机器改变了世界

第一节　机器改变了世界

机器已成为现代社会的时代标志，作为一个永恒的动力源泉，人们总是设法或努力把今天从事的工作交给明天的机器去做。每获得一次成功，就从规模到内容提高到更高一个层次，同时也把人类自身活动提高到更高一个层次。因而，人和机器的交互面，始终是整个技术发展的前沿，也是技术发展的生长点。人类不断突破人机界面的极限，人和机器实现交互式发展，推动着技术进步，推动着整个人类社会的进步。

如果在生活中仔细观察，就会发现机械就在我们身边。自从人类有了电，晚上就有了光明;天上有了飞机，世界就开始变小;而个人电脑的普及，给人类带来了连计算机的发明者都想不到的变化。各类机械产品的出现及人们对它们的依赖，几乎使每一个人的生活都发生了变化。人类与机械产品朝夕相处，很难说我们周围的哪一样不是机器制造出来的。从太空探索到衣食住行，从汽车、计算机到生物制造、外科手术，到处都有它的身影。正是有了机械技术，生活才会变得更加丰富多彩、更加舒适方便，我们时时处处都享受着机械制造技术的恩惠。

一、光阴似箭——计时钟表

时间看不见，摸不着，计量它确实很困难，但是聪明的古人还是找到了各种方法来计时。最早的日晷使得人们可以根据太阳的影子来计时，但是到了夜间就无法使用了。因此人们又开始利用某种有规律的活动(漏水或漏沙等)来计时。直到现在，连最先进的原子钟也是通过铯原子的极有规律的往复运动的振荡周期来进行计时的。

1.铜壶漏滴

“寸金难买寸光阴”对我们来说是再熟悉不过的诗句了，但是其中却揭示了计量时间的方法。我国古代计时是用铜壶滴漏(图2-1)，它使水从高度不等的几个容器里依次滴下来，最后滴到最低的有浮标的容器里，根据浮标上的刻度也就是根据最低容器里的水位来读取时间。这样，就使无形的时间改换成有形的尺寸了。光阴自然可以用“寸”来计量。

图2-1　铜壶滴漏

那铜壶漏滴中的最低容器里的水位，是由高处的水一滴一滴流下来，经过长时间的积累而形成的，所以铜壶滴漏的计时原理实质上就是水滴总数的自动累计。

大约在我国使用铜壶滴漏的同时，在西方有了沙漏计时的办法。在一个葫芦形玻璃瓶中装半瓶细沙，把瓶子颠倒过来，让沙子经过瓶的细腰慢慢地漏下来，这种方法计时的实质是沙粒的自动累计。沙漏没有铜壶滴漏好，因为它没有刻度标尺，不便读数。但是它小巧轻便，而且简单。

2.擒纵机构

机械式钟表里有一个叫做“擒纵机构”的关键部件，它能把重锤或发条里储存的能量一点一点地施加到摆上，使摆不致因能量损耗而逐渐停下来;它又使钟表的指针一点一点地转动，从而将时间一秒一秒地指示出来。所以这类机械式钟表的计时原理，实质上就是机械摆动次数的累计。在手表里为了小巧紧凑，用带弹性“游丝”的摆轮代替单摆，游丝是个形似蚊香的螺旋弹簧。

所谓“擒纵机构”是由一个边缘上有一圈尖角的轮子和一个与钟摆相连的马蹄铁形钩子组成的。这个轮子经过若干传动齿轮被重锤或发条驱动，它总想转动，但是因为旁边有个讨厌的钩子把轮缘上的尖角绊住了，它必须等钩子放开的时候才能转动。钩子和钟摆相连，钟摆每摆动一次，右侧的钩子就释放轮边上的一个尖角，让轮子转一个角度，如此反复不已，轮子始终不能痛痛快快地连续旋转，只能一点一点地转下去。不过，这个总在轮子边上绊腿的钩子也有一定的积极作用，每当它释放一个尖角的时候，就会因重锤或发