714年夏天,华伦海特完善了液体水银提纯(清洁)法,使水银不会沾到薄玻璃管壁上。这样他就可以用少量的水银制作一个实用的(小的)温度计。温度计脖颈处的厚玻璃放大了细水银柱的直径长度,这样便于科学家读取数据。

艾萨克·牛顿华伦海特的第二项革新是在温度计上标记刻度。1701年时,艾萨克·牛顿(Isaac Newton)提出将水的冰点与人体体温之差分成12等份,作为温标的起始点。华伦海特决定沿用牛顿的观点,但他想避免负数出现在温度计上(冷天的气温会低于水的冰点)。

华伦海特将盐与氯化铵加入水中,然后将混合液体冷却至凝固,以在温度计上获得零度点。华伦海特认为将零度与人体体温的差仅分成12份还不够。他把牛顿12份的每一份又分成8小份,称之为“度”。这样,体温在华伦海特的刻度上就变成了96度(12乘以8)。

那年秋天,华伦海特决定调节他的温标,使水的沸点与冰点间有整整180度。在调整后的温标上,正常体温成了98.6度。

华伦海特的温度计和温标大获成功,并很快在欧洲与美洲得到广泛应用。

温度计发明之后

摄氏温标与华伦海特温标华伦海特的温标仅仅兴旺了26年。1741年,瑞典钟表匠安徒生·摄尔修斯(Anders Celsius)提出在水的沸点与冰点中间应该有100等份(度),并制造出了摄尔修斯温标。此温标被称为摄氏温标,因为拉丁文里“摄氏”是100的意思。整个欧洲(除英格兰以外)很快使用了摄氏温标。英格兰最终在20世纪初也换成摄氏温标。只有美洲继续沿用华伦海特温标,但美国也已慢慢转换为摄尔修斯温标或摄氏温标。

1866年,英国内科医师托马斯·奥伯特(Thomas Allbut)首次使用华伦海特的水银温度计来测量病人的体温。获得体温虽然需要将水银温度计放入病人舌下5分钟,但却被誉为19世纪一项伟大的医疗进步。

新的电子数字温度计最近已取代了医院用的水银温度计,家用温度计也开始被逐渐取代。不久之后,华伦海特温度计与温标将成为历史。然而在长达近300年的时间里,全世界使用的都是华伦海特温度计与温标。

第二部分

精确航海导航系统(便携表和六分仪)

发明时间:1759年

发明内容:一起使用时可以精确测定经度(船舶离始发港的东西向距离)的两种仪器。

发明家:钟表,约翰·海里森(英格兰林肯郡);六分仪,约翰·坎贝尔(英国海军军官)

精确航海导航系统为什么是100个最伟大的发明之一?

1676年,英国政府宣称,航海是当代最大的科学难题。欧洲国家蓄势待发,准备扩张国际贸易,征服世界。但是如果航船在看不见陆地时就不能准确判定船位的话,他们就不可能进行国际贸易与征服。

精确航海导航系统的发明历史

精确航海导航系统发明之前

四分仪早期的水手都沿着海岸线依靠路标航行。公元前1100年,腓尼基人首次利用北极星作为航海向导穿越了地中海。

到17世纪末,航海只取得了些微的进展。利用一种叫做“四分仪”的设备,测量正午太阳的高度以及夜间北极星的高度,可以很容易得到纬度(离赤道的南北距离)。通过测量,水手可以计算出轮船驶过的南北向距离有多远。

然而经度(离始发港的东西向距离)却根本连猜都猜不出来。找不到测量经度的方法,广阔海域上的船只经常会迷失航向。在船员没有察觉、罗盘指向也没有改变的情况下,变换的水流和风向也许会把船带到偏离航线数百英里的地方。

精确航海导航系统是怎样发明的?

为了计算航船的位置,航海者使用四分仪确定正午(太阳最高的时刻)。然后将这个时间与航船始发港的当地时间相比较,两者之差就能显示航船驶离始发港的东西距离。

然而这个方法有个问题。在颠簸的轮船上没有钟表记录从港口起航的准确时间。在航船晃晃悠悠的甲板上,摆钟毫无用处。怀表虽然可以用,但常常会每天走快或走慢20分钟。这样一周之内就会有一小时或者更多的偏差。时间转换成经度的话就是几千英里的误差。

1714年,英国政府出资两万英镑(一笔数目惊人的财富)奖励“想出确定轮船经度方法”的人。

要想赢得这笔奖金,钟表在颠簸的航船上必须精确到每日误差在2.8秒以内。刚发明没多长时间的钟表不久前才有了分针。现在船用钟表却要精确到每天误差在几秒以内,而且还要一直忍受航行中的惊涛骇浪。

1728年,英国钟表匠约翰·海里森接受了这一挑战。他是木匠出身,没有接受过正规教育,但从小就对钟表十分着迷。他年轻时(25岁)制作了几个全木的摆钟,他的摆钟不需用油,弥补了温度和湿度的变化,而且精确到每月只有几分钟的误差。这在当时是了不起的成就。

哈里森研究船舶以及船舶运动,并于1735年完成了第一台模型,叫做一号钟。这台摆钟可以调节温度变化以及船体移动。1736年一号钟被装在一艘英国海军军舰上做试验,军舰开往葡萄牙的里斯本然后返航。

一号钟每天走快不到8秒。这个结果不错,但还是不足以赢得奖金。海里森于1741年完成了二号钟。在轮船从伦敦驶入地中海然后返航的试验中,二号钟的表现和一号钟相差无几。

1749年海里森完成了三号钟。他给这台钟的钟摆安上了双金属条(依然用在今天的测温器中),可以感应温度从而弥补温度变化。他还给钟表安上了防止晃动的平衡齿轮(滚球轴承和螺旋仪的前身)以及保证钟表在被击打时依然能正常运行的机械装置。

海里森四号钟结果证明,在海上,三号钟比任何陆地上的钟表都要精准,大约每天只走慢不到两秒。为期45天的航行结束时,它精确地预测了船所处的位置,与实际位置相差不到10英里。

三号钟符合获奖条件,但英国国会却拒绝支付奖金,要求进一步改进。

海里森满怀沮丧,继续埋头工作。1757年间,他想到了放弃摆钟,下一步尝试发条驱动的改良怀表。1760年末,他完成了四号钟,并对四号钟进行了两次从英格兰到西印度群岛的航海试验。一次是在1761年,另一次是在1764年。两次航行中,四号钟都精确到3个多月误差在5秒以内!这个成就相当于将航天探测器降落在海王星上,降落点离原定目标只差几英尺。

然而国会仍然拒绝支付两万英镑的奖金,声称需要考虑其他的系统。事实上,他们是希望六分仪的新进展能使国会不必支付这笔钱。

1757年,海军军官约翰·坎贝尔重新设计了四分仪,制造出六分仪,这在纬度和当地时间的计算坎贝尔六分仪上是一个巨大进展。坎贝尔提议用皇家天文台的月历和星历计算经度。

如果坎贝尔的六分仪成功的话,那么因为他是一名海军军官,所以政府根本无需支付奖金。这样,国会就能在省下两万英镑的同时给英国战舰配备上实用的导航系统。

然而,船长们立刻就意识到了海里森四号钟在测定始发港时间上的优越性以及六分仪在测定当地时间上的优越性。四号钟比皇家天文台的航海图准确得多。国会最终妥协,在1776年海里森83岁生日时给他发放了奖金。

精确航海导航系统发明之后

1760~1970年间创造出来的数百种钟表,没有一种在准确性和可靠性上比海里森的四号钟有大的提高。20世纪70年代,计算机、雷达和卫星导航系统的使用,最终使六分仪成为过去。

多轴纺织机

发明时间:1764年

发明内容:第一种可以利用亚麻、羊毛或棉花同时纺多条线的机械设备。

发明家:詹姆斯·哈格里夫斯(James Hargraves,英格兰兰开夏)

多轴纺织机为什么是100个最伟大的发明之一?

