彈簧的應(yīng)用
彈簧的應(yīng)用
大多數(shù)材料都有不同程度的彈性，如果將其彎曲，便會以很大的力量恢復(fù)其原形。在人類歷史上，一定很早就注意到樹苗和幼樹的樹枝有很大的撓性，因?yàn)樵S多原始文化利用這一特性，在特制的門后或籠子后楔上一根棍，或者用活結(jié)套在一根桿上向下拉；一旦松開張力，這根棍或桿就會往回彈。他們就用這種辦法來捕捉飛禽走獸。實(shí)際上，弓就是按這種方式利用幼樹彈性的彈簧；先向后拉弓，然后撒手，讓其回彈。中世紀(jì)時(shí)，這種想法開始出現(xiàn)在機(jī)械上，如紡織機(jī)、車床、鉆機(jī)、磨面機(jī)和鋸。操作者用手或腳踏板給出下壓沖程，將工作機(jī)械往下拉，這時(shí)用繩索固定在機(jī)械上的一根桿彈回，產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動。
彈性材料的抗扭性不壓于它的抗撓性。希臘帝國時(shí)期 （大概是公元前4世紀(jì)）發(fā)明了用搓成的腱繩或毛繩拉緊的扭簧，用以代替簡單的彈簧來加強(qiáng)石弩和拋石機(jī)的威力。這時(shí)人們開始認(rèn)識到，金屬比木頭、角質(zhì)或任何這類有機(jī)物質(zhì)的彈性更大。菲洛（其寫作年代約為公元前200年）把它作為一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)來進(jìn)行介紹。他估計(jì)讀者是難以置信的。凱爾特人和西班牙人的劍的彈性，引起了他的亞歷山大城的前輩的注意。為了弄清楚劍為什么有彈性，他們進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)。結(jié)果他的師傅克特西比發(fā)明了拋石機(jī)，拋石機(jī)的彈簧是用彎曲的青銅板作成的——實(shí)際上是最早的片簧；菲洛本人又進(jìn)一步改進(jìn)了這些拋石機(jī)。富有創(chuàng)造性的克特西比在發(fā)明這種拋石機(jī)后，又想出了另一種拋石機(jī)—一它利用汽缸內(nèi)空氣在受壓的情況下產(chǎn)生的彈性工作。
在很久以后人們才想到：如果壓縮一根螺旋桿，而不是彎曲一根直桿，那么金屬彈簧儲存的能量就會更大。據(jù)伯魯涅列斯基的小傳記載，他制作過一口鬧鐘，其中使用了若干代彈簧。最近有人指出，在附有一些奇特的螺旋彈簧鐘表圖的15世紀(jì)末葉的一本機(jī)械手冊中有這架鬧鐘的圖樣。這類彈簧也用于現(xiàn)代的捕鼠器。帶圈簧 （水平壓縮而不是垂直壓縮的彈簧）的鐘表，在1460年左右肯定已開始使用了，但基本上是皇室的奢侈品，大約又過了1個(gè)世紀(jì)，帶彈簧的鐘表才成為中產(chǎn)階級人士的標(biāo)志。
控制流動方向的閥門
由于閥門只讓水或其他流體（如空氣）沿一個(gè)方向流動，幾乎可以肯定地說，它最先是作為需要這種運(yùn)動的早期工具——風(fēng)箱的一個(gè)部件出現(xiàn)的。阿格里科拉在研究文藝復(fù)興時(shí)期的冶金學(xué)的文章中說，鍛鐵爐風(fēng)箱有一個(gè)比風(fēng)眼稍長和稍寬的薄板，“薄板上覆蓋著山羊皮，是用皮帶捆在板上的，毛邊一側(cè)沖地面”。放置的方式是：當(dāng)風(fēng)箱鼓起來時(shí)，薄板打開；當(dāng)風(fēng)箱收縮時(shí)，薄板關(guān)閉?！卑觊y肯定遠(yuǎn)比阿格里科拉的時(shí)代為早，同楔形板風(fēng)箱一樣古老。但它問世的具體年代卻很難確定，因?yàn)榘觊y這個(gè)術(shù)語來自古老的皮袋型風(fēng)箱（在這種風(fēng)箱中，操作的人可以用腳或手將風(fēng)眼堵?。?。顯然，最早的模型大約是希臘王朝時(shí)代的青銅燈，但在羅馬后期的詩人奧素尼烏斯之前還沒有人提到過青銅燈的閥門。奧索尼烏斯把陸上快咽氣的魚的鰓。比作在掬木腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動時(shí)通過孔眼交替進(jìn)風(fēng)和擋風(fēng)的羊毛閥。
可以說，機(jī)械上使用閥門的歷史起始于克特西比的壓力泵。維脫勞維斯和赫羅對壓力泵作了詳細(xì)的說明，他們說：“靈巧地安在管道口內(nèi)的環(huán)形薄片，不會讓壓入容器的東西再往回跑?！笨磥砜颂匚鞅葔毫Ρ玫脑及觊y呈長筒形，那時(shí)已用來搞屋頂通風(fēng)。后來改用矩形閥，但名稱仍保持不變。已經(jīng)修復(fù)了幾臺羅馬壓力泵，其閥門已嚴(yán)重腐蝕，但還是可以辨認(rèn)出來。赫倫在講到用雙氣缸壓力泵作滅火器時(shí)，還介紹了一種原始的跳動活門，一些在三根彎柱上滑上滑下的小圓盤?？颂匚鞅鹊乃C(jī)件有用來控制空氣進(jìn)入管道的滑閥。除此以外，在文藝復(fù)興時(shí)期前，所有的泵和風(fēng)箱閥都是瓣閥（或鉸形閥）。
達(dá)?芬奇發(fā)明的一種錐形跳動舌門，無疑是拉梅利的機(jī)械發(fā)明手冊
?。?588）中所畫的那些舌門的來源。跟拉梅利同時(shí)代的阿勒奧蒂，在自動木偶戲中采用了一種蝴蝶閥來控制管道內(nèi)的水流。但是，從赫倫的時(shí)代直到發(fā)明蒸汽機(jī)，這些跳動舌門沒有一種得到廣泛應(yīng)用，各種閥門也沒有什么變化。蒸汽機(jī)（需要對流入和流出順序進(jìn)行更精確的控制）導(dǎo)致了跟發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)有關(guān)的精密閥門的出現(xiàn)，這些閥門包括紐科門設(shè)計(jì)的釋放積蓄在氣缸中的空氣的“噴氣閥”、默多克的滑閥（1799）和使雙動發(fā)動機(jī)的活塞保持平衡的平衡閥。
蒸汽機(jī)上的曲軸
9世紀(jì)的一首贊美詩曾講到西方用曲柄跟曲柄銷和曲柄臂連成一體來轉(zhuǎn)動磨石的事。此后500年內(nèi)，曲軸只偶爾見于圖例。在公元1400年之后不久，至少在低地國家的帶旋轉(zhuǎn)升降機(jī)、罐籠，甚至測試儀表等插圖的手稿中似乎都突然出現(xiàn)了曲軸。組合曲軸在同一時(shí)代問世，最初為拉桿式，是一種簡單的手持工具。但是，在拉桿曲軸首次出現(xiàn)后幾年內(nèi)，有人就想到轉(zhuǎn)動拉桿的曲柄臂可以用連桿代替，在手磨機(jī)中，連桿僅僅是人的手臂的延伸，但是，連接機(jī)構(gòu)可以反向運(yùn)動，通過旋轉(zhuǎn)曲柄驅(qū)動連桿來操縱一臺泵，如同公元1431年的一部手稿中所描繪的那樣。于是，曲軸誕生了。15世紀(jì)和16世紀(jì)普遍采用曲柄來驅(qū)動風(fēng)箱和大型鋸機(jī)，它們是要求雙向控制的僅有的兩種機(jī)器。雖然偶爾也在泵中采用曲軸，但已經(jīng)設(shè)計(jì)出雙拐甚至四拐曲軸，并且很可能已經(jīng)到處安裝使用。然而，在很長時(shí)間內(nèi)，人們并不真正歡迎曲軸，因?yàn)橹灰匦蜋C(jī)器都是木制的，曲軸就不易制成整體，就會使連接處受到很大的應(yīng)力。
