弹簧的应用

大多数材料都有不同程度的弹性，如果将其弯曲，便会以很大的力量恢复其原形。在人类历史上，一定很早就注意到树苗和幼树的树枝有很大的挠性，因为许多原始文化利用这一特性，在特制的门后或笼子后楔上一根棍，或者用活结套在一根杆上向下拉；一旦松开张力，这根棍或杆就会往回弹。他们就用这种办法来捕捉飞禽走兽。实际上，弓就是按这种方式利用幼树弹性的弹簧；先向后拉弓，然后撒手，让其回弹。中世纪时，这种想法开始出现在机械上，如纺织机、车床、钻机、磨面机和锯。操作者用手或脚踏板给出下压冲程，将工作机械往下拉，这时用绳索固定在机械上的一根杆弹回，产生往复运动。
　　弹性材料的抗扭性不压于它的抗挠性。希腊帝国时期 （大概是公元前4世纪）发明了用搓成的腱绳或毛绳拉紧的扭簧，用以代替简单的弹簧来加强石弩和抛石机的威力。这时人们开始认识到，金属比木头、角质或任何这类有机物质的弹性更大。菲洛 （其写作年代约为公元前200年）把它作为一项新发现来进行介绍。他估计读者是难以置信的。凯尔特人和西班牙人的剑的弹性，引起了他的亚历山大城的前辈的注意。为了弄清楚剑为什么有弹性，他们进行了许多实验。结果他的师傅克特西比发明了抛石机，抛石机的弹簧是用弯曲的青铜板作成的——实际上是最早的片簧；菲洛本人又进一步改进了这些抛石机。富有创造性的克特西比在发明这种抛石机后，又想出了另一种抛石机—一它利用汽缸内空气在受压的情况下产生的弹性工作。
　　在很久以后人们才想到：如果压缩一根螺旋杆，而不是弯曲一根直杆，那么金属弹簧储存的能量就会更大。据伯鲁涅列斯基的小传记载，他制作过一口闹钟，其中使用了若干代弹簧。最近有人指出，在附有一些奇特的螺旋弹簧钟表图的15世纪末叶的一本机械手册中有这架闹钟的图样。这类弹簧也用于现代的捕鼠器。带圈簧 （水平压缩而不是垂直压缩的弹簧）的钟表，在1460年左右肯定已开始使用了，但基本上是皇室的奢侈品，大约又过了1个世纪，带弹簧的钟表才成为中产阶级人士的标志。
　　控制流动方向的阀门
　　由于阀门只让水或其他流体（如空气）沿一个方向流动，几乎可以肯定地说，它最先是作为需要这种运动的早期工具——风箱的一个部件出现的。阿格里科拉在研究文艺复兴时期的冶金学的文章中说，锻铁炉风箱有一个比风眼稍长和稍宽的薄板，“薄板上覆盖着山羊皮，是用皮带捆在板上的，毛边一侧冲地面”。放置的方式是：当风箱鼓起来时，薄板打开；当风箱收缩时，薄板关闭。”瓣阀肯定远比阿格里科拉的时代为早，同楔形板风箱一样古老。但它问世的具体年代却很难确定，因为瓣阀这个术语来自古老的皮袋型风箱 （在这种风箱中，操作的人可以用脚或手将风眼堵住）。显然，最早的模型大约是希腊王朝时代的青铜灯，但在罗马后期的诗人奥素尼乌斯之前还没有人提到过青铜灯的阀门。奥索尼乌斯把陆上快咽气的鱼的鳃。比作在掬木腔内往复运动时通过孔眼交替进风和挡风的羊毛阀。
　　可以说，机械上使用阀门的历史起始于克特西比的压力泵。维脱劳维斯和赫罗对压力泵作了详细的说明，他们说：“灵巧地安在管道口内的环形薄片，不会让压入容器的东西再往回跑。”看来克特西比压力泵的原始瓣阀呈长筒形，那时已用来搞屋顶通风。后来改用矩形阀，但名称仍保持不变。已经修复了几台罗马压力泵，其阀门已严重腐蚀，但还是可以辨认出来。赫伦在讲到用双气缸压力泵作灭火器时，还介绍了一种原始的跳动活门，一些在三根弯柱上滑上滑下的小圆盘。克特西比的水力机件有用来控制空气进入管道的滑阀。除此以外，在文艺复兴时期前，所有的泵和风箱阀都是瓣阀 （或铰形阀）。
