重新发明动力交通
终有一天,恢复中的文明会发展成熟到开始考虑制造发动机的冶金学和工程学水平。如果社会退化到了依赖畜力和帆船的地步,它又该如何在没有现成样例可参考的情况下重新发明内燃机呢?在我们的汽车发动机罩下面,那颗搏动的心脏有着什么样的解剖结构?
内燃机是一个绝好的例子,证明了复杂的机器也无非是基础机械零件的组合,是把来历各不相同的部分组织成新的结构,以解决手头的特定问题。如果你能够剥掉金属壳,把家用轿车像有机体一般拆解开,就会发现无数子机械正在协调互动,一如人体内的器官和组织。
那么汽车的行驶到底是基于什么样的关键原理,你又该如何从头开始设计一辆?
在“为民供能”一章中,我们介绍了外燃机的运行原理:蒸汽机燃烧燃料加热锅炉,迫使蒸汽进入气缸。若是省掉中间步骤,直接利用燃烧产生的炽热气体的压力来驱动机械,对燃料化学能的使用效率便会提高很多。只要将少许燃料引入封闭空间然后点燃,由此产生的炽热气体的体积骤然膨胀,就可以推动活塞为你工作。每秒钟实现这个过程多次,你便拥有了一个规律而可靠的方法来传递动力。为了重置气缸的状态准备下一次爆胀,打开一个口,推回活塞,像注射器一样把废气挤出去,然后再抽拉活塞,通过另一个阀门吸进来含氧空气与新鲜燃料的混合物。压缩这一混合物,增大它的密度和温度,然后点燃它。这种四冲程的循环便是地球上大多数内燃机迅速搏动的心跳。
燃料进入气缸之后,有两种点燃的方式,这就构成了现代汽油发动机和柴油发动机之间的区别。乙醇(或者汽油)这种易挥发的液体,可以在气化室与空气混合时气化,然后被导入气缸,由火花塞点燃。柴油之类较重的碳氢分子混合物,可以在压缩冲程结束时以细密液滴的形式喷入气缸,并在极高气压造成温度飙升时,自发地气化并燃烧。(任何曾用脚踏泵给轮胎打气后摸过气门的人,都会注意到空气压缩能够产生多高的温度。)或者就像本章开头讲到过的,可以直接向气缸导入气体作为发动机燃料。
为了驱动车辆,现在的挑战是把活塞来回往复地运动,变成可施于轮子或者螺旋桨的平滑转动。曲柄可用来实现这种重要的运动转换,我们已经在介绍自行车的段落中提到过它。在机械中,曲柄通常与旋转连杆配合使用,而连杆的作用是连接往复组件与转轴(在自行车中,是你的双腿构成了与脚踏板配合的连杆)。这种重要的机械结构已知的最早应用,出现在公元3世纪古罗马的一部水车上,被用来把水流驱动的旋转转化为长木锯的来回拉动。
汇聚多个活塞动力的现代发动机,采用了一种名为曲轴的轻微改进。在它的长度方向上,排列着几个把手形状的扭折,让一排活塞来驱动同一根轴的旋转。即便是多个气缸以交错的次序燃烧,作用在轴上的冲力仍旧是不流畅的,这就需要一种让旋转平稳的方法,而解决方案来自古代的制陶技术。曲轴的末端安装一个飞轮,它的作用和制陶轮上的笨重石板完全一样:存储角动量,稳定转速。
为了在动力循环中协调阀门的开启和关闭,在合适的时间向气缸注入燃料以及排出废气,要用到另一种古老的机械构件。凸轮的外形中有一个向外的突起,因此在轴上旋转时,可以有节律地抬起杠杆或者推离从动杆。凸轮在过去曾被应用于杵锤。在这种机械设备中,随着凸轮突起的运转,水车的动力被用来反复抬起一枚重锤,然后再释放形成击打。古希腊人使用过凸轮,后来它又出现在14世纪的中世纪机械中。在现代内燃机当中,一组由主曲轴驱动的凸轮,可以使入气与出气阀门的开合时机恰到好处,配合活塞的循环。
如果你打算用发动机驱动陆地车辆,而不是简单地转动船的螺旋桨,那么你还有几项技术挑战需要解决。发动机的核心设计搞定之后,下一个机械问题是把动力传送给轮子。汽车动力设备中,最容易通过直觉理解的部分之一就是变速箱:它本质上无非是一个盒子,让你可以改变哪些齿轮组要咬合在一起,操作原理和公元前3世纪的齿轮传动链一致。内燃机转速很高,所以要利用低挡位——也就是驱动轴连接的齿轮小于发动曲轴上的齿轮——把转速转化为扭力。在加速或者爬坡时,尤其需要大扭力。
协助进行齿轮切换的设备叫作离合器。在很多汽车当中,这种装置用一个粗糙的盘紧紧贴合飞轮来传送发动机动力——很有讽刺意味的,是摩擦力让发动机得以平滑运转。盘和飞轮可以被拉开,让发动机和驱动轴不再相连。机床等早期木工工具上也采用过类似的系统,用来把机械与动力源断开。
早期的汽车直接采纳了自行车的技术,用链条和链轮齿驱动后轴。
更高效的动力传送方法是用一根旋转的传动轴,但是它必须有一定的灵活性,以免在驾驶过程中被颠簸折断。那么你该如何让一根刚性杆可以在传送动力的同时,朝任意方向弯曲呢?解决方案是沿着它的长度方向设置两个万用接头。每个万用接头都是由一对相连的铰链构成,这种设计最早于1545年见诸描述。