不管怎樣，在鑄鐵時(shí)代以前，曲軸并未獲得應(yīng)有的信譽(yù)。公元1780年，瓦特發(fā)覺自己受到一項(xiàng)專利的限制，不能利用曲軸將他的蒸汽機(jī)的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動——舊式運(yùn)動路線的倒轉(zhuǎn)。雖然他很氣憤，但卻從中受到了啟發(fā)，設(shè)計(jì)出了達(dá)到同一目的的恒星與行星齒輪。但是隨著專利的過時(shí)，曲軸變成了進(jìn)行這種作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。如果使用兩個(gè)或多個(gè)汽缸，或必須從兩側(cè)提供動力（例如向汽船的槳輪上提供動力），那么，曲軸就是一個(gè)解決辦法。在爾后的蒸汽時(shí)代，曲軸被用在20世紀(jì)所有的活塞發(fā)動機(jī)上，無論哪一種燃料都可以驅(qū)動。
螺釘和改錐的來歷
木螺絲 （在美國有時(shí)稱為螺釘）是比較近代的東西。但是，在16世紀(jì)，軍械工人和軍械士已經(jīng)使用一種帶凸片的小型工具——最初的“螺絲起子”——來調(diào)節(jié)他們的步槍機(jī)構(gòu)了。步槍機(jī)構(gòu)用鐵釘釘在槍托上。有人發(fā)現(xiàn)，在鐵釘上加螺紋，會固定得更牢。像所有其他鐵釘一樣，它們都是被敲進(jìn)去的，取出來很困難。唯一的解決辦法，是在將鐵釘敲入之前，在其頭部切出溝槽。這樣，利用“螺絲起子”就可以將它們?nèi)〕?。于是，螺絲起子就成了最早的螺絲鉗子或擰松器。費(fèi)利比安的1676年的改錐就是這種類型。
由于螺釘是用手工制造的，造價(jià)自然昂貴，只用在特殊的工件上。然而，到18世紀(jì)末，一些不知名的天才（可能是在英國伯明翰）發(fā)現(xiàn)了一種更好的制造方法，不過仍然是用機(jī)器制造平端螺釘。這使得螺釘?shù)脑靸r(jià)低廉，能普遍地用于固定鉸鏈、門、家具等。但是，細(xì)紋螺釘?shù)淖饔糜捎谇脫舳鴾p低，需要用有較長凸片的工具將其擰進(jìn)去。大約在公元1780年，倫敦裝配工具的制造廠商引進(jìn)了有較長凸片的改錐，這種改錐的商標(biāo)至今還稱為“倫敦牌”。大約在公元1840年，內(nèi)特爾福德改進(jìn)了木螺釘，將其制成帶尖的。改錐從此一直向前發(fā)展。
空氣泵
德國馬德堡市市長蓋里克對科學(xué)家和哲學(xué)家關(guān)于形成真空的可能性的爭論很感興趣。作為一個(gè)受過專門教育的工程師，他決定通過實(shí)驗(yàn)來解決這個(gè)問題。公元1650年，他制造出了第一臺空氣泵——像一臺手工操作的水泵，但有制造精密的零件，不透氣。這臺空氣泵是成功的。他指出，在一個(gè)抽盡了空氣的容器內(nèi)，聽不到鐘響，蠟燭不燃燒，動物也會悶死。
他的大規(guī)模的演示是十分壯觀的。有一次實(shí)驗(yàn)是當(dāng)著皇帝斐迪南三世的面在其宮廷前面的空曠處進(jìn)行的。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，在直徑12英尺的兩個(gè)半球的周邊凸緣上涂上潤滑脂，將兩個(gè)半球的凸緣嵌合，然后將球內(nèi)空氣抽盡。將8匹馬分成兩組拉拴在每個(gè)半球上的鋼索也未能將其分開，可是放進(jìn)空氣后，它們就分開了。在公元1654年的另一次實(shí)驗(yàn)，是將一個(gè)立式開口圓筒活塞下面抽成真空，用50人拉拴在活塞上的繩子，他們反而被活塞拉動了。人們就是用這種方法來使活塞做功的；活塞的下面必須始終有一個(gè)真空。
但是，沒有空氣泵能形成真空嗎？經(jīng)過許多年之后，人們發(fā)現(xiàn)用蒸汽可以解決這個(gè)問題。公元1698年，托馬斯?薩弗里第一個(gè)利用蒸汽排水，使蒸汽通入密閉容器，然后在容器上噴冷水，使其中的蒸汽冷凝，從而產(chǎn)生真空。他利用這種真空從礦井抽水，又利用鍋爐蒸汽將容器中的水排空。這個(gè)循環(huán)過程反復(fù)進(jìn)行。
薩弗里的設(shè)備被稱為“礦工之友”。它沒有任何活塞或活動零件，也不是一臺發(fā)動機(jī)，而只是一臺泵而已。
在此以前的1690年，法國的丹尼斯?帕平已經(jīng)制造出了一個(gè)模型設(shè)備，一個(gè)直徑2．5英寸的活塞剛好能放進(jìn)汽缸里。在汽缸內(nèi)盛少量的水，他就能夠通過連續(xù)地將水加熱和冷卻的辦法，證明汽缸冷卻時(shí)在活塞下面形成真空。雖然這種設(shè)備沒有得到實(shí)際應(yīng)用，但卻是第一臺利用冷凝蒸汽推動活塞和做功的設(shè)備。
公元 1712年，將居里克、帕平和薩弗里的上述3項(xiàng)成就結(jié)合在一起，達(dá)特默思的托馬斯?紐科門制成了一臺實(shí)用的蒸汽機(jī)。
胡克發(fā)明了萬向節(jié)
公元1676年，被譽(yù)為“英國的達(dá)?芬奇”的羅伯特?胡克發(fā)表了他關(guān)于
“太陽鏡”的演說。這是一臺采用反射鏡系統(tǒng)安全地觀測太陽的儀器。這臺儀器是用他新奇的萬向節(jié)進(jìn)行操縱的。萬向節(jié)是一種萬能儀器……用來通過任何不規(guī)則的彎曲軌道產(chǎn)生環(huán)形運(yùn)動。雖然胡克比較詳細(xì)地講過這種新儀器的制造方法，并且含糊地指出，這種儀器可能在各方面獲得應(yīng)用，但他自己只想用它來進(jìn)行天文觀測，或用在時(shí)鐘和日規(guī)的設(shè)計(jì)中，故在當(dāng)時(shí)沒有引起多少人注意。
胡克是個(gè)才華橫溢的人，他在系統(tǒng)提出物理學(xué)、化學(xué)和地質(zhì)學(xué)方面的革命性理論之余，在倫敦咖啡館內(nèi)同思想相近的朋友們無休止地討論之余，抽空兒搞了二十幾項(xiàng)發(fā)明。他的日記通常略為提及某些新設(shè)想是如何在他的高度活躍的頭腦中逐步醞釀成形的。英國皇家學(xué)會會議記錄，記載了那些使他最新的發(fā)現(xiàn)得以馳名的實(shí)驗(yàn)。
但是，日記并沒有講他在萬向節(jié)上花費(fèi)了許多時(shí)間；他也不曾想學(xué)會演示萬向節(jié)。就這種機(jī)器而言，發(fā)明完全屬于他個(gè)人看來是勿容置疑的。但是，在動力傳輸方面，在19世紀(jì)的運(yùn)輸革命之前，和許多其他的發(fā)明一樣，并不需要一個(gè)具有向各個(gè)方向傳動的自由接頭。
瓦拉發(fā)明了調(diào)速器
瓦特在1789年發(fā)明的蒸汽機(jī)中使用的離心調(diào)速器，在當(dāng)時(shí)引起的轟動不是太大；瓦特重視動力系統(tǒng)，只把調(diào)速器看成是蒸汽機(jī)上的一個(gè)附件。然而它是第一臺通過改變?nèi)剂陷斎肓慷行У乜刂扑俣鹊难b置，是使一臺機(jī)器能進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的一切反饋裝置的鼻祖，在發(fā)明史上的地位已確定無疑。瓦特的調(diào)速器是由一對離心擺組成，最遠(yuǎn)處與蒸汽機(jī)的旋轉(zhuǎn)飛輪相連，直接連在一個(gè)套筒上，套筒又與汽缸的進(jìn)汽閥連接。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動較快時(shí)，兩個(gè)球體就向外擺動，使套筒下降；當(dāng)速度減慢時(shí)，球體就隨之下垂，迫使套筒上升。汽閥可開大開小，以維持均勻的速度。