做衣服必须先纺线、织布、缝纫。制衣过程中最缓慢的一个环节就是把未加工的棉花、羊毛、亚麻或蚕丝纺成线。纺织女工手工纺线,一次只能纺一根,这是一个缓慢又单调的工作。

后来,詹姆斯·哈格里夫斯发明了一种可以同时纺8根线的机器。多轴纺织机的出现使大规模纺线、织布与制衣成为可能。它大大降低了衣服的价格,这样普通工人家庭也能买得起衣服。

多轴纺织机带来的工业科技引发了工业革命,人们首次进入工厂和制造厂工作。哈格里夫斯的多轴纺织机改变了世界。

多轴纺织机的发明历史

多轴纺织机发明之前

垂直绕转纺车纺线与织布是农场夜生活中最普遍的部分。通常是3个农妇(纺工)在大型垂直绕转纺车上纺线,与此同时,一个农夫(织工)织布。将织好的布卖给制衣厂成了许多农家主要的收入来源。

1733年,英国人约翰·凯(John Kay)发明了一种被称为飞梭的装置,将织布的速度提高了3倍多,就此打破了纺工与织工之间的平衡。一个织工一下子需要10~15个纺工。织工织得快,于是经常缺线。线的缺乏使纺织工业面临危机。伦敦技术协会提供50英镑的奖金,奖励可以同时纺6根线以上的纺车发明者。

多轴纺织机是怎样发明的?

1720年出生的詹姆斯·哈格里夫斯在英国一个农场长大,对纺线与织布从小便耳濡目染。1760年,一位邻居请詹姆斯制造一种更好的梳理机。梳理是纺线过程中另一个耗时费力的工序,梳理完了之后才能开始纺线。梳理把纠缠、打结、碎屑都梳掉,使毛纤维平滑,从而为纺线做好准备。

哈格里夫斯试着用杠杆、滑轮和弹簧来模拟梳理工手腕、手肘与胳膊的运动。不到3个月的时间,他就制作出了一部梳理机,使梳理速度翻了一倍。这次成功(以及伦敦技术协会的奖金)激励着詹姆斯去研究下一道工序——纺线。他反复摆弄着不同的模型与设备,多轴纺织机斟酌着不同的想法与方案。3年过去了,却还是一无所获。

1763年初,一次偶然事件给了他灵感。他女儿正在他们兰开夏的家中纺线,一不留神把纺车撞倒了。倒在地上的纺车却继续在纺线,就连纺车架子上的纺锤(用来保存纺好的线的木制销子)也继续竖着在鞍里纺线。哈格里夫斯说,当他看到水平纺车的那一刹那,脑海中就闪现出了一个完整的纺车设计方案。

不到60天,哈格里夫斯就制造出第一台多轴纺织机“Spinning Jenny”(Jenny在当地俚语里是“发动机”的意思)。多轴纺织机可以同时纺8根线,而且速度比纺工纺一根线还要快。4个月后他又制造出了可以同时纺20条线的纺织机!现在一个纺工远可以为一个织工提供足够多的线。不到一年,又出现了可以同时纺120条线的多轴纺织机。现在一个纺织机操作工可以供七八个织工,从而使100个纺工失业。

不幸的是,哈格里夫斯的多轴纺织机引发了严重的暴乱。许多农家害怕妇女会因为这个新设备而失业。一个愤怒的暴徒闯进哈格里夫斯的家中和作坊里,砸烂了他所有的设备与工具。哈格里夫斯逃到了英格兰的北安普敦郡。

多轴纺织机发明之后

直到1770年哈格里夫斯才为他的发明申请专利,那已经是多轴纺织机发明后的第七年了。这已经为时太晚。其他人早已抄袭了他的设计,使得他无法注册专利。他在失望与贫困中去世。

英格兰的理查德·阿迟瑞特(Richard Archwright)从哈格里夫斯的发明中获利最多。1769年,阿迟瑞特以水车为动力建造了一部大型的多轴纺织机。这一设计使他的机器功率更大,从而使他生产的线更紧、更细、更结实,功能也更多。

精纺机另一个英国人塞缪尔·克朗普顿(Samuel Crompton)结合两项设计的精华制成了精纺机,并于1779年注册专利。这种精纺机在众多英美织布厂和制衣厂中普及开来。又大又脏、尘土飞扬的工厂成了历时100多年的城市工业革命的典型写照。

现在电脑管理和指挥着纺线、织布、制衣与缝纫的全过程。然而,最基本的工序,譬如用天然或人造纤维纺线、织布、裁剪与制衣等,依然与哈格里夫斯当初发明多轴纺织机时一模一样。

气球飞行

发明时间:1783年

发明内容:在比周围空气轻的船形物中的飞行。

发明家:约瑟夫·蒙戈菲尔,爱丁·蒙戈菲尔(Joseph and Etienne Montgolfier,法国巴黎)

气球飞行为什么是100个最伟大的发明之一?

人类一直对飞行魂牵梦萦。气球飞行是第一次成功的人类飞行。人类首次摆脱重力的束缚飞离地面是在热气球里。第二次人类飞行使用的是氢气球。飞行后来发展到飞机、火箭以及太空旅行。但这一切都是从气球飞行开始的。

气球飞行的发明历史

气球飞行发明之前

所有早期的飞行尝试都是对鸟类飞行的模拟。人们制造出鸟翼般的装置绑在胳膊上,然后鼓动双翼试图飞行,但屡试屡败。即使是伟大的伽利略设计的飞机也没有成功,他的飞机上有鸟翼装置,还有机械传动装置来拍打这对巨大的满是羽毛的翅膀。科学家们认为,既然鸟类能用翅膀飞翔,那人类也应该能用翅膀飞行。

奇怪而有趣的是,在有史可据的5000年人类历史中,没有人想到过用热气球来飞行。大约1000年以前,制作热气球和制造热空气的技术条件就已经具备了,人们当然知道火中会产生热气体并上升到空气中,但好像几千年来一直没有人想到过借助热气球来飞行。

气球飞行是怎样发明的?