　　达·芬奇发明的一种锥形跳动舌门，无疑是拉梅利的机械发明手册
　　（1588）中所画的那些舌门的来源。跟拉梅利同时代的阿勒奥蒂，在自动木偶戏中采用了一种蝴蝶阀来控制管道内的水流。但是，从赫伦的时代直到发明蒸汽机，这些跳动舌门没有一种得到广泛应用，各种阀门也没有什么变化。蒸汽机（需要对流入和流出顺序进行更精确的控制）导致了跟发动机的运转有关的精密阀门的出现，这些阀门包括纽科门设计的释放积蓄在气缸中的空气的“喷气阀”、默多克的滑阀（1799）和使双动发动机的活塞保持平衡的平衡阀。
　　蒸汽机上的曲轴
　　9世纪的一首赞美诗曾讲到西方用曲柄跟曲柄销和曲柄臂连成一体来转动磨石的事。此后500年内，曲轴只偶尔见于图例。在公元1400年之后不久，至少在低地国家的带旋转升降机、罐笼，甚至测试仪表等插图的手稿中似乎都突然出现了曲轴。组合曲轴在同一时代问世，最初为拉杆式，是一种简单的手持工具。但是，在拉杆曲轴首次出现后几年内，有人就想到转动拉杆的曲柄臂可以用连杆代替，在手磨机中，连杆仅仅是人的手臂的延伸，但是，连接机构可以反向运动，通过旋转曲柄驱动连杆来操纵一台泵，如同公元1431年的一部手稿中所描绘的那样。于是，曲轴诞生了。15世纪和16世纪普遍采用曲柄来驱动风箱和大型锯机，它们是要求双向控制的仅有的两种机器。虽然偶尔也在泵中采用曲轴，但已经设计出双拐甚至四拐曲轴，并且很可能已经到处安装使用。然而，在很长时间内，人们并不真正欢迎曲轴，因为只要重型机器都是木制的，曲轴就不易制成整体，就会使连接处受到很大的应力。
　　不管怎样，在铸铁时代以前，曲轴并未获得应有的信誉。公元1780年，瓦特发觉自己受到一项专利的限制，不能利用曲轴将他的蒸汽机的往复运动转变为旋转运动——旧式运动路线的倒转。虽然他很气愤，但却从中受到了启发，设计出了达到同一目的的恒星与行星齿轮。但是随着专利的过时，曲轴变成了进行这种作业的标准设备。如果使用两个或多个汽缸，或必须从两侧提供动力 （例如向汽船的桨轮上提供动力），那么，曲轴就是一个解决办法。在尔后的蒸汽时代，曲轴被用在20世纪所有的活塞发动机上，无论哪一种燃料都可以驱动。
　　螺钉和改锥的来历
　　木螺丝 （在美国有时称为螺钉）是比较近代的东西。但是，在16世纪，军械工人和军械士已经使用一种带凸片的小型工具——最初的“螺丝起子”——来调节他们的步枪机构了。步枪机构用铁钉钉在枪托上。有人发现，在铁钉上加螺纹，会固定得更牢。像所有其他铁钉一样，它们都是被敲进去的，取出来很困难。唯一的解决办法，是在将铁钉敲入之前，在其头部切出沟槽。这样，利用“螺丝起子”就可以将它们取出。于是，螺丝起子就成了最早的螺丝钳子或拧松器。费利比安的1676年的改锥就是这种类型。
　　由于螺钉是用手工制造的，造价自然昂贵，只用在特殊的工件上。然而，到18世纪末，一些不知名的天才（可能是在英国伯明翰）发现了一种更好的制造方法，不过仍然是用机器制造平端螺钉。这使得螺钉的造价低廉，能普遍地用于固定铰链、门、家具等。但是，细纹螺钉的作用由于敲击而减低，需要用有较长凸片的工具将其拧进去。大约在公元1780年，伦敦装配工具的制造厂商引进了有较长凸片的改锥，这种改锥的商标至今还称为“伦敦牌”。大约在公元1840年，内特尔福德改进了木螺钉，将其制成带尖的。改锥从此一直向前发展。
　　空气泵