瓦特調(diào)速器的歷史，也許可追溯到中世紀(jì)和文藝復(fù)興時(shí)期機(jī)器上有時(shí)用來代替飛輪的球—鏈裝置或球—桿裝置。然而這些裝置只發(fā)揮飛輪的功能，通過貯存能量、使鉆床或曲柄產(chǎn)生較有規(guī)律的運(yùn)動來帶動工具越過“死點(diǎn)”；它們不能控制速度或功率輸入，最多只是對調(diào)速器的造型有所啟發(fā)。直到力學(xué)發(fā)展了，人們知道了鐘擺的性能，懂得了離心力后，才有人想到利用球—桿組合裝置來進(jìn)行控制。
磨坊工人經(jīng)常碰到的一個(gè)問題是無法利用強(qiáng)風(fēng)力。因?yàn)楫?dāng)軸旋轉(zhuǎn)很快時(shí)，磨石容易向上移動，擴(kuò)大兩塊磨石之間的距離，以至夾在兩塊磨石當(dāng)中的谷粒不能完全磨碎。人們靠手將兩塊磨石拉緊，使它們之間保持適當(dāng)?shù)木嚯x。直到1787年，托馬斯?米德才想出一種方法，將兩個(gè)擺分開掛在驅(qū)動磨石的正齒輪上，通過鏈條和萬向節(jié)提升和調(diào)節(jié)拉桿。另一對擺與風(fēng)車翼板相連，這樣就使后者隨速度的變化而張合。磨坊工人只要改變翼板承受的風(fēng)力，就能調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的速度。兩年后，斯蒂芬?胡珀用齒條和扇形齒輪代替鏈條，設(shè)計(jì)了一臺可以同它匹敵的機(jī)器，取得了專利權(quán)。
與此同時(shí)，約翰?倫尼在倫敦建的第一個(gè)用蒸汽驅(qū)動的磨房——“阿爾比恩磨房”。裝有和米德調(diào)速器一樣的調(diào)速器。博爾頓在1788年5月給他的合作者瓦特寫信說，“有一種調(diào)節(jié)頂磨石和底磨石之間的壓力或距離的裝置。用這種調(diào)節(jié)裝置，蒸汽機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)得越快，上下磨石就越密合……當(dāng)蒸汽機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，頂磨石就升起……這是由于兩個(gè)鉛鎮(zhèn)重的離心力所致。全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鉛鎮(zhèn)重水平上升；運(yùn)轉(zhuǎn)減慢時(shí)，鉛鎮(zhèn)重就下落。它們通過這種方式對杠桿產(chǎn)生作用?！边@一定是瓦特的妙想，因?yàn)殡m然這種調(diào)速器最初是用在磨石上，而不是用在蒸汽機(jī)上，但在1788年底前，瓦特就按后一種用途將它進(jìn)行改裝了。由于他知道自己不能聲稱發(fā)現(xiàn)了這個(gè)基本原理，因而沒有想申請專利權(quán)。他先于競爭對手對調(diào)速器采取保密措施。
流珠軸承
看來很可能是意大利文藝復(fù)興時(shí)期的雕刻家和金匠的塞利尼 （1500～1571年），首先看出一圈自由旋轉(zhuǎn)的滾珠可能減少兩個(gè)轉(zhuǎn)動體之間的摩擦力。1543年，他在自傳中寫道：“我已作成了一尊美麗的朱庇特雕像，將它放在一個(gè)木制底座上。我在底座內(nèi)安了4個(gè)小木球，木球的一大半埋在球窩內(nèi)。整個(gè)設(shè)計(jì)十分巧妙，一個(gè)幼小的孩子也能輕而易舉地使其前后移動和轉(zhuǎn)身。
但是松動地安在滾道里的進(jìn)行滾動接觸的滾珠軸承，直到18世紀(jì)最后25年才開始用在風(fēng)車上。最先用滾珠軸承的風(fēng)車是柱式風(fēng)車（約1780年），機(jī)器的整個(gè)結(jié)構(gòu)圍繞中心柱旋轉(zhuǎn)。1794年，威爾士卡馬森的一個(gè)叫菲利普?沃恩的鐵器制造商用經(jīng)向滾珠軸承作為四輪馬車的車軸軸承，并為此申請了專利權(quán)。從那時(shí)起到19世紀(jì)，特別是在19世紀(jì)的50年代和60年代，人們將滾珠軸承用在兒童玩的旋轉(zhuǎn)木馬、螺旋槳軸、軍艦上的機(jī)槍轉(zhuǎn)塔、扶手椅和自行車等器械的軸上，并取得了若干專利權(quán)。但是，直到有動力裝置的車輛出現(xiàn)以后，金屬部件因快速行駛而發(fā)生大量的磨損時(shí)，這項(xiàng)發(fā)明才開始得到充分利用。因此，在汽車和能大批生產(chǎn)的精密的球磨機(jī)出現(xiàn)以前，滾珠軸承并沒有真正起到像今天這樣重大的作用。
傳動鏈條
1864年，斯萊特獲得了一種傳動鏈條的專利，這種傳動鏈條可以看作研制一種能驅(qū)動自行車和其他機(jī)械的精密鏈條的第一步。他在索爾福德一個(gè)工廠制造紡織機(jī)械鏈條。后來這家工廠被瑞士人雷諾德買去。雷諾德又于1880年獲得套筒鏈的專利。把套筒裝在這種鏈上，比斯萊特的設(shè)計(jì)能提供大得多的承載表面。
人們所知的最早的傳動鏈的設(shè)計(jì)圖是達(dá)?芬奇畫的，然而不知道他畫的傳動鏈?zhǔn)欠裾娴闹圃斐鰜砹?。我們從拉梅利的《不同的人工機(jī)械》一書上，可以看到公元1588年的一種抽水機(jī)的插圖，這種抽水機(jī)就是利用鏈傳動。圖上的鏈有一個(gè)方形的鏈環(huán)，與木輪上凸出的齒相配，每一個(gè)方形鏈環(huán)都通過3個(gè)橢圓形的鏈環(huán)與下一個(gè)方形鏈環(huán)連接。
因?yàn)檫m合做傳動鏈的金屬又稀有又昂貴，又缺乏良好的制作工具，所以傳動鏈未能廣泛使用。然而到19世紀(jì)初期，由于工業(yè)革命的緣故，傳動鏈獲得了較為廣泛的應(yīng)用。
后輪用鏈傳動的最早的法國自行車是吉爾梅設(shè)計(jì)的，由梅耶和吉埃于1868年制造出來。雖然傳動鏈已經(jīng)使用了一段時(shí)間，但主要是用于紡織機(jī)械，自行車鏈條仍然相當(dāng)差勁。后來，一個(gè)叫朱贊的法國人于1885年研制成功了所謂的“現(xiàn)代自行車”，它的兩個(gè)輪子一般大，后輪用鏈傳動。英國人斯塔利于1885年制造出了稱為“安全漫游者”的自行車。這種自行車有新的改進(jìn)，但后輪仍用傳動鏈傳動。于是考文垂成了自行車的中心，開始了現(xiàn)代自行車的時(shí)代。后來人們又把鏈傳動原理用于摩托車和汽車?，F(xiàn)在，精確的傳動鏈已經(jīng)成為工業(yè)機(jī)械的最重要的零件之一。
抓斗大王
幾十年來，工人們?nèi)咳斯な褂?8毫米粗的鋼絲繩在船艙內(nèi)捆扎原木，然后再用吊車吊起。年復(fù)一年，誰也沒有想到這有什么不妥。然而有一天，有一個(gè)人卻著意要改變這種落后的狀況。他就是包起帆，人稱“抓斗大王”。說起他發(fā)明的抓斗，還要從血淋淋的事故說起。