1766年英国科学家亨利·卡文狄士(Henry Cavendish)分离出了一种新的无色气态元素——氢。他说氢有“负重量”,因为它能上升到空气当中,而且他提出氢可以用来从地面提升物体。但是他没有去实践这一想法。

约瑟夫·蒙戈菲尔和爱丁·蒙戈菲尔(纸商出身,富贾之子)住在巴黎郊区。1782年兄弟俩读到了卡文狄士的文章,并设想不管氢气的成分是什么,肯定都跟火中上升的烟气成分差不多。烟气肯定也有“负重量”并且能把灰烬带到空中。

蒙戈菲尔兄弟决定利用烟气的负重量成就人类飞行。1783年的初夏时节,他们用纸纹布(亚麻布)制作了一个直径30米的气球。6月4日,他们把气球拿到法国安诺内市集广场,在气球下面点起了大火。火里的木头开始噼啪作响时,蒙戈菲尔兄弟便往火里扔羊毛、稻草和旧鞋子来制造浓烟,他们认为“负重量”来自于烟气。滚滚浓烟有的钻进气球里面,有的弥漫在气球周围,人群纷纷后退,朦胧中看到气球慢慢膨胀直到充满。约瑟夫手抓着放飞绳,不得不用手绢捂住鼻子和嘴,但眼睛被熏得厉害,不住地流眼泪。

约瑟夫放开了绳索,蒙戈菲尔兄弟和几百个围观者一起见证了这令人称奇的一幕,气球升到了300米的空中。10分钟的飞行之后,这个红色的晃晃悠悠的气球飘落在两公里之外的地方。这是他们做梦都想不到的,兄弟俩对他们的成功又惊又喜。

蒙戈菲尔兄弟的第二次飞行表演兄弟俩将第二次表演定在了9月9日,并为此制作了一个两倍大的气球。他们还在气球下加了一个吊篮,里面载着鸭子、公鸡和绵羊各一只。气球升到800米的高空,飘行了19分钟。有30万人欢呼着观看了这次飞行表演,美国人本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)也在其中。观看表演的还有国王路易十六(Louis XVI)和王后玛丽(Marie Antoinette)。他们的鼓掌欢呼让蒙戈菲尔兄弟名声大噪。

蒙戈菲尔兄弟将第一次载人飞行定于11月21日在巴黎演示。皮亚特(Piatrede Rozier)和马科斯(Marquisd-Arlande)将登上空前巨大的热气球,成为首次飞行的人类雅克斯·查尔斯(蒙戈菲尔兄弟更喜欢留在地上)。这次飞行持续了30多分钟,飞行高度超过了2500米。这一成绩让整个法国为之欢欣鼓舞。法语的“热气球”一词至今仍然写做“蒙戈菲尔”(lamontgolfiere)。

与此同时,法国科学家雅克斯·查尔斯(Jacques Charles)决定继续卡文狄士的实验,用氢气来制作飞行气球。经过实验,他很快确定氢气的提升力是空气的3倍。一个较小的氢气球就能比所有热气球飞得更高更久。

查尔斯的氢气球飞行表演1783年整个夏天,查尔斯都在紧锣密鼓地设计气球内衬,这种内衬要能捕获并容纳气态氢。然而直到12月1日他才造出飞行表演用的气球,比蒙戈菲尔兄弟的载人飞行晚了10天。查尔斯将他的新气球注满氢气,气球升到了3500多米的高空,在90分钟的飞行中跨越了将近50公里的区域。

气球飞行发明之后

1784年6月4日,法国人伊丽莎白·泰宝(Elizabeth Thible)从法国里昂镇起飞,成为第一个飞行的女性。同年10月4日,詹姆斯·赛特勒(James Satler)在他制作的热气球中进行了英国的首次飞行。9年后(1793年)美国也进行了首次飞行。

法国军队在1794年组建了世界上第一支空军,在Fleurus战役中使用4个观测气球对澳大利亚军队进行侦察。1804年,瑞士科学家约瑟夫·盖·卢萨克(Joseph Gay-Lussac)利用热气球研究阿尔卑斯山脉上空气的化学性质和成分,这是热气球在科学上的首次应用。

1906年出现了首次氦气飞行。氢气虽然提升力大,但却非常容易爆炸。第一次世界大战打响时,在大部分的气球飞行中氦气已经取代了氢气。

轧棉机

发明时间:1793年

发明内容:一种能将棉纤维与棉籽分离的机器。

发明家:伊莱·惠特尼(Eli Whitney,美国),凯瑟琳·格林(Catherine Greene,美国)

轧棉机为什么是100个最伟大的发明之一?

轧棉机改革了棉花生产,拯救了美国南方经济。它挽救了南方的种植园农业,使南方的奴隶制多延续了至少3代。轧棉机提高了棉花的地位,让南方富裕起来。

轧棉机的发明历史

轧棉机发明之前

美国革命战争期间,英国纺织业巨头贪婪地攫取南方种植园能够生产的每一盎司棉花。美国南方温暖的气候对棉花的生长非常适宜。

然而棉花采摘的时候出现了问题。用手摘棉荚(棉桃)使采摘者的手血肉模糊。更糟糕的是,分离棉纤维与棉籽(轧棉)是一项耗时费力的工作。这项工作让奴隶们一天内几乎抽不出时间到地里去。采棉进程十分缓慢,每年都有大量来不及采摘的棉花烂在地里。虽然棉田万顷,但种植园却无法获利。

轧棉机是怎样发明的?

出生于马萨诸塞州的伊莱·惠特尼27岁之前曾做过律师、当过教师、开过制造钉子和别针的金属锻造车间,但每样都没干长。1792年初,他应邀参观美国革命战争英雄纳撒内尔·格林(Nathanael Greene)将军在乔治亚州的种植园。格林将军战后不久就去世了,把种植园留给了能干的妻子凯瑟琳·格林。

惠特尼在种植园里对器械进行了一系列维修与改进。他制作的新式刺绣框令凯瑟琳的朋友们羡慕不已。这些都给凯瑟琳留下了深刻的印象。

1792年末,凯瑟琳向惠特尼描述了种植园主在轧棉方面所面临的问题。她说不管是谁,只要能发明出一种无需人力的轧棉机器,就一定会名利双收。

棉籽与棉纤维惠特尼同意接受挑战。他躲在格林的地下室工作间里埋头进行研究。大部分历史学家一致认为,凯瑟琳至少是给了惠特尼一个轧棉机的大体轮廓作为研究起点。然而惠特尼仍旧潜心研究了6个月来开发他的设计。他从数百个棉桃里取出棉籽,以更好地理解存在的问题与可能的解决方案。

他的设计理念很简单。把棉花从采摘者长长的背袋倒入送料斗中。送料斗底部旋转滚筒上的齿状物抓住棉纤维,把它们从金属槽拉出来,而因为金属槽太窄棉籽无法通过。然后一组刷子把轧过的棉花从滚齿上取下来,再送到下一步去装袋。

然而他的设计看似简单,却被种种问题所困扰。棉纤维既粗又粘,还很坚韧,惠特尼轧棉机经常阻塞齿轮与木制嵌齿。很多棉籽跟棉纤维深深地缠结到一起,被滚齿带到金属槽里拉不出来。如果把槽变宽一些,就会有太多棉籽通过;而若变窄一些,棉纤维又会纠结成团把槽堵住。

1793年春天,凯瑟琳建议用金属线做滚齿可能比惠特尼用的木钉要好些。起初,惠特尼对这个建议不屑一顾,但一次又一次的失败让他最终尝试了凯瑟琳的建议。结果修改后的机器非常好用。

即使是小型的、曲柄式的惠特尼机器,轧棉速度也能赶上50个工人那么快。大型的轧棉机可以替代100多个工人。

轧棉机发明之后

惠特尼与凯瑟琳都没有因为这个发明而发家致富。他们拖了一年才为这个设备申请专利,但已经为时太晚。这个方法已为整个南方所剽窃。数百台轧棉机已经准备就绪,人们准备用它们来提高1794年的采棉速度。惠特尼的确出名了,但却是一个不合格的商人,在力图制造并出售他的轧棉机的过程中惨遭破产。

轧棉机使整个南方棉田遍布,棉花取代了木蓝成为当地最大的经济作物。惠特尼与凯瑟琳的轧棉机设计一直被人沿用,直到电力、汽油、发动机出现以后,种植园主们才改进了轧棉机的基本设计。

疫苗接种术

发明时间:1796年

发明内容:一种为产生对某种疾病的免疫性而注射的针剂。

发明家:玛丽·沃特蕾·蒙塔古勋爵(Mary Wortley Montagu,英国伦敦),爱德华·詹纳(Edward Jenner,英国格洛斯特)

疫苗接种术为什么是100个最伟大的发明之一?