　　德国马德堡市市长盖里克对科学家和哲学家关于形成真空的可能性的争论很感兴趣。作为一个受过专门教育的工程师，他决定通过实验来解决这个问题。公元1650年，他制造出了第一台空气泵——像一台手工操作的水泵，但有制造精密的零件，不透气。这台空气泵是成功的。他指出，在一个抽尽了空气的容器内，听不到钟响，蜡烛不燃烧，动物也会闷死。
　　他的大规模的演示是十分壮观的。有一次实验是当着皇帝斐迪南三世的面在其宫廷前面的空旷处进行的。在这个实验中，在直径12英尺的两个半球的周边凸缘上涂上润滑脂，将两个半球的凸缘嵌合，然后将球内空气抽尽。将8匹马分成两组拉拴在每个半球上的钢索也未能将其分开，可是放进空气后，它们就分开了。在公元1654年的另一次实验，是将一个立式开口圆筒活塞下面抽成真空，用50人拉拴在活塞上的绳子，他们反而被活塞拉动了。人们就是用这种方法来使活塞做功的；活塞的下面必须始终有一个真空。
　　但是，没有空气泵能形成真空吗？经过许多年之后，人们发现用蒸汽可以解决这个问题。公元1698年，托马斯·萨弗里第一个利用蒸汽排水，使蒸汽通入密闭容器，然后在容器上喷冷水，使其中的蒸汽冷凝，从而产生真空。他利用这种真空从矿井抽水，又利用锅炉蒸汽将容器中的水排空。这个循环过程反复进行。
　　萨弗里的设备被称为“矿工之友”。它没有任何活塞或活动零件，也不是一台发动机，而只是一台泵而已。
　　在此以前的1690年，法国的丹尼斯·帕平已经制造出了一个模型设备，一个直径2．5英寸的活塞刚好能放进汽缸里。在汽缸内盛少量的水，他就能够通过连续地将水加热和冷却的办法，证明汽缸冷却时在活塞下面形成真空。虽然这种设备没有得到实际应用，但却是第一台利用冷凝蒸汽推动活塞和做功的设备。
　　公元 1712年，将居里克、帕平和萨弗里的上述3项成就结合在一起，达特默思的托马斯·纽科门制成了一台实用的蒸汽机。
　　胡克发明了万向节
　　公元1676年，被誉为“英国的达·芬奇”的罗伯特·胡克发表了他关于
　　“太阳镜”的演说。这是一台采用反射镜系统安全地观测太阳的仪器。这台仪器是用他新奇的万向节进行操纵的。万向节是一种万能仪器……用来通过任何不规则的弯曲轨道产生环形运动。虽然胡克比较详细地讲过这种新仪器的制造方法，并且含糊地指出，这种仪器可能在各方面获得应用，但他自己只想用它来进行天文观测，或用在时钟和日规的设计中，故在当时没有引起多少人注意。
　　胡克是个才华横溢的人，他在系统提出物理学、化学和地质学方面的革命性理论之余，在伦敦咖啡馆内同思想相近的朋友们无休止地讨论之余，抽空儿搞了二十几项发明。他的日记通常略为提及某些新设想是如何在他的高度活跃的头脑中逐步酝酿成形的。英国皇家学会会议记录，记载了那些使他最新的发现得以驰名的实验。
　　但是，日记并没有讲他在万向节上花费了许多时间；他也不曾想学会演示万向节。就这种机器而言，发明完全属于他个人看来是勿容置疑的。但是，在动力传输方面，在19世纪的运输革命之前，和许多其他的发明一样，并不需要一个具有向各个方向传动的自由接头。
　　瓦拉发明了调速器
　　瓦特在1789年发明的蒸汽机中使用的离心调速器，在当时引起的轰动不是太大；瓦特重视动力系统，只把调速器看成是蒸汽机上的一个附件。然而它是第一台通过改变燃料输入量而有效地控制速度的装置，是使一台机器能进行自动调节的一切反馈装置的鼻祖，在发明史上的地位已确定无疑。瓦特的调速器是由一对离心摆组成，最远处与蒸汽机的旋转飞轮相连，直接连在一个套筒上，套筒又与汽缸的进汽阀连接。当飞轮转动较快时，两个球体就向外摆动，使套筒下降；当速度减慢时，球体就随之下垂，迫使套筒上升。汽阀可开大开小，以维持均匀的速度。