1968年，17歲的包起帆初中畢業(yè)，一場“文化大革命”斷送了他學(xué)文化、升高中的夢想。他不得不到上海港木材裝卸公司報(bào)到，當(dāng)了一名裝卸工。從此，包起帆便和木頭、吊車打起了交道。夏天，船艙里悶熱難耐，他和工人們也要在里面搬運(yùn)木頭；冬天，木頭上都結(jié)了薄薄一層冰，他們也必須按時(shí)完成裝卸任務(wù)。在這樣的工作條件下，稍不留神，就會禍從天降——那些又重又粗的原木就像一只只“木老虎”，隨時(shí)有可能掙脫鋼絲繩的束縛，從高高的吊車上滑落下來，一旦砸在工人們的身上，其后果真是不堪設(shè)想。
包起帆就曾親眼目睹過這樣的慘狀。
有一天，包起帆和一位同事正在船艙內(nèi)工作，只見吊車吊起的大木頭在空中打轉(zhuǎn)。突在，險(xiǎn)情發(fā)生了，一根原木從吊車上滑了下來，壓在了這位同事的身上。只聽“啊”地一聲，這位同事便在包起帆的身邊倒了下去，鮮紅的血液從嘴里吐出。經(jīng)過醫(yī)生的檢查，砸下的原木壓斷了這位同事10多根肋骨。
這種事故在包起帆的身邊是經(jīng)常發(fā)生的，從他進(jìn)公司以后，就有500多人受重傷或輕傷，10多人死亡。
同樣的事故也在包起帆的身上發(fā)生過。那是1974年春天的某一天，包起帆正在船艙里拉著鋼絲繩捆扎原木，就在他把鋼絲繩掛上吊鉤的一剎那間，掛鉤升起來了，將他的左手大拇指連同手套都拉碎，鮮血直流，手上露出了白白的骨頭。傷好了以后，包起帆重新進(jìn)入船艙裝卸原木，不料又被木頭砸傷了腳腿。
面對此情此景，包起帆心想：“這種落后的裝卸方法勞動強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低，真是一只令人畏懼的 ‘老虎口’??！我一定要想點(diǎn)辦法，治一治這只 ‘木老虎’！”
由于傷病在身，包起帆不得不離開自己灑了多年血汗的工作崗位，來到了機(jī)修車間當(dāng)修理工。包起帆就是這樣，到哪里都想有所作為。于是，他到新華書店去買了許多書籍——《機(jī)械制圖》、《車工基礎(chǔ)》等，然而，對一個(gè)文化水平只有初中二年級的人來說，要讀懂讀通這一本本厚厚的書，談何容易啊！包起帆真想有一個(gè)重新學(xué)習(xí)的機(jī)會，補(bǔ)上科學(xué)文化這一課。
機(jī)會終于來了。1978年，大學(xué)恢復(fù)了招考，包起帆如愿以償，考取了上海市第二工業(yè)大學(xué)。當(dāng)然，他讀的是半脫產(chǎn)的業(yè)余大學(xué)，4天脫產(chǎn)學(xué)習(xí)，2天工作。
從初中二年級的水平一下要躍到大學(xué)，其困難是可想而知。然而，包起帆卻知難而進(jìn)。三角函數(shù)、解析幾何雖然是第一次碰到，但是人家做10道習(xí)題，他就做20道、30道；電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)盡管理解起來有困難，但是人家復(fù)習(xí)1遍，他就復(fù)習(xí)2遍、3遍……功夫不負(fù)有心人，學(xué)習(xí)上的困難在一點(diǎn)點(diǎn)地克服、一步步地后退，而包起帆卻在一天天地進(jìn)步。
為了補(bǔ)上初中、高中的知識，他特地到書店買來了數(shù)理化自學(xué)叢書，每天晚上做完功課后就從基礎(chǔ)知識補(bǔ)起。包起帆還摸索出一套他自己的學(xué)習(xí)方法呢，他把厚厚的書本拆成薄薄的幾本，揣在口袋里，走到哪里學(xué)到哪里，馬路邊、車站上、汽車?yán)铩辛阈堑臅r(shí)間都被他利用了起來。就這樣，包起帆終于跟上了學(xué)習(xí)的步伐。
就是在拚命讀書的時(shí)候，包起帆也沒有忘記治服“木老虎”的使命。
平時(shí)，包起帆常常在碼頭邊散步，看到別的公司在裝卸黃沙、石子時(shí)都是用抓斗，一上一下，一張一合，非常自如。于是，他想：黃沙、石頭能用抓斗，為什么木頭就不能用抓斗呢？對！我得制造一種安全的能抓木頭的抓斗。
他利用讀書的空閑，又來到自己工作過好幾年的船艙調(diào)查研究；他還到圖書館、情報(bào)所、資料室查數(shù)據(jù)、找公式；回到家里，他還用硬紙板做成各式各樣的抓斗模型……
一次次的試驗(yàn)，一次次的失敗，關(guān)鍵都在抓斗的開閉結(jié)構(gòu)：抓木頭時(shí)，它必須張大口；抓起木頭時(shí)，它又必須緊閉口，將木頭緊緊夾住，不讓木頭滑脫。
有一天，包起帆將自家的縫紉機(jī)零件拆下來，做成了一個(gè)小抓斗，再用兩根繩子代替起重索，一上一下地來回放松、收緊，嘿！這小玩意兒竟然能夠抓起東西了。
經(jīng)過緊張地畫圖設(shè)計(jì)、制造加工，包起帆終于夢想成真。第一只木材抓斗發(fā)明成功了！時(shí)間是1981年10月，這是包起帆永遠(yuǎn)難忘的一天，他眼看著自己發(fā)明的抓斗輕松自如地裝卸著原木，心中涌起了一股自豪感。
包起帆發(fā)明的第一種抓斗叫“雙索門機(jī)抓斗”，它是用兩根起重索使抓斗打開和閉合的。有了這種抓斗，工人們終于從“老虎口”中解放了出來。
這項(xiàng)發(fā)明不僅使包起帆獲得了國家發(fā)明獎，還使他榮獲了第16屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明銀獎呢！
大學(xué)畢業(yè)以后，包起帆調(diào)到了公司技術(shù)科當(dāng)技術(shù)員，這更使他如魚得水，幾乎每年都有新的發(fā)明問世。
1983年10月，包起帆被推選為工會代表，赴京參加全國總工會召開的
“十大”。在開幕式上，他忽然發(fā)現(xiàn)大會發(fā)給每位代表用作記錄的圓球筆的伸縮結(jié)構(gòu)十分靈活，“哎，這個(gè)結(jié)構(gòu)能不能用到我的抓斗上去呢？”真所謂
“心有靈犀一點(diǎn)通”。正是這枝普普通通的圓珠筆，使包起帆想到可以將“雙索抓斗”改為“單索抓斗”，用一根繩索就可以完成打開、閉合抓斗兩個(gè)動作了。
晚上，代表們都去看電影了，而包起帆卻呆在宿舍里拿著這枝圓珠筆出了神，這枝圓珠筆是怎樣的結(jié)構(gòu)呢？一連幾個(gè)晚上，他都沒有得出什么結(jié)論。
一回到上海，包起帆就直奔黃浦江西岸的一家圓珠筆廠，向工人請教圓珠筆芯伸縮的奧秘。但是，接待他的人以為他是同行，是來竊取情報(bào)的，對他十分冷淡。包起帆仍不死心，去公司開了介紹信，還是不管用。后來，他又幾次登門求教，終于感動了圓珠筆廠的接待人員。當(dāng)他們知道包起帆是為了搞抓斗發(fā)明，才希望弄懂圓珠筆芯的伸縮原理，別無他意時(shí)，接待人員才把“秘密”告訴了他。
包起帆如獲至寶，立刻投入了緊張的發(fā)明之中。他和工人們在試驗(yàn)現(xiàn)場連續(xù)工作了3天3夜，連春節(jié)也是在碼頭上度過的。就這樣，“單索抓斗”誕生了！只見兩對平行的爪子，插進(jìn)原木堆里，原木就順勢滾到抓斗里，起吊工輕輕起動單索抓斗，被夾得緊緊的原木，立刻就成捆成捆地從船艙里抓了上來。
一種新的抓斗終于在包起帆的刻苦鉆研下誕生了。
傳送帶
現(xiàn)代工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)主要依靠傳送帶。