你得过天花、小儿麻痹症、伤寒病吗?也许没有吧。在长达一个世纪的时间里,天花每年都使10万多人丧命,数百万人留下疤痕甚至面容尽毁。1918年,全球有2500多万人死于流感疫病。20世纪初,小儿麻痹症夺去了成千上万人的生命,还使数百万人瘫痪。

一项简单的发明不仅阻止了这些疾病的蔓延,而且有效地根除了这些疾病。这个创举就是疫苗接种。疫苗接种已经挽救了数百万人的生命,使无数人免受痛苦与折磨。

疫苗接种术的发明历史

疫苗接种术发明之前

传染性疾病一直困扰着人类。事实上,“瘟疫”这个词就得名于首例致命性疾病。14和15世纪疫病反复爆发的过程中,瘟疫夺走了欧洲近半数人口的生命。

18世纪初,天花取代瘟疫成为地球上最可怕的疾病。光英国每年就有4.5万人死于天花,大爆发的时候死亡人数又会翻好多倍。18世纪50年代,本杰明·富兰克林的儿子就死于在美国突然爆发的天花。欧洲人迫切地想要找到办法来逃脱这种十分可怕而又无处不在的疾病。

疫苗接种术是怎样发明的?

疫苗接种术的发明分为两步。

24岁的玛丽·沃特蕾·蒙塔古勋爵是一位著名的英国诗人,1712年成为英国驻土耳其大使,同丈夫一起前往土耳其。她很快就发现,天花虽然在英国肆虐,还在她脸上留下了疤痕,但在土耳其却销声匿迹。

土耳其不受天花之苦激起了玛丽的好奇心。不久之后,她得知每年秋天老年妇女们都会进行一种叫做“接种”的活动。以往的英国游客把这种行为看作是毫无意义的部落仪式,并没有留意。但玛丽认为,土耳其人对天花有免疫力的秘密,就隐藏在他们这种每年一次的活动之中。

村民先决定自己家中是否有人这一年可能得了天花。然后一个老妇会带着一个盛满感染液体的坚果壳来到这家,用蘸过液体的针划开病人的一根静脉,这时候一家人在旁边吟唱着。感染者卧床两三天之后就会健康如初,绝不会得天花恶疾,也不会留下疤痕。

1713年返回英国之后,玛丽开始为罪犯和孤儿进行接种(在威尔士女王卡罗琳的许可下)。她从天花病人的疤疹里收集脓水,把这些致命疤疹液中的一小部分注射到试验人群体内。接种人群的死亡率是普通人死亡率的13,接种后疾病减轻、不留疤痕的人数是普通人的5倍。

英国人迫切地想要摆脱天花,所以许多人纷纷让孩子接受玛丽的接种。然而接种存在着问题。活天花病毒接种十分危险而且后果难以预测。注射天花本来是为了保护病人,但有些人却因此丧命。

詹纳为儿童接种牛痘下一个要说的人物是年轻的英国外科医师爱德华·詹纳。1794年的时候,他决定找到一种对病人无风险的接种方法。住在乡间的詹纳不久就注意到挤奶女工们几乎都不得天花。

詹纳发现事实上所有的挤奶工都会得一种导致手上轻微化脓的疾病,这种病叫做牛痘。他推测牛痘和天花是同一类型的疾病,牛痘是安全的而天花是致命的,得了牛痘的话就会对天花具有免疫力。

他给20个儿童注射了得牛痘的挤奶工的脓水来检验这一理论。每个感染的儿童都得了牛痘,手上和胳膊上起了脓包,几天之后水泡就消了。

两个月后,詹纳给每个受试儿童都注射了天花病毒。如果他的理论是错误的,这些孩子中就会有不少人丧命。然而受试儿童中没有一个出现天花的症状。

1798年公布研究结果时,詹纳发明了“种痘”一词来描述这个过程。这个词来源于拉丁语中的“牛”和“牛痘”。

疫苗接种术发明之后

20世纪早期又爆发了一次大规模疫情,这反倒促进了疫苗接种术的发展。第一次世界大战中,流感在全球蔓延,2500万人因此丧命。数百位研究者争先恐后地研究流感疫苗。从那以后,每年人们都会注射流感疫苗,预防这种潜在的致命疾病再次来袭。

不久以后小儿麻痹症在全球蔓延,这种疾病破坏婴幼儿的中央神经系统。成千上万人丧生,数百万人留下瘫痪后遗症。

小儿麻痹症疫苗的发明归功于两个人。第一位是美国微生物学家爱德华·索特(Edward Salt),他设法杀死小儿麻痹症病毒,使死病毒不能致病却足以刺激健康人的免疫系统制造抗体(免疫性)。

1950~1954年间,索特经过反复实验,最后宣布他的疫苗是安全有效的。到1961年,美国的小儿麻痹症病例已经减少了95%。

第二位是美国微生物学家艾伯特·萨宾(Albert Sabin)。他担心索特的死病毒疫苗不足以制造永久抗体,于是研发了一种活的小儿麻痹症病毒变体(就像牛痘是天花的变体一样)。这一变体虽然毒性很小,不能引起疾病,但由于是活病毒,所以能激发病人更加强烈的免疫反应,从而保证永久免疫性。有了这两种疫苗,小儿麻痹症最终从地球上消失了。

蒸汽机

发明时间:1798年

发明内容:一种将沸水产生的蒸汽转化为机械功的机器。

发明家:詹姆斯·瓦特(James Watt,英格兰伯明翰)

蒸汽机为什么是100个最伟大的发明之一?

蒸汽为工业革命提供了动力,为成就18~19世纪英国的世界经济统治地位提供了动力,为工业、水泵、火车、轮船提供了150年的能量。以蒸汽为动力,建立在大炼钢铁基础之上的工业革命从根本上改变了人类发展的方向。没有蒸汽这一切就都不会发生。

蒸汽机的发明历史

蒸汽机发明之前

托马斯·纽克曼关于蒸汽机的想法可以追溯到公元200年。亚历山大的希罗观察到,膨胀的水蒸气能够产生能量,使物体运动或旋转。但由于一直没有人想到蒸汽会有什么实用价值,这一想法被搁置了1500年。

欧洲的煤矿经常漏水。矿工十分需要水泵来保持矿内干燥。几个英国人发明了蒸汽机来转动矿井抽水泵。但大多数蒸汽机产生的动力仅能保持自身的运转而已,根本谈不上抽水。1712年,托马斯·纽克曼(Thomas Newcomen)发明了当时最好的蒸汽水泵,但即使是这台发动机也是时好时坏、马力不足。

蒸汽机是怎样发明的?