　　瓦特调速器的历史，也许可追溯到中世纪和文艺复兴时期机器上有时用来代替飞轮的球—链装置或球—杆装置。然而这些装置只发挥飞轮的功能，通过贮存能量、使钻床或曲柄产生较有规律的运动来带动工具越过“死点”；它们不能控制速度或功率输入，最多只是对调速器的造型有所启发。直到力学发展了，人们知道了钟摆的性能，懂得了离心力后，才有人想到利用球—杆组合装置来进行控制。
　　磨坊工人经常碰到的一个问题是无法利用强风力。因为当轴旋转很快时，磨石容易向上移动，扩大两块磨石之间的距离，以至夹在两块磨石当中的谷粒不能完全磨碎。人们靠手将两块磨石拉紧，使它们之间保持适当的距离。直到1787年，托马斯·米德才想出一种方法，将两个摆分开挂在驱动磨石的正齿轮上，通过链条和万向节提升和调节拉杆。另一对摆与风车翼板相连，这样就使后者随速度的变化而张合。磨坊工人只要改变翼板承受的风力，就能调节旋转轴的速度。两年后，斯蒂芬·胡珀用齿条和扇形齿轮代替链条，设计了一台可以同它匹敌的机器，取得了专利权。
　　与此同时，约翰·伦尼在伦敦建的第一个用蒸汽驱动的磨房——“阿尔比恩磨房”。装有和米德调速器一样的调速器。博尔顿在1788年5月给他的合作者瓦特写信说，“有一种调节顶磨石和底磨石之间的压力或距离的装置。用这种调节装置，蒸汽机运转得越快，上下磨石就越密合……当蒸汽机停止运转时，顶磨石就升起……这是由于两个铅镇重的离心力所致。全速运转时，铅镇重水平上升；运转减慢时，铅镇重就下落。它们通过这种方式对杠杆产生作用。”这一定是瓦特的妙想，因为虽然这种调速器最初是用在磨石上，而不是用在蒸汽机上，但在1788年底前，瓦特就按后一种用途将它进行改装了。由于他知道自己不能声称发现了这个基本原理，因而没有想申请专利权。他先于竞争对手对调速器采取保密措施。
　　流珠轴承
　　看来很可能是意大利文艺复兴时期的雕刻家和金匠的塞利尼 （1500～1571年），首先看出一圈自由旋转的滚珠可能减少两个转动体之间的摩擦力。1543年，他在自传中写道：“我已作成了一尊美丽的朱庇特雕像，将它放在一个木制底座上。我在底座内安了4个小木球，木球的一大半埋在球窝内。整个设计十分巧妙，一个幼小的孩子也能轻而易举地使其前后移动和转身。
　　但是松动地安在滚道里的进行滚动接触的滚珠轴承，直到18世纪最后25年才开始用在风车上。最先用滚珠轴承的风车是柱式风车（约1780年），机器的整个结构围绕中心柱旋转。1794年，威尔士卡马森的一个叫菲利普·沃恩的铁器制造商用经向滚珠轴承作为四轮马车的车轴轴承，并为此申请了专利权。从那时起到19世纪，特别是在19世纪的50年代和60年代，人们将滚珠轴承用在儿童玩的旋转木马、螺旋桨轴、军舰上的机枪转塔、扶手椅和自行车等器械的轴上，并取得了若干专利权。但是，直到有动力装置的车辆出现以后，金属部件因快速行驶而发生大量的磨损时，这项发明才开始得到充分利用。因此，在汽车和能大批生产的精密的球磨机出现以前，滚珠轴承并没有真正起到像今天这样重大的作用。
　　传动链条
　　1864年，斯莱特获得了一种传动链条的专利，这种传动链条可以看作研制一种能驱动自行车和其他机械的精密链条的第一步。他在索尔福德一个工厂制造纺织机械链条。后来这家工厂被瑞士人雷诺德买去。雷诺德又于1880年获得套筒链的专利。把套筒装在这种链上，比斯莱特的设计能提供大得多的承载表面。