亨利?福特設(shè)計(jì)了第一條大型“裝配線”，用來大規(guī)模地生產(chǎn)著名的T型福特牌汽車（這種車是1908年開始生產(chǎn)的）。在大多數(shù)歐洲汽車還用手工制造時(shí)，專門為大規(guī)模生產(chǎn)安裝的傳送帶是福特新建的汽車廠的心臟。它有1／5英里長，然而這種想法卻是基于可替換的部件?？商鎿Q的部件可追溯到工業(yè)革命的初期。
1789年，美國教師惠特尼（軋花機(jī)的發(fā)明者）跟政府訂了一項(xiàng)合同：在15個(gè)月內(nèi)向政府交10000支滑膛槍。如果采取傳統(tǒng)的方法，讓造槍工人從頭到尾一支槍一支槍地造，在15個(gè)月內(nèi)要造這么多的槍是不可設(shè)想的。因此惠特尼想出了一個(gè)新主意，把造槍的工作化整為零，每一個(gè)工人都用一種連續(xù)的操作生產(chǎn)一種部件，而所有的部件都必須制造得很精確，能夠互相替換。
在那時(shí)，它是一種完全新的系統(tǒng)，需要新的工具。為此，惠特尼設(shè)計(jì)了使工人便于使用銼刀的夾具，在適當(dāng)?shù)牡胤娇摄@多達(dá)12個(gè)孔的型板，使生產(chǎn)的工件不至于太長或太短的固定在車床上的機(jī)械止動器，用來鑄造各種部件的鑄模?；萏啬釒Я巳舾蓚€(gè)袋子，每個(gè)袋子里裝著10個(gè)同樣的部件，到費(fèi)城的財(cái)政局去，叫財(cái)政局的官員在每一個(gè)袋子里任意拿出一個(gè)部件來。他用這些部件當(dāng)著這些官員的面裝成了一支完整的槍?；萏啬嶙C明這種系統(tǒng)是非常有效的。比能“很好地裝配”更令人驚異的事情是，他用事實(shí)證明不用熟練的軍械工人制造的部件，而是用半熟練的機(jī)械工人制造的部件，也能在很短的時(shí)間內(nèi)裝配起來。
對福特有幫助的另一個(gè)重要因素是皮帶運(yùn)輸機(jī)的發(fā)展，這種機(jī)器在整個(gè)19世紀(jì)都在發(fā)展，主要是用來在港口運(yùn)輸大宗貨物。利物浦在1868年安裝了第一臺大型的糧食傳送機(jī)。而福特則用他的裝配線把正在裝配的汽車連續(xù)不斷地從一個(gè)工人傳給另一個(gè)工人。每一個(gè)有工具和部件的工人，必須在給定的時(shí)間內(nèi)干完一件工作。工人不斷地干活兒，工件不停地傳送。電學(xué)儀器設(shè)備
電流計(jì)的發(fā)明
1780年的一天，當(dāng)伽伐尼（意大利波倫亞的一位醫(yī)學(xué)教授）在自己的家里給學(xué)生們講課的時(shí)候，他的妻子正在隔壁的廚房里用他的解剖刀來剝青蛙皮。她一邊干活兒，一邊聽丈夫講課，不覺聽得出了神，手術(shù)刀從手里滑落到了放在鋅板上的青蛙的腿上。青蛙突然急促地抽動起來，嚇得西格蘿娜?伽伐尼一聲驚叫。伽伐尼教授急忙跑進(jìn)廚房，看發(fā)生了什么事。經(jīng)過一番研究之后，他立即向?qū)W生們宣布：“我有一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了動物電——生命的本源！”
然而他并沒有作出什么偉大的發(fā)現(xiàn)。他終生都堅(jiān)持這種錯(cuò)誤的看法，用死青蛙作了無數(shù)的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)然，什么也沒有證實(shí)。然而這卻使他的聲名傳遍了歐洲，使他的名字永遠(yuǎn)跟“電鍍”、“驗(yàn)電器”和“電流計(jì)”這些術(shù)語聯(lián)在一起了。帕維亞的伏打——一個(gè)比伽伐尼更偉大的科學(xué)家——正確地解釋了這種神秘的現(xiàn)象。伏打說：抽動的青蛙并沒有證明什么”生命的本源”，只起了電的導(dǎo)體的作用；解剖刀是鋼制的，板是鋅制的——這倒是更重要的因素。伏打指出，用一個(gè)潮濕的導(dǎo)體把兩種不同的金屬隔開時(shí)便會有電流流動。青蛙大腿的抽動只表明有電流存在。伏打在這個(gè)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上發(fā)明了第一個(gè)電池——伏打電堆。然而伏打電堆產(chǎn)生的電卻被荒謬地稱為“伽伐尼電”。
那是1800年的事情，從那以后，科學(xué)家們就有了一種供做實(shí)驗(yàn)用的有效電源。長期以來，他們一直懷疑電與磁之間存在著某種關(guān)系。1819年，丹麥物理學(xué)家奧斯特偶然發(fā)現(xiàn)，把一根有電流通過的鐵絲拿近航海羅盤時(shí)，羅盤的指針會猛烈搖擺。由電流產(chǎn)生的這種磁效應(yīng)，成了一種用來測量低壓電流的儀器（電流計(jì)）的基本原理。
19世紀(jì)20年代，電流計(jì)被各種研究人員發(fā)展成了各種各樣的形式，并為德國格廷根天文臺臺長高斯首先用來派上實(shí)際用場。1832年，他發(fā)明了最初的電報(bào) （雖然法國科學(xué)家安培在此之前已提出了這種想法）。高斯利用靠近電流的磁針會偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，通過一根鐵絲把信號從家里輸送到天文臺。這種電流計(jì)稱為動磁式電流計(jì)。然而現(xiàn)在應(yīng)用得最廣泛的卻是動圈式電流計(jì)或鏡式電流計(jì)。它由一個(gè)用細(xì)金屬絲緊密地繞成的一個(gè)線圈組成，線圈懸于一個(gè)磁場中。當(dāng)電流接通時(shí)，施于線圈上的“轉(zhuǎn)矩”為懸置導(dǎo)絲的“扭力”所平衡，偏轉(zhuǎn)角的測量由裝在線圈上的一面鏡子的方位、一盞小燈和能讀出電流單位 （安培數(shù)）的表來進(jìn)行。
1866年在歐洲和美洲之間敷設(shè)第一條激動人心的永久性電報(bào)電纜時(shí)（在1858年曾敷設(shè)過一次，但是失敗了），鏡式電流計(jì)起了決定性的作用。杰出的英國科學(xué)家湯姆孫教授——后來稱為開耳芬勛爵——在敷設(shè)電纜的船“偉大的東方號”上利用電流計(jì)來不斷地檢測流經(jīng)電纜的電流（如果有電流的話）的大小。橫跨大西洋的海底電纜有2500英里長，從電報(bào)信號轉(zhuǎn)變成的電流，從大西洋的彼岸傳到岸上時(shí)，當(dāng)然已經(jīng)是非常微弱了，因此，湯姆孫設(shè)計(jì)的是最靈敏的電流計(jì)。他使用的記錄器叫“虹吸記錄器”，包括一根極細(xì)的玻璃虹吸管，黑水由于毛細(xì)作用可在管內(nèi)流動，把到達(dá)的信號記錄在紙帶上。拾取信號的電流計(jì)本身由一個(gè)用極細(xì)的金屬絲繞成的線圈組成，線圈懸置于一個(gè)馬蹄形磁鐵的兩個(gè)磁極之間。沒有湯姆孫的虹吸記錄器，要在這兩個(gè)大陸之間保持可靠的電報(bào)服務(wù)，而且保持了這許多年，簡直是不可能的。
蛙腿的啟示
意大利波洛尼亞大學(xué)解剖學(xué)教授伽伐尼有一個(gè)設(shè)備完善的實(shí)驗(yàn)室。室里有許多標(biāo)本、解剖用具；還有像起電機(jī)、萊頓瓶等電器設(shè)備。伽伐尼早年學(xué)習(xí)神學(xué)，后來學(xué)醫(yī)，成為人體、疾病和治療方面的權(quán)威學(xué)者。