等你的汽车跑起来后,下一个紧迫的问题就是,想出一个可以在驾驶座上方便转向的方法。最早的汽车使用舵柄,直接借用了控制船舵的航海技术。但是稍加思考后,就能得到一个更加优良的方案,这个方案采用的技术源自大约公元前270年的古代滴漏。在一根长棍上切出齿形,与一枚齿轮配合,就构成了齿条齿轮传动装置。驾驶室里的方向盘通过一根轴转动齿轮,齿轮再左右移动齿条,调整前轮的方向。
当你把两只轮子固定在同一根轴上后,最后一个工程问题出现了。
汽车转弯时,外轮需要比内轮转动得快一点,如果二者的旋转被互相锁定,便都有可能打滑或者拖滞,造成转弯困难以及损伤轮胎。一种叫作差动器的系统仅仅由四个齿轮构成,能够令两个轮子同时由发动机驱动,但又可以以不同的速率旋转。这种精巧的设备从1720年开始被运用到欧洲的机械上,或许还可以追溯到公元前1000年的中国。
你或许认为一辆全新的跑车代表着当今的尖端科技,然而如果剥开它的外壳,你会发现里面的各种零部件构成了一锅大杂烩,它们借鉴了很多历史悠久的机械构造:制陶转轮、罗马锯木场、杵锤、木工车床和滴漏。
内燃机是一种非凡的机械,可以将燃料中蕴含的化学能转化为平稳的运动,是今天大部分交通方式的基础(包括高速飞行器的喷气发动机和大型船只的蒸汽轮机)。我们已经探讨过为这些发动机生产气体或者液体燃料的方法。一整箱燃料能够提供的能量大得惊人,在需要补充之前可以行进很远的距离,因此当后末日时代的社会恢复到一定成熟度之后,燃烧势必会再次在陆地或海洋长途运输中扮演重要角色。不过问题是,没有了易于开采的原油,我们之后的文明很可能燃料有限:20世纪20年代之后,机动车辆的繁荣靠的是石油精炼厂生产出的便宜汽油,那么,要想在一个从零开始重建的社会里建立交通基础设施,还有什么样的替代发展道路可供选择呢?
收获庄稼之后,与其只拿其中一部分来制造生物柴油或者发酵成乙醇,或许还不如把全部收成都烧掉更加简单。为了利用柳枝稷、芒草或灌木等生长迅速的作物捕捉的太阳能,加热锅炉驱动蒸汽轮机产生电力的效率要高得多。生物燃料以及风能和水能等可持续能源产生的电力,可以通过架在空中的电线进行分配,驱动火车和有轨电车在固定线路上行进,或者为小型车辆的电池充电。以同样数量的作物为能源,电动车辆能够行走的距离,要比烧生物燃料的内燃机车辆远得多。而且,驱动蒸汽轮机的锅炉燃烧的植物材料,可以比合成生物燃料所需的品级低很多。如果你是在热电联合工厂里发电,还可以用废热为附近建筑供暖。一个能源有限的社会,应当使用这种全局性的思维,来使燃料消费的效率达到最大化。这么来看,似乎后末日文明的城市交通很有可能会主要靠电力驱动。
事实上,电动车辆曾经很普遍。在20世纪早期,有三种从根本上不同的汽车技术在争夺主导地位。电动汽车因为机械结构更加简单可靠,而且安静无烟,在与蒸汽驱动和汽油驱动的竞争中占据了一席之地。在芝加哥,它们甚至曾统治过汽车市场。1912年,电动汽车产量达到高峰的时候,三万辆电动汽车悄然无声地滑行在美国的大街上,此外全欧洲还有四千辆。在1918年,柏林五分之一的机动出租车是电动的。
配备车载电池的电动汽车(与火车或者有轨电车不同,它们能从轨道上方的电线获得持续不断的动力)的弱点是,哪怕庞大笨重的电池组也存储不了大量电能,一旦电池耗尽,又需要很长时间充电。那些早期电动汽车的最大行驶距离是大约一百英里[3] ,但这已经比马远得多,在城市环境中已经足够了。解决方案是不要等待电池充电,而是在一个站点内以空换满:1900年,曼哈顿曾经有一支成功运营的电动出租车队,在他们的中心站点可以迅速地用新电池替换掉耗尽电力的电池。因此,凭借以生物燃料为动力的内燃机和电动汽车,哪怕没有我们在自己的发展历程中曾受益匪浅的充足石油,进步中的后末日时代社会仍然能够满足其交通需求。下面我们该从人和物资的运输转向思想的传递了:在下一章中我们将探讨通信技术。
- 这种机械化崩溃之后的技术衰退以及动物牵引力的紧急重启,在最近是有一个先例的。从20世纪60年代早期开始,随着卡斯特罗革命的爆发以及古巴被吸纳为苏维埃附庸国,这个岛国的农业系统被苏联和东欧国家提供的农业机械和供给改变了。但随着苏联在1989年解体,共产主义古巴突然失去了化石燃料和设备的进口供应,面临着交通、机械化农业以及化肥和杀虫剂制造能力的全国性崩溃。该国被迫迅速重新发展大量的畜力来取代四万台拖拉机,并且启动了紧急的繁育和训练计划。在不到十年的时间内,为了让农田继续得到耕作,古巴增加了差不多四十万头牛,马的数量也在恢复中。
- 与大众观念相反,自行车的稳定性与轮子转动时的陀螺效应关系并不大,尤其是在低速时。
- 讽刺的是,现代电动汽车的最大行驶距离仍旧是大约100英里:电池容量和电动机方面的技术进步正好被车身尺寸和重量的提高抵消了,电动汽车的驾驶员们饱受“充电焦虑”的困扰。
本书评论