　　人们所知的最早的传动链的设计图是达·芬奇画的，然而不知道他画的传动链是否真的制造出来了。我们从拉梅利的 《不同的人工机械》一书上，可以看到公元1588年的一种抽水机的插图，这种抽水机就是利用链传动。图上的链有一个方形的链环，与木轮上凸出的齿相配，每一个方形链环都通过3个椭圆形的链环与下一个方形链环连接。
　　因为适合做传动链的金属又稀有又昂贵，又缺乏良好的制作工具，所以传动链未能广泛使用。然而到19世纪初期，由于工业革命的缘故，传动链获得了较为广泛的应用。
　　后轮用链传动的最早的法国自行车是吉尔梅设计的，由梅耶和吉埃于1868年制造出来。虽然传动链已经使用了一段时间，但主要是用于纺织机械，自行车链条仍然相当差劲。后来，一个叫朱赞的法国人于1885年研制成功了所谓的“现代自行车”，它的两个轮子一般大，后轮用链传动。英国人斯塔利于1885年制造出了称为“安全漫游者”的自行车。这种自行车有新的改进，但后轮仍用传动链传动。于是考文垂成了自行车的中心，开始了现代自行车的时代。后来人们又把链传动原理用于摩托车和汽车。现在，精确的传动链已经成为工业机械的最重要的零件之一。
　　抓斗大王
　　几十年来，工人们全靠人工使用28毫米粗的钢丝绳在船舱内捆扎原木，然后再用吊车吊起。年复一年，谁也没有想到这有什么不妥。然而有一天，有一个人却着意要改变这种落后的状况。他就是包起帆，人称“抓斗大王”。说起他发明的抓斗，还要从血淋淋的事故说起。
　　1968年，17岁的包起帆初中毕业，一场“文化大革命”断送了他学文化、升高中的梦想。他不得不到上海港木材装卸公司报到，当了一名装卸工。从此，包起帆便和木头、吊车打起了交道。夏天，船舱里闷热难耐，他和工人们也要在里面搬运木头；冬天，木头上都结了薄薄一层冰，他们也必须按时完成装卸任务。在这样的工作条件下，稍不留神，就会祸从天降——那些又重又粗的原木就像一只只“木老虎”，随时有可能挣脱钢丝绳的束缚，从高高的吊车上滑落下来，一旦砸在工人们的身上，其后果真是不堪设想。
　　包起帆就曾亲眼目睹过这样的惨状。
　　有一天，包起帆和一位同事正在船舱内工作，只见吊车吊起的大木头在空中打转。突在，险情发生了，一根原木从吊车上滑了下来，压在了这位同事的身上。只听“啊”地一声，这位同事便在包起帆的身边倒了下去，鲜红的血液从嘴里吐出。经过医生的检查，砸下的原木压断了这位同事10多根肋骨。
　　这种事故在包起帆的身边是经常发生的，从他进公司以后，就有500多人受重伤或轻伤，10多人死亡。
　　同样的事故也在包起帆的身上发生过。那是1974年春天的某一天，包起帆正在船舱里拉着钢丝绳捆扎原木，就在他把钢丝绳挂上吊钩的一刹那间，挂钩升起来了，将他的左手大拇指连同手套都拉碎，鲜血直流，手上露出了白白的骨头。伤好了以后，包起帆重新进入船舱装卸原木，不料又被木头砸伤了脚腿。
　　面对此情此景，包起帆心想：“这种落后的装卸方法劳动强度高，生产效率低，真是一只令人畏惧的 ‘老虎口’啊！我一定要想点办法，治一治这只 ‘木老虎’！”
　　由于伤病在身，包起帆不得不离开自己洒了多年血汗的工作岗位，来到了机修车间当修理工。包起帆就是这样，到哪里都想有所作为。于是，他到新华书店去买了许多书籍——《机械制图》、《车工基础》等，然而，对一个文化水平只有初中二年级的人来说，要读懂读通这一本本厚厚的书，谈何容易啊！包起帆真想有一个重新学习的机会，补上科学文化这一课。