1786年的一天，伽伐尼指導(dǎo)學(xué)生解剖。有一位調(diào)皮的學(xué)生沒有認(rèn)真地做實(shí)驗(yàn)，反倒對旁邊的起電機(jī)發(fā)生了興趣，他趁教授不注意的時(shí)候搖起了起電機(jī)，突然啪的一聲起電機(jī)和盛蛙腿的銅盤打出一個(gè)大火花，把這個(gè)學(xué)生嚇了一跳。伽伐尼和同學(xué)們都轉(zhuǎn)過身來，但是此時(shí)一個(gè)更奇怪的現(xiàn)象引起了大家的注意，擺在金屬盤里的蛙腿隨著電擊抽動了一下，教授的眼睛瞪大了，他顧不上批評這位淘氣的學(xué)生，而讓他從新?lián)u動起電機(jī)，全體同學(xué)都注視著那個(gè)蛙腿，啪的一聲銅盤上又打出一個(gè)大火花，蛙腿隨著電擊又抽動了一下，學(xué)生們你看我、我看你地議論紛紛。
伽伐尼走過來，用解剖刀的刀尖翻動一下蛙腿打算探個(gè)究竟，此時(shí)蛙腿像活了一樣忽然又跳動了一下，這可又使伽伐尼大吃一驚，他用顫抖的手又觸動一下蛙腿，果然又引起蛙腿肌肉的抽搐。實(shí)驗(yàn)課再也不能正常地進(jìn)行下去了，同學(xué)們都回到自己的桌子上用解剖刀去觸動蛙腿希望能看到同樣的現(xiàn)象，不過有的學(xué)生能使蛙腿抽動。有的則不能，課堂里像開了鍋一樣，同學(xué)們在實(shí)驗(yàn)室里跑來跑去，伽伐尼也顧不上去管學(xué)生，只是滿腹疑惑地用解剖刀去觸動蛙腿，直到下課鈴聲響。
盡管伽伐尼不明白其中的道理，但是他像一切科學(xué)家一樣不放過任何偶然現(xiàn)象。他花費(fèi)了11年的工夫去研究這件事。
有一天，伽伐尼用銅絲勾住蛙腿把一些蛙腿掛到陽臺的鐵欄桿上去晾干，一陣微風(fēng)吹來，蛙腿在欄桿上蕩來蕩去，伽伐尼發(fā)現(xiàn)蛙腿每次碰到鐵欄桿時(shí)都要抽搐一下，這個(gè)偶然事件又引起他的思考。他目不轉(zhuǎn)睛地注視著這個(gè)怪現(xiàn)象。忽然產(chǎn)生了一個(gè)念頭：蛙腿的電是來自大氣中和生物體中，但是這是一個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)論。
有一個(gè)最不肯接受“生物電”的人就是伽伐尼的同胞意大利帕維亞大學(xué)的物理學(xué)權(quán)威伏打，伏打的性格比較內(nèi)向，幼年時(shí)是一個(gè)十分安靜的孩子，他4歲才會說話，家里人曾認(rèn)為他智力遲鈍，但到了7歲，他就趕上并超過了其他學(xué)生，14歲時(shí)就決心當(dāng)一名物理學(xué)家。因此，伏打從小養(yǎng)成了善于思考和不盲從的習(xí)慣。伏打在戳蛙腿時(shí)注意到，只用一種金屬或不用金屬時(shí)蛙腿是不抽動的，只有兩種金屬同時(shí)存在的時(shí)候，蛙腿才會抽動。這個(gè)現(xiàn)象伽伐尼已觀察到了，但是并不理解，這個(gè)現(xiàn)象卻引起伏打的深思，他覺得似乎真理就在這里面。
伏打用兩種金屬制作了一根彎棒，一頭是鋼，一頭是鐵，中間連在一起。他把一頭放在嘴里、另一頭靠在眼睛上，當(dāng)金屬棒和眼睛接觸的一瞬間，眼睛里有一閃的亮光。如果是同一種金屬做成的棒就不會有這種現(xiàn)象。還有一次他用舌頭舔著一個(gè)金幣和一個(gè)銀幣，當(dāng)用一根導(dǎo)線把金幣和銀幣接通時(shí)，舌頭就會嘗到苦味。這些現(xiàn)象伏打認(rèn)為都是電造成的。而不是生物特有的，但是，電是從哪里來的呢？
他想可能是從兩種金屬加唾液來的。唾液是一種復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，它能使金屬生銹，在這種化學(xué)反應(yīng)中會不會產(chǎn)生電呢？
他在兩種金屬片之間夾上一層飽含鹽水的布片，電立即加強(qiáng)了許多倍！而且能輸出穩(wěn)定的電流。
“成功了！”
伏打高興極了。
“是化學(xué)反應(yīng)！化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了電，蛙腿的抽搐只是對電的檢驗(yàn)，起了驗(yàn)電器的作用。”
他明白了腿蛙抽動的真正原因：腿蛙中含有水和鹽類，鋼制的解剖刀和銅盤是兩種金屬，當(dāng)兩種金屬中間有鹽類物質(zhì)的時(shí)候就會產(chǎn)生電，與蛙腿本身無關(guān)。不用蛙腿換一個(gè)別的方法也能檢驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流。
伏打進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，他用了銅片和鍍鋅的鐵片交替放置，中間再用一層層在鹽溶液里泡過的布片隔開，制成了一種稱為“伏打電堆”的東西，這就是現(xiàn)代電池的原形。
電池后來又經(jīng)過許多科學(xué)家的改進(jìn)，1887年，英國人赫爾森發(fā)明了第一塊干電池，使電池便于攜帶，干電池中的電解液是一種黏稠狀的物質(zhì)，所以液體不會溢出。
從電變磁到電磁鐵
19世紀(jì)初期，丹麥物理學(xué)家奧斯特在對伏打電池改進(jìn)時(shí)，曾對電流做過各種研究，還特別研究了電與磁之間的關(guān)系。
有一次，他在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流流過銅絲時(shí)，放置在銅絲旁邊的磁針產(chǎn)生了哆哆嗦嗦的抖動。奧斯特感到很驚奇，不知磁針為什么會擺動。于是，他重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，以查找磁針抖動的原因。
他將磁針平行地放置在銅絲下面，當(dāng)銅絲中有電流通過時(shí)，磁針確實(shí)發(fā)出廠擺動；而當(dāng)把磁針平行地放在銅絲上面，并給銅絲通電時(shí)，磁針又向相反的方向擺動；當(dāng)磁針與銅絲很接近時(shí)，磁針擺動的角度最大，達(dá)45°；而在磁針逐漸離開銅絲時(shí)，磁針擺動的角度也隨之逐漸減小。
接著，奧斯特還用鐵絲、黃銅絲代替銅絲進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，但所得結(jié)果也是一樣的。隨后，他又在磁針與銅絲之間放置玻璃板、水和木板等，進(jìn)行仔細(xì)觀察。盡管如此，磁針的偏轉(zhuǎn)擺動仍然不變。
奧斯特對這些試驗(yàn)進(jìn)行了分析研究，得到了這樣的結(jié)論：當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線附近產(chǎn)生了像磁鐵那樣的磁性，即電流也具有和磁鐵一樣的磁力。1820年，他發(fā)表了這一研究成果，引起學(xué)者們重視與注意，也為電磁鐵的發(fā)明揭開了序幕。