1792年,英国机械师与商人马休·博尔顿(Mathew Boulton)雇用了35岁的苏格兰机械师詹姆斯·瓦特来制造新(更先进)的蒸汽机。

锅炉产生的蒸汽通过排气管进入大型汽缸的底部。汽缸内不断增加的蒸汽压力把活塞往上推。活塞杆连接着摇杆臂的一端,使摇杆上下运动从而运转水泵。这也是发动机的关键所在。

然而,蒸汽水泵马力不足,运转缓慢。活塞到达汽缸的顶部时,一个气阀会被关掉,使蒸汽停止流动,然后向汽缸喷水,使里面的蒸汽降温,蒸汽冷却时,重力又会将活塞拉下来。

1793年末,瓦特学习了热能物理学,不久他便认识到了现有蒸汽机中两个明显的低效率设计。首先,因为蒸汽锅炉没有被绝缘,所以锅炉房热得让人窒息。瓦特把他的锅炉用绝缘层裹住。

瓦特蒸汽机工作原理图其次,瓦特发现,在汽缸内将蒸汽再次冷凝既费时又耗能。他在汽缸内新建了一个冷凝室。这样,当活塞到达汽缸顶部的时候,汽缸底部一个新的阀门打开,蒸汽涌入冷凝室后喷水将其冷凝。因此瓦特的汽缸热耗少,效率高。

瓦特1794年的蒸汽机的功率是当时其他蒸汽机功率的3倍。

这对于简易抽水泵来说相当不错,但却不足以为工厂提供动力。瓦特与博尔顿认识到两件事:第一,蒸汽机的每次冲程必须制造更多的动力;第二,工厂需要的不是水泵的上下运动,而是转动轴、条板、传送带,他们需要的是往复回转运动。

瓦特蒸汽机瓦特构想了一种两冲程的发动机。蒸汽从汽缸的两头交替往里涌,这样就能促使活塞前后运动,而且不管怎样运动都能做功。他辛辛苦苦研究了一年多,试图设计一个能适时开关适当的阀门以引导蒸汽进出封闭汽缸两头的调速带,但没能成功。瓦特曾经多次放弃了研究。博尔顿与瓦特的妻子安却每每苦口婆心,鼓励他继续研究下去。

1798年,瓦特完成了他的传动装置系统设计。有了这一系统,瓦特蒸汽机可以以任何所要求的速度旋转。瓦特1798年研制的蒸汽机实用性强而且马力充足,它使整个英国的纺织工厂和工业车间发生了变革。

蒸汽机发明之后

瓦特的蒸汽机为工业革命提供了机械动力。不久之后,蒸汽机被应用于火车与轮船领域。

1820年,在德国莱比锡市工作的雅各布·列奥波德(Jacob Leupold)设计出了高压蒸汽机。这种蒸汽机允许蒸汽压力达到30磅平方英寸。到1850年,更为先进的设计所容许的压力上升到了数百磅平方英寸。

19世纪的几十年里,对瓦特发动机基础设计的改进一直在继续,包括改进输出功率、改进发动机速度、改良能量效率。

但是,这一切都只是对瓦特的最初设计的改良罢了。在长达150年的时间里,世界靠蒸汽运转。这种状况一直持续到电力发动机的出现。电力发动机后来在工厂中日益普及。19世纪末,内燃发动机问世。20世纪初,汽油发动机使蒸汽机退出了所有运输系统。瓦特的蒸汽机从此成为人们的记忆。但是,已经成为历史的蒸汽机,曾经改变了整个世界。电池

发明时间:1799年

发明内容:一种可以储备电能并从储备中产生恒定电流的装置。

发明家:亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta,意大利帕多瓦)

电池为什么是100个最伟大的发明之一?

当今世界上所有的电子产品和许多电动设备的基本原件都是电池。手表、手电筒、音乐播放器、收音机、汽车、相机、时钟、手机、无线电钻、笔记本电脑以及许多其他装置都依靠电池运转。

电池也是第一种便携式能源。它成为物理学、电磁学和化学领域发展的基本要素。

电池的发明历史

莱顿瓶电池发明之前

1663年,马格德堡普鲁士镇的镇长奥托·范·葛里克(Ottovon Guericke)发明了第一个发电机。他制作了一个装有旋转硫黄球的盒子来产生静电电荷。这开启了人们对电的兴趣。

富兰克林的风筝实验电成了18世纪科学的焦点。在1720年的欧洲和美洲,静电已成为聚会上的流行游戏。聚会的人们手牵着手慢慢走过一块厚厚的地毯,然后最后一个人触摸一个金属门把手,所有人都会被电倒。

1745年,荷兰莱顿大学的教授皮得·范·马申布罗克(Pietervan Musschenbroek)发明了莱顿瓶。这是一个装了一部分水并用软木密封的玻璃瓶。一颗长钉刺穿木塞一直通到水面。莱顿瓶在欧洲及美洲风靡一时。这是第一种可以存贮电荷的装置(现在用来存贮电荷的装置叫做电容器)。

到1752年,美国人本杰明·富兰克林已经利用莱顿瓶做了多次实验,并大大提高了它的容量。富兰克林的莱顿瓶有潜在的致命危机。富兰克林猜想,两种已知的电的形式(静电与雷电)可能是同一种物质的两种形式。为了证明这一猜测,他在暴风雨中放了一只风筝去收集云中的静电。这就是他著名的风筝实验。两个月后,两个法国科学家重做了富兰克林的实验,却遭雷击而死。

莱顿瓶可以储存电能,却无法生成电能。

电池是怎样发明的?

1775年,30岁的亚历山德罗·伏特时为意大利帕多瓦谷茂皇家学院的特聘教授。阅读英国科学家约瑟夫·普里斯特利(Joseph Priestly)《电的历史》一书后,他首次对电产生了兴趣。

读过关于1793年伽伐尼(Luigi Galvani)的实验报告后,伏特开始猜测两种不同的金属是不是可以制造电流。他做了一系列的实验来观察是不是可以强行使电流在两种不同的金属条中流动。他把金属条并排着放到一起,没有电流;交叉着放在一起也没有;换成别的金属还是没有。他又把金属条浸入水中,仍然没有电流产生。

但当他把金属条浸入强酸溶液中时,他发现在两个金属条间产生了稳定而又强劲的电流。他又用不同的金属进行实验,发现铜和锌是最合适的金属。

每次他都能制造出电流,然而电流会很快变弱并随后消失。伏特发现两根金属条中有一根上面出现了鳞状沉淀物,他猜测这些沉淀物在某种形式上阻挡了电流。然而伏特既不能识别这些鳞状物,阻止鳞状物的形成,也无法阻止它们扼杀电流。

伏特演示他的电池伏特将1795年的实验写入论文,并提出两种不同的金属处在同一种酸溶液里时就会生成电流。接下来的两年中,伏特又做了几次实验并得出结论:两种不同金属条的化学反应可以产生电流。金属与酸溶液产生的化学反应释放出了电流。因为酸溶液把浸入的金属条的电释放了出来,所以他开始称酸溶液为“电解液”。

1800年,伏特决定用金属条制作一个电池来证明他的理论。他将酸性盐水倒入几个碗中,并用铜棒与锌棒将这些碗连接起来。在他的演示中,这个装置产生了稳定的电流,而且电流持续了将近一个小时才慢慢减弱直到最后停止。

电池发明之后

1801年,法国君主拿破仑召见伏特去演示他的电池。演示给拿破仑留下了深刻的印象,伏特被授予荣誉勋章和伯爵称号。英国的威廉·克鲁克山克(William Cruickshank)是第一个利用伏特电池获利的人。他从1805年开始大量生产伏特电池而发了财。

1859年,法国物理学家加斯顿·普朗特(Gaston Plante)发明了充电电池。他设计出一种铅酸电池,电流可以倒流经过电池并为电池充电(现代的汽车电池都是铅酸电池)。1866年,法国化学家乔治·勒克朗夏(Georges Leclanche)克朗夏的干电池发明了干电池。他的电池是使用碳电极与铅电极插入氯化铵溶液制成的。溶液中混合了碳粒和二氧化锰,用来吸收电极所产生的氢气。现代通用的碱性电池是1914年由托马斯·爱迪生发明的(他称之为碱性电池,是因为他使用了碱性粉作为电极)。

1827年伏特去世。科学界决定用他的名字来做电压的计量单位,以表纪念。

铁路

发明时间:1804年

发明内容:一种沿铁轨运输重物的运输系统。

发明家:理查德·特里维西克(Richard Trevithick,威尔士柯尔布鲁克代尔)

铁路为什么是100个最伟大的发明之一?