　　机会终于来了。1978年，大学恢复了招考，包起帆如愿以偿，考取了上海市第二工业大学。当然，他读的是半脱产的业余大学，4天脱产学习，2天工作。
　　从初中二年级的水平一下要跃到大学，其困难是可想而知。然而，包起帆却知难而进。三角函数、解析几何虽然是第一次碰到，但是人家做10道习题，他就做20道、30道；电学、光学、力学尽管理解起来有困难，但是人家复习1遍，他就复习2遍、3遍……功夫不负有心人，学习上的困难在一点点地克服、一步步地后退，而包起帆却在一天天地进步。
　　为了补上初中、高中的知识，他特地到书店买来了数理化自学丛书，每天晚上做完功课后就从基础知识补起。包起帆还摸索出一套他自己的学习方法呢，他把厚厚的书本拆成薄薄的几本，揣在口袋里，走到哪里学到哪里，马路边、车站上、汽车里……所有零星的时间都被他利用了起来。就这样，包起帆终于跟上了学习的步伐。
　　就是在拚命读书的时候，包起帆也没有忘记治服“木老虎”的使命。
　　平时，包起帆常常在码头边散步，看到别的公司在装卸黄沙、石子时都是用抓斗，一上一下，一张一合，非常自如。于是，他想：黄沙、石头能用抓斗，为什么木头就不能用抓斗呢？对！我得制造一种安全的能抓木头的抓斗。
　　他利用读书的空闲，又来到自己工作过好几年的船舱调查研究；他还到图书馆、情报所、资料室查数据、找公式；回到家里，他还用硬纸板做成各式各样的抓斗模型……
　　一次次的试验，一次次的失败，关键都在抓斗的开闭结构：抓木头时，它必须张大口；抓起木头时，它又必须紧闭口，将木头紧紧夹住，不让木头滑脱。
　　有一天，包起帆将自家的缝纫机零件拆下来，做成了一个小抓斗，再用两根绳子代替起重索，一上一下地来回放松、收紧，嘿！这小玩意儿竟然能够抓起东西了。
　　经过紧张地画图设计、制造加工，包起帆终于梦想成真。第一只木材抓斗发明成功了！时间是1981年10月，这是包起帆永远难忘的一天，他眼看着自己发明的抓斗轻松自如地装卸着原木，心中涌起了一股自豪感。
　　包起帆发明的第一种抓斗叫“双索门机抓斗”，它是用两根起重索使抓斗打开和闭合的。有了这种抓斗，工人们终于从“老虎口”中解放了出来。
　　这项发明不仅使包起帆获得了国家发明奖，还使他荣获了第16届日内瓦国际发明银奖呢！
　　大学毕业以后，包起帆调到了公司技术科当技术员，这更使他如鱼得水，几乎每年都有新的发明问世。
　　1983年10月，包起帆被推选为工会代表，赴京参加全国总工会召开的
　　“十大”。在开幕式上，他忽然发现大会发给每位代表用作记录的圆球笔的伸缩结构十分灵活，“哎，这个结构能不能用到我的抓斗上去呢？”真所谓
　　“心有灵犀一点通”。正是这枝普普通通的圆珠笔，使包起帆想到可以将“双索抓斗”改为“单索抓斗”，用一根绳索就可以完成打开、闭合抓斗两个动作了。
　　晚上，代表们都去看电影了，而包起帆却呆在宿舍里拿着这枝圆珠笔出了神，这枝圆珠笔是怎样的结构呢？一连几个晚上，他都没有得出什么结论。
　　一回到上海，包起帆就直奔黄浦江西岸的一家圆珠笔厂，向工人请教圆珠笔芯伸缩的奥秘。但是，接待他的人以为他是同行，是来窃取情报的，对他十分冷淡。包起帆仍不死心，去公司开了介绍信，还是不管用。后来，他又几次登门求教，终于感动了圆珠笔厂的接待人员。当他们知道包起帆是为了搞抓斗发明，才希望弄懂圆珠笔芯的伸缩原理，别无他意时，接待人员才把“秘密”告诉了他。