后來，法國物理學(xué)家安培根據(jù)奧斯特的發(fā)現(xiàn)作了更深入的研究。他在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在兩條平行的銅線中，如果流過方向相反的電流時(shí)，就會看到兩條銅線互相吸引而靠近；而流過方向相同的電流時(shí)，兩條銅線相互排斥而遠(yuǎn)離。安培還通過這個(gè)試驗(yàn)建立了電磁學(xué)計(jì)算中最常用的公式，即人們常說的安培定律。但更為重要的是，安培得到了這樣獨(dú)到的見解：用通過電流的線圈完全可以代替磁鐵的作用。
除安培外，當(dāng)時(shí)的法國科學(xué)家蓋呂薩克也對奧斯特的試驗(yàn)進(jìn)行了研究。他也制作了像安培那樣的線圈，并在線圈中掛了一枚鋼針。當(dāng)電流通過線圈時(shí)，他發(fā)現(xiàn)鋼針竟被磁化了，變成了永久磁鐵。
到了1825年，英國人斯特金用軟鐵棒代替放在線圈中的鋼針做試驗(yàn)，結(jié)果軟鐵棒也變成了和鋼針一樣的磁體。但當(dāng)切斷電流時(shí)，和鋼針不同的是，軟鐵棒卻未能變成永久磁鐵。斯特金覺得挺有趣。他想，如果將流經(jīng)線圈的電流交替地接通、切斷，有電流時(shí)軟鐵棒即有磁性，而切斷電流后軟鐵棒的磁性就消失，這不正好符合人們所需要的那種“通電變磁鐵”嗎！于是，他深入鉆研，終于發(fā)明了電磁鐵。
斯特金發(fā)明的電磁鐵，是將軟鐵棒做成U字形，即我們平常說的馬蹄形，然后涂上清漆，再在上面繞上18圈左右的銅線。
當(dāng)斯特金制成電磁鐵后，美國青年學(xué)者亨利給予了很高的評價(jià)，并對斯特金的電磁鐵進(jìn)行了改進(jìn)。亨利不是在軟鐵棒上涂清漆，而是往軟鐵棒上繞絕緣導(dǎo)線，這樣制成的電磁鐵有更強(qiáng)的磁力。
電磁鐵發(fā)明后不久，發(fā)電機(jī)和電動機(jī)便相繼問世，它們都采用了U形電磁鐵作為主要組成部分。由此可知電磁鐵發(fā)明的重要意義了。另外，現(xiàn)在許多電磁式儀表，以及速度達(dá)到每小時(shí)幾百千米高速磁懸浮列車等，也都是電磁鐵的“用武之地”。因此，電磁鐵還有著燦爛的發(fā)展前景。
法拉第發(fā)明了變壓器
愛迪生發(fā)明了電燈，但是有一個(gè)問題使他很為難。因?yàn)?，?dāng)時(shí)輸電距離不能超過3千米，電流沿著電線走得太遠(yuǎn)以后，電壓下降，不能把電燈點(diǎn)得雪亮，只能發(fā)出黃暈的光甚至不如煤氣燈。
如果提高輸電電壓，靠近發(fā)電機(jī)的電燈就會被燒毀，為了解決這個(gè)難題，愛迪生在大約方圓3千米的區(qū)域內(nèi)，就建一個(gè)冒著濃煙、隆隆作響的發(fā)電廠。居民常常抱怨發(fā)電機(jī)發(fā)出的噪音、震動和煙塵，但是，為了解決越來越多的需求，愛迪生還是投資建廠。
正當(dāng)愛迪生計(jì)劃建立大量的發(fā)電站的時(shí)候，因發(fā)明空氣制動器發(fā)了橫財(cái)?shù)耐雇『浪共煊X愛迪生的方法存在著很大的局限性，他不斷地思考用什么更好的辦法輸電，恰好這時(shí)候他得知，法國的化學(xué)家和物理學(xué)家哥拉爾在1882年發(fā)明了變壓器，這為他解決這個(gè)問題提供了一把鑰匙，他立即購買了他的專利。
變壓器的原型應(yīng)該是法拉第發(fā)明的，他曾經(jīng)做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是把兩組線圈繞在同一個(gè)軟鐵環(huán)上，當(dāng)在一個(gè)線圈內(nèi)通電的瞬間，會在另一個(gè)線圈上感應(yīng)出電流來。斷電時(shí)也會感應(yīng)出電流。但是當(dāng)穩(wěn)定的直流電通過時(shí)，另一個(gè)線圈中什么電流也沒有。只有通以交流電，另一個(gè)線圈中才可以不斷地感應(yīng)出電流來。
這種大小和方向不斷變化的電流，叫交流電。雖然電流大小在變化，但是對點(diǎn)電燈是無妨的，因?yàn)殡娏魉矔r(shí)間斷，燈絲還沒有來得及冷下來，又接通了，電燈一點(diǎn)也不會閃爍。
但是，當(dāng)威斯汀豪斯買來了專利后發(fā)現(xiàn)，變壓器的毛病百出，只好又組織專門的班子進(jìn)行研究。
1885年，正式成立了威斯汀豪斯電氣公司，第二年春天就實(shí)現(xiàn)了用3千伏高壓輸電6．4千米的輸電網(wǎng)。
新成果立即引起了大家的重視，公司的生意日益紅火，威斯汀豪斯并不以此為滿足，他得知在愛迪生的研究所里有一個(gè)叫特斯拉的年輕人，對交流電動機(jī)很有研究，就專程到紐約去拜訪。特斯拉出生于克羅地亞，在匈牙利格拉茨大學(xué)學(xué)習(xí)工程學(xué)，后來移居美國。
特斯拉是一個(gè)脾氣有些古怪的人，他和愛迪生之間有些矛盾，后來特斯拉終止了與愛迪生的合作，威斯汀豪斯用100萬美元的代價(jià)買下了特斯拉的40多件專利，以借助他的新技術(shù)發(fā)展交流電動機(jī)。
愛迪生對這悄悄興起的對手大為光火，于是掀起了一場詆毀交流電的宣傳戰(zhàn)，他花了數(shù)千美元組織了新聞、雜志和廣告畫，向外界宣傳交流電的可怕，威斯汀豪斯也不甘示弱，舌劍唇槍地給以回?fù)簦?，他沒想到，紐約的法庭決定用交流電來執(zhí)行犯人的死刑，還說只有交流電才有把人很快電死的效果，這是愛迪生做的手腳，對威斯汀豪斯是一個(gè)致命的打擊。
為了抵消電椅的沖擊，威斯汀豪斯盼望著有一個(gè)國際會議，恰好在芝加哥舉辦紀(jì)念哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲400周年的國際博覽會，作為會上的精品之一，就是點(diǎn)燃25萬只電燈，威斯汀豪斯不惜血本以極低的價(jià)格競爭承擔(dān)這項(xiàng)工程。1893年5月1日，數(shù)萬支燈火在夜幕下光耀奪目，蔚為奇觀。
在會上，尼亞加拉大瀑布建筑公司的經(jīng)理擬建一座水電站。但是這座水電站遠(yuǎn)離城市，他看到威氏在展覽會上的成就之后，就決定由他來承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)。這件事也只有用交流電和變壓器才能完成。
1892年，愛迪生通用電氣公司由于直流電的主張而遭到慘敗，公司責(zé)令愛迪生退出公司，并去掉愛迪生3個(gè)字，改名為通用電氣公司，又向威斯汀豪斯公司提出和解，兩公司修好，共同使用技術(shù)成果，而愛迪生則從此不能經(jīng)營發(fā)電事業(yè)了。
現(xiàn)在任何一個(gè)街頭上都可以看到變壓器，發(fā)電廠發(fā)出的電先升高電壓到幾十萬伏，輸?shù)匠鞘泻笤侔央妷航迪聛?，這樣大大地提高了輸電效率，降低了損耗。升高和降低電壓都離不開變壓器。
激光器
激光的出現(xiàn)是本世紀(jì)60年代最重大的科學(xué)技術(shù)成就之一。它以其高亮度、高方向性、高單色性、高相干性等突出特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，并在科學(xué)技術(shù)的許多重大領(lǐng)域開辟了新的生長點(diǎn)，引起了革命性的變化。