铁路是第一种能够运输大量物资(煤炭、牲畜、粮食、铁矿等)的高效运输系统。由于钢轮在钢轨上产生的摩擦力极小,所以运输同样重量的货物,火车所用的力仅是马车的一小部分。

铁路实现了大量原料的开采以及往远方市场的运输。它使美国西部牧群的集中成为可能,并开启了牛仔时代。

铁路为美国创立了4个标准时区(东部、中部、山地、太平洋)。它开放了美国西部的大门,在长达一个世纪的时间里一直是最重要最先进的陆上运输方式。

铁路的发明历史

铁路发明之前

大件货物先通过马车运到水路,然后再由船舶运到目的地。内陆水路则用马拉驳船,因为风力不足以带动船逆流而上或顺流而下。城市建在河流的沿岸和海边,因为它们是大量货物的集散地和加工地。很多商品没有发展起来的原因就是运费太高。

铁路是怎样发明的?

1796年的理查德·特里维西克已经是一位知名的英国发明家,专门研制小型高压蒸汽机。他的蒸汽机大都用来从矿井中抽水,这也是一个由来已久的难题。

1798年一个夏日的午后,特里维西克正在检测他安装在柯尔布鲁克代尔矿井内的水泵。这时他碰巧看到6位矿工正拼命地将一辆满满的煤车从井筒弯弯曲曲的轨道往上推。这种耗时费力的劳动对特里维西克触动很大。

他开始考虑能否将蒸汽机装配到煤车上,让煤车自动运行。但就连特里维西克的小型蒸汽机都太大,无法装到煤车上。因此,他打算先把蒸汽机装配到马车上试一试。结果没有成功。蒸汽机产生的动力不能拉动马车在布满车辙、石头的崎岖不平的土路上行走。

特里维西克做了3个决定:第一,他要为机车建造铁轨。第二,他要增强发动机动力。第三,他要减小发动机体积。

经过6个月的实验,特里维西克认识到,如果他把蒸汽机的冷凝器(瓦特蒸汽机的一部分)去掉,让蒸汽直接进入大气中,便可以提高气压,从而提高发动机动力。这样还可以减小锅炉与发动机的体积。

特里维西克机车模型特里维西克为他的新型机车寻求支持。然而没人相信圆滑的车轮能在平滑的铁轨上得到充分的摩擦力来拉重物,更不用说上坡的时候了。马用蹄子在硬地上走是一回事。但是,若说火车能运行,实在是荒谬至极。

1802年,特里维西克展示了他的新模型。这个发动机取得了一定的成功。它能自动运行,却没有足够的动力来拖动火车前行。特里维西克增大了发动机的体积,又一次增加了它的蒸汽压力,从单活塞切换成双活塞,而且加上了传动装置。

1804年2月20日,他点火启动了这辆新机车。机车用一箱煤做燃料,跑过了从潘尼达伦(Penydarren)到梅瑟(Merthyr)之间长为9英里的轨道。为了引起怀疑者们的注意,他拉了5节车厢,载了10吨煤和70个人。铁轨沿线聚集了很多人围观,当特里维西克以每小时10英里的眩目速度呼啸而过时,人们齐声欢呼,滚滚蒸汽与浓烟嘶嘶地冒进清晨的天空。

1805年,特里维西克将轨道重新设计成现在常见的倒“T”字形,比枕木更安全牢固。经过最后的改进,特里维西克的火车开始行驶在英格兰的煤矿区。

铁路发明之后

1810~1814年之间,拿破仑战争(英法之间的战争)使马匹与饲料的价格大幅升高。由于蒸汽火车运输比较省钱,运输业者一夜之间强烈要求拥有自己的铁路线。

1829年,英国人罗伯特·史蒂文森(Robert Stevenson)建造了第一辆“高速”火车——“火箭”号。它拖着40吨的列车,以每小时16英里的速度行驶在铮铮铁轨上。不拖车厢时,它的时速可以超过36英里。“火箭”号是第一个行驶速度超过马匹的人造物。

机车客运服务1829年始于美国。彼得·库柏(Peter Cooper)为巴尔的摩和俄亥俄铁路线建造了客车车厢。那列火车的发动机被称作“大拇指汤姆”。

美国“先驱和风”列车第一辆柴油发动机车(现代火车都是柴油机车)1912年诞生于瑞士,但却没有进一步开发,因为它效率似乎比蒸汽要低。第一辆实用柴油机车是流线型的“飞驰汉堡”,德国制造,于1932年投入使用。1934年5月26日,第一辆在美国投入使用的柴油机车“先驱和风”以每小时77.6英里的速度运行于芝加哥与丹佛之间1015英里的铁路上。这让所有人为之称奇,令许多人惊叹不已。

汽船

发明时间:1807年

发明内容:一种以蒸汽为动力的轮船。

发明家:罗伯特·富尔顿(Robert Fulton,美国纽约)

汽船为什么是100个最伟大的发明之一?

汽船最终使海上航行免受反复无常的洋流与风向的影响,使河上运输摆脱了时间与天气的束缚。商业因此而兴盛繁荣起来。因为知道河运与蒸汽动力可以安全地将他们的产品运抵沿海港口,地处内陆的农场和工厂也开始兴旺起来。

以前为了使船能在反复无常的风中行驶,造船者制作桅杆和风帆时不得不严格遵守载重与设计限制。现在,蒸汽动力将造船者从这些限制中解放了出来。

汽船的发明历史

汽船发明之前

在蒸汽机出现之前,河上运输与运河运输大都依靠马匹。驳船数量并不比马车多多少。逆流时船舶以每小时两英里的速度缓缓而上,顺流时则随着水流的速度疾驰而下。

海上航行的速度受水流及风力的影响很大,到达时间只能大体估计。受风力的影响,实际到达时间可能会延后或提前几个星期。

汽船是怎样发明的?

法国人马奎斯·乔夫罗伊·达本斯(Marquis Joffroy D-abans)是第一个尝试制造汽船的人。1776年他在巴黎塞纳河上进行了首次试航。达本斯在一艘河船上安装了一个小型的燃木蒸汽机。蒸汽机的摇杆臂连着鸭掌般的船桨,摇杆臂前后运动,鸭掌型的船桨滑稽地拍打着,但船却纹丝未动。

马奎斯“火船”模型1779年马奎斯再一次进行尝试。这次他使用了一个较大的蒸汽机。然而装在甲板上的蒸汽机太重,船刚开动就沉了。1783年,达本斯在法国里昂的索恩河上进行了最后一次尝试。他的新船“火船”(Peryscaphe)咝咝地喘息着,速度比人步行都慢。它在浓烟和蒸汽中逆流行驶了15分钟,最后解体沉没。火船用了一个小型侧桨轮做动力,这开创了利用桨轮来驱动蒸汽船的先例。

年轻的罗伯特·富尔顿是一位肖像画家。1887年,他去往英国,师从画家本杰明·威斯特(Benjam in West)。1793年他的兴趣转移到了轮船上,于是他辗转去巴黎学习河流和运河航行。

1796年富尔顿又爱上了潜水艇,而且真的造出了一艘潜艇。潜艇成功地在塞纳河底呆了24小时,然后他驾驶潜艇浮出水面,回到了港口。

在说服法国政府购买他的潜艇设计来对付英国的时候,富尔顿遇到了美国驻法国大使罗伯特·李维顿(Robert Livingston)。虽然富尔顿对潜艇心有所属,李维顿还是说服他至少要研究一下汽船。通过在档案馆、造船所厂和巴黎图书馆的学习富尔顿意识到,在以往所有汽船的设计中,发动机对船来说都太大太重,需要把船造得更宽些、更薄些。富尔顿也试验了不同的橹和桨的设计,最后断定双桨轮最为行之有效。

1804年富尔顿回到英国,希望将他的潜艇设计卖给英国,用来对付日益壮大的法国舰队。英国人对他的潜艇并不感兴趣,失望的富尔顿于1806年回到纽约,试图把他的潜艇设计卖给美国。又研究了6个月潜艇之后,碍于面子,他决定建造汽船。

行驶中的“克拉蒙特”号富尔顿从英格兰定购了先进的博尔顿瓦特蒸汽机,并基于他在巴黎的研究在曼哈顿岛的格林威治村码头重新建造了一艘133英尺长的船与之相配。他雇了一家炼铁厂为他建造两个15英尺高的桨轮。7个月后(1807年春),“克拉蒙特”号已经整装待发,准备试航。汽船喷出滚滚黑色浓烟和白色蒸汽,在纽约北港里涉水前行。

一星期后,富尔顿带领着“克拉蒙特”号开始了它的处女航——逆行132英里到达奥尔巴尼。人们在河畔列队欢呼。克拉蒙特号用32小时完成了航行,逆流时速超过4英里,创下了历史纪录。这一消息成了报纸的头条新闻。汽船顺流返回纽约,仅用了不到12小时。

汽船发明之后

不到一年便有成队的桨轮汽船在哈得逊河上往来穿梭。不久,在其他河流上汽船也被仿制。船越来越大,蒸汽机越来越强劲,桨轮的尺寸也一直在增长,19世纪中叶,密西西比河上蒸汽船的桨轮常常有4层楼高。

1812年,苏格兰人亨利·贝尔(Henry Bell)建造了第一艘航海蒸汽船。1819年,美国“萨维纳”号蒸汽船首次穿越大西洋。然而“萨维纳”号从技术上讲其实是一艘混合船,因为船上有帆,行驶过程中也使用过帆。1837年,“大西方”号首次实现了完全以蒸汽动力横穿大西洋。

螺旋桨现代轮船使用的螺旋桨是在1828~1832年间由几位发明家先后提出来的。通常说来,这个发明归功于两个人:一个是英国工程师罗伯特·威尔逊(Robert Wilson),一个是瑞典出生的美国机械师兼发明家约翰·爱立信(John Ericsson)。由于螺旋桨的流行,桨轮最终在1880年被淘汰。

20世纪初,轮船上不再使用蒸汽机。汽油机、柴油机以及后来的核动力更加简洁、轻便、耐用。蒸汽船现在只作为公园偶尔的娱乐项目出现。但是100年前,是汽船打开了世界的海洋与河流的大门,为航行与商业提供了新的机遇。

听诊器

发明时间:1816年

发明内容:一种可以让医生清楚地听到人体内声音的仪器。

发明家:雷内·拉乃克(Rene Laennec,法国巴黎)

听诊器为什么是100个最伟大的发明之一?

一个简单的听诊器是医生使用的最基本的成本最低的诊断器械。它可以为肺、心、喉、血、胃等人体内部器官的工作情况提供准确有用的信息。现在,医生的诊断器械中虽然又多了一些极其复杂与尖端的科技产品(X光、核磁共振成像、造影扫描、内诊镜等),但医生看病时首先使用的仍然是听诊器。医生总是把听诊器挂在脖子上。听诊器对于医生而言,就好像计算器对于工程师或会计一样,是最为基本而又必不可少的。

听诊器的发明历史

听诊器发明之前

就连古美索不达米亚和古埃及最早的医师都知道,倾听病人体内的声音是一个很重要的诊断步骤。医师要把耳朵紧贴到病人的胸部、侧面或背部才能听到心肺的声音。

听诊器是怎样发明的?

1816年,38岁的雷内·拉乃克已经是巴黎一位知名的医师,也是一位颇受倚重的呼吸系统、肺脏以及其他胸腹腔紊乱疾病(支气管炎、肺气肿、肺结核、肝硬化等)的诊断专家。

1816年的夏天,另一内科医生请拉乃克为一位呼吸困难的年轻女子做检查并诊断。拉乃克的一般诊疗程序是让病人除去部分衣物,这样他可以隔着一块薄手帕用耳朵听5个地方:双臂下的两侧,背部上面的两侧以及胸骨上侧。

然而,这次的病人是一位年轻女子,身材极为肥胖,而且因为身体不好又加上巴黎的酷暑正大汗淋漓。为了听声诊断,得钻到她黏湿的双臂下,这让拉乃克感到极不自在。

拉乃克犹豫了,不知道如何是好。就在他窘迫不安的时候,拉乃克想起了以前在学校学到的一个声学现象——声音可以通过固体传播。拉乃克取了24张纸,把它们紧紧卷成筒状,并用糨糊固定住。他把纸筒的一端对准年轻女子的胸腔,另一端对准自己的耳朵。

拉乃克的听诊器拉乃克高兴地发现,这样听到的病人心跳和肺支气管呼吸的声音比把耳朵贴到她的胸部听得更加清楚。他把纸筒换了个位置,发现竟然可以听到她动脉与静脉内血液流动的声音。

这样简单的装置竟有如此潜能,拉乃克深深为之着迷,他开始利用各种固体材料与不同形状的材料进行了5个月的实验。他试验过用几种不同的金属棒与金属管,尝试过压制成卷的棉花与其他纤维。出乎意料的是,拉乃克用听诊器听诊这些都不如纸筒或木屑效果好用。

一次,从晚间音乐会上看到的圆号的形状给了拉乃克灵感。他将管子的一头张开,成漏斗状,然后把听杆切成两部分——管子和漏斗,这既便于携带也便于在自家车床上加工制作。

拉乃克发表文章,把这种仪器简单地称为“管子”。其他人想用他的名字来为这个设备命名,拉乃克拒绝了。为防止他们取过于花哨的名字,他根据希腊单词“了解”和“胸腔”将这个仪器命名为“听诊器”。

听诊器发明之后

现代听诊器医学界并没有立即接受拉乃克的听诊器。1828年,巴黎一位内科医师阿道夫·皮奥里(Adolphe Piorry)为他的听诊器前面加了一个叩诊板(一个用来放大体内声音并将其传进听诊器的薄铁板),结果收到了奇特的效果。听诊器接收到的声音既清晰又清脆,这让其他医生感到震惊。从此,听诊器被广泛接受,并得到普及。

1835年,英国的听诊器首次用柔韧的可缠绕的绳作管。1870年,美国首次出现末端带有橡胶圆锥体的听诊器。20年后,听诊器上柔韧的橡胶管变得十分普及。

上个世纪很多其他的诊疗器械被发明了出来,例如X光、核磁共振成像、造影扫描、内诊镜、放射性染色扫描。然而,医生看病时仍然会首先取出他们信赖的听诊器,或许将来他们仍会这样做。

电动机

发明时间:1831年

发明内容:一种将电能转化成机械动力的机器。

发明家:迈克尔·法拉第(Michael Faraday,英国伦敦)

电动机为什么是100个最伟大的发明之一?