1916年，愛因斯坦發(fā)表了《關(guān)于輻射的量子理論》一文，首次提出了受激輻射的概念。按照這個(gè)理論，處于高能態(tài)的物質(zhì)粒子受到一個(gè)能量等于兩個(gè)能級之間能量差的光子的作用，將轉(zhuǎn)變到低能態(tài)，并產(chǎn)生第二個(gè)光子，同第一個(gè)光子同時(shí)發(fā)射出來，這就是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大，而且是相干光，即兩個(gè)光子的方向、頻率、位相、偏振都完全相同。
隨著量子力學(xué)的建立和發(fā)展，人們對物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動規(guī)律有了更深入的了解，微觀粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等也得到了更有力的證明，這就在客觀上更加完善了愛因斯坦的輻射理論，為激光的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)。40年代末，出現(xiàn)了量子電子學(xué)，它主要研究電磁輻射與各種微觀粒子系統(tǒng)的相互作用，并從而研制出相應(yīng)的器件。這些理論和技術(shù)的進(jìn)展，都為激光器的發(fā)明準(zhǔn)備了條件。
1951年，美國物理學(xué)家珀塞爾和龐德在核感應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，把加在工作物質(zhì)上的磁場突然反向，結(jié)果在核自旋體系中造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并獲得了每秒50千赫的受激輻射，這是在激光史上有重大意義的實(shí)驗(yàn)。
1954年，美國科學(xué)家湯斯和他的助手戈登、蔡格一起，制成了第一臺氨分子束微波激射器。這臺微波激射器產(chǎn)生了1.25厘米波長的微波，功率很小，但它成功地開創(chuàng)了利用分子或原子體系作為微波輻射相干放大器或振蕩器的先例，因而具有重大意義。差不多與此同時(shí)，蘇聯(lián)的巴索夫和普羅霍洛夫以及美國馬里蘭大學(xué)的韋伯，也分別獨(dú)立地提出了微波激射器的思想。
由于微波激射器的成功，使人們進(jìn)一步想到，如果把微波激射器的原理推廣到光頻波段，就有可能制成一種相干光輻射的振蕩器或放大器。生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，也推動科學(xué)家們?nèi)ヌ剿餍碌陌l(fā)光機(jī)理，以產(chǎn)生新的性能優(yōu)異的光源。
1958年，肖洛與湯斯將微波激射器與光學(xué)、光譜學(xué)的知識結(jié)合起來，提出了采用開式諧振腔的關(guān)鍵建議，并預(yù)言了激光的相干性、方向性、線寬和噪音等性質(zhì)。同一時(shí)期，巴索夫、普羅霍洛夫等人也提出了實(shí)現(xiàn)受激輻射光放大的原理性方案。
1960年7月，美國青年科學(xué)家梅曼成功地制造并運(yùn)轉(zhuǎn)了世界第一臺激光器。工作物質(zhì)用人造紅寶石，激勵(lì)源是強(qiáng)的脈沖氙燈，它獲得了波長0.6943微米的紅色脈沖激光。
第一臺激光器問世以后，激光發(fā)展很快，短短時(shí)間里就出現(xiàn)了許多不同類型的激光器。1961年、1964年，先后制成釹玻璃激光器和摻鈦釔鋁石榴石激光器，它們和紅寶石激光器都是迄今仍被大量應(yīng)用的固體激光器。
1960年底，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的賈萬等人制成了第一臺氣體激光器——氦氖激光器。1962年，有3組科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)明了半導(dǎo)體結(jié)激光器。1966年，又研制成了波長可在一段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)的有機(jī)染料激光器。此外，還有輸出能量大、功率高，而且不依賴電網(wǎng)的化學(xué)激光器等。
由于激光器的種種突出特點(diǎn)，因而很快被運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、精密測量和探測、通訊與信息處理、醫(yī)療、軍事等各方面，并在許多領(lǐng)域引起了革命性的突破。比如，利用激光集中而極高的能量，可以對各種材料進(jìn)行加工；激光作為一種在生物機(jī)體上引起刺激、變異、燒灼、汽化等效應(yīng)的手段，已在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)上取得良好的效果；激光在軍事上除用于通信、夜視、預(yù)警、測距等方面外，各種激光武器、激光制導(dǎo)武器已投入實(shí)用。今后，隨著激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，激光器的性能和成本進(jìn)一步降低，其應(yīng)用范圍還將繼續(xù)擴(kuò)大，并將發(fā)揮出越來越重大的作用。
纖維鏡
能夠拐著彎進(jìn)行觀察的顯微鏡，是研制成功比頭發(fā)還細(xì)若干倍的玻璃纖維后出現(xiàn)的一種奇妙的儀器。
研制纖維鏡碰到的第一個(gè)問題，是制造形狀像鞋帶一樣的鏡子，而且要有自己的光源。把有一定折射率的玻璃裹在一根折射率不同的玻璃棒上，就可能滿足全反射定律，換句話說，光就會沿著它們來回傳輸而沒有損耗。這樣，不管距離多遠(yuǎn)，要拐多少彎，人們都能從外面看到“內(nèi)部的情況”。
最大的困難是制造極細(xì)的玻璃纖維，細(xì)到能把一束玻璃纖維插進(jìn)入體內(nèi)的孔道中，插進(jìn)用于皮下注射的針中，或者通過防漏密封觀察一臺正在工作的機(jī)械的內(nèi)部情況例如觀察一個(gè)核反應(yīng)堆的內(nèi)部情況。玻璃纖維有兩種：一種傳輸“相干”光，在目鏡處產(chǎn)生圖像；另一種傳輸“非相干”光，傳到內(nèi)部以照亮目標(biāo)。被照著的東西通過形成兩種光束的形式，在目鏡或攝影機(jī)上形成影像。
英國的原子能局，還有較晚近的蘭克組織，已率先進(jìn)行這方面的發(fā)展工作，到1965年已開始生產(chǎn)25微米 （1微米等于0.001毫米）的玻璃纖維。若干美國公司，最著名的是寶雪龍公司，一直致力于研制更細(xì)的玻璃纖維，結(jié)果研制成功了15微米的玻璃纖維。寶雪龍公司的纖維鏡最初是在工業(yè)上用來做檢查工作（由于它發(fā)出的是冷光，所以適合于用來檢查燃料箱的內(nèi)部）。美國心臟收縮鏡公司給玻璃纖維消毒獲得成功，這就為醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。支氣管鏡（讓患者吞下）和胃鏡（用來檢查胃）通常都是7微米粗的玻璃纖維束。但是，在未能用相機(jī)拍照之前，用于研究和發(fā)展的數(shù)百萬美元是收不回來的。