缝纫机、有轨电车、搅拌机、电风扇、空调、动力锯、钻孔机、洗衣机、电冰箱、吸尘器、吹风机还有洗碗机都靠电动机运转。家庭汽车的启动也得靠电动机。几乎所有你拥有或使用的东西都是靠电动机运转其部件的。从20世纪初开始,世界上大多数工厂以及家用发动机都是电力的。

电动机的发明历史

电动机发明之前

人类利用人力、畜力、风力、水力来搬运设备,推动磨臼,运转机器,为农业提供动力。他们烧柴烧煤来锻铁、烧窑、取暖。

詹姆斯·瓦特(James Watt)发明蒸汽机后,工业及运输业都转换成了蒸汽动力。然而却没有可以用在室内或者小器具上的小型发动机。电力在19世纪初仍然是一种新事物,还没有发电站和配电线路。

电动机是怎样发明的?

迈克尔·法拉第是铁匠之子,没有受过正规教育。他14岁(1805年)时做了一位出版商的学徒,是一位自学成才的科学爱好者。18岁的时候,他对化学一见钟情。虽然他的名望来自于他用电所做的发明创造,但他终生都称自己是化学家。

1820年,丹麦科学家奥斯特(Hans Christian Oersted)发现了电力与磁力之间的联系。1822年,法拉第当时在为英国知名科学家戴维(Sir Humphry Davy)做助手,他决定利用奥斯特的神奇发现来发明一种装置,他称之为“旋转器”。

法拉第的旋转器是一块表面缠绕着电线的坚固的磁铁。当电线连接到电池上时,电流就对磁铁形成了一个对立磁场。磁铁排斥电线,电线被迫沿磁铁旋转。这仅仅是个小玩具,就连法拉第自己也没把它当做一个重要的进步。

1831年,法拉第突然发现他1822年的玩具反过来也可以。金属导体(电线或圆盘)穿过磁场时可以产生电流。自从他利用磁场来促使电流穿过电线后,他就把这种现象叫做“电磁感应”。他把一个铁环的两侧都缠了两圈电线,将其中一个线圈与电池连接,电线中的电流产生了磁场并促使另外一个线圈带上电。

法拉第的第一台发电机然而这个实验仅仅在新线圈中产生了一闪而过的电流。法拉第失望了。他所希望的是只要第一个线圈连着电池,第二个线圈中就会一直有电流产生。又思索了几个月之后,法拉第发现磁场转换或移动金属切穿磁场就可以产生电流。

他把铁圈换成了铜圈,1831年10月29日,他又在一个马蹄型磁铁上方悬挂了一个金属圆盘。旋转圆盘的时候,他测到一股微弱的电流持续通过了一条连线(金属移过磁场产生电流)。这个简单的装置是世界上第一台发电机。利用法拉第原理的发电机在当今世界随处可见。

接着,法拉第逆转了这个过程。他在一个磁铁上缠上电线连上电池。他在电线上配上了一个可以让电流从磁铁一端流到另一端的装置。每次电流从磁铁的一端冲到另一端的时候,就倒转了磁场的方向。这个变化的磁场推动着悬盘旋转(不断变化的磁场使置于它内部的金属物体做物理运动)。这便是世界上的第一个电动机(电流引起磁场的不断变化并随之促成物理运动)。

电动机发明之后

威廉·斯特祯法拉第揭示了电动机与发电机的原理以后,大型实用的电动机和发动机得到迅速发展。1832年,英国人威廉·斯特祯(William Sturgeon)发明了转接器。这是一种可以迅速转换电池电流方向的装置。转接器使法拉第的电动机更加实用有效。

1837年,美国人托马斯·达文波特(Thomas Davenport)制造了第一台美国电动机。他是仿制现代电机的第一人。到1870年电动机注册的专利已经超过了200个。西伯兰德斯1840年,荷兰化学教授西伯兰德斯(Sibrandus Stratingh)建造了第一艘电动船。1842年,苏格兰人罗伯特·戴维森(Robert Davidson)制造了第一辆电车。1881第一条永久电气化铁路在德国投入运营。

电动机与发电机的改进仍在继续。看样子我们要一直依靠电力为世界提供能源。电依然是用途最广泛的能源,法拉第的电动机也仍然是一种把电力转化为机械动力的最常用的工具。

联合收割机

发明时间:1831年

发明内容:一种可以同时实现将粮食收割、聚集、分类与装袋的机器。

发明家:赛勒斯·麦克科密克(Cyrus McCormick,美国维吉尼亚圣拿多峡谷)

联合收割机为什么是100个最伟大的发明之一?

当粮食还是手工收割的时候,一望无垠波浪起伏的粮田并不存在。收割、聚集、脱粒(把粮食与茎分离)、扬谷(把粮食与壳分离),还有装袋,耗费了人们大量的时间。这就意味着农场播种与收获的粮食仅能满足家用。

后来,赛勒斯·麦克科密克发明了联合收割机。这种机器彻底改革了粮食的收获方式。以前,手工作业要花几个星期的工作,现在一天便可以完成。联合收割机增加了食品生产并把农业转向了粮食生产。它使农业从低密度的家庭劳动转变成了资本密集型的大商业。

联合收割机的发明历史

联合收割机发明之前

收割粮食一直是个让人筋疲力尽的、非常艰辛的、劳动力密集型的劳动过程。小麦、黑麦、燕麦以及其他谷物都是用镰刀手工收割。一个壮劳力一天可以割几英亩。其他人把割好的谷物斜放成排,然后再有人把它们捆成捆(直径3~4英尺的麦秸捆扎起来竖着放在地里)。用手敲打它们把粮食敲下来,然后再去壳。在一个家庭农场,整个家庭要起早贪黑,赶在雨雪之前完成收割,不然粮食就会被毁掉。

联合收割机是怎样发明的?

1820年,在他位于维吉尼亚圣拿多峡谷的连绵起伏的农场上,农民发明家罗伯特·麦克科密克(Robert McCormick)尝试着设计并建造一种自动的用马力驱动的收割机(切割机),但遭到了失败。他在1829年放弃了这个研制项目。

罗伯特放弃研制之后,他19岁的儿子赛勒斯决定继续这项研究。然而赛勒斯梦想的是制造一台可以将切、割与脱粒合而为一的机器。

麦克科密克的联合收割机赛勒斯观察峡谷上上下下在田里劳作的农夫,研究他们收获过程中每一步要做的重复性运动。在他父亲的谷仓里赛勒斯一边工作,一边实验如何能用机械复制他所分解的运动。

赛勒斯以这些实验为基础,在往复式割刀上面安装了一个带金属刀片的桨轮来切割谷物。他在这些刀片后面做了一个宽木平台用来接纳切下的秸秆。赛勒斯在平台上方转鼓上安装了第二组桨板。这组桨板敲打(脱粒)切下的秸秆,把粮食从秸秆上敲下来。然后,粮食穿过一个金属网进入底下的存储箱。赛勒斯希望这个设计可以为捆垛秸秆和包装粮食做好准备。

他很快发现,秸秆容易洒在木制平台上。他增加了一对前后移动的机械耙,使用中的麦克科密克联合收割机把秸秆推到脱粒桨下面,然后收集稻草来捆包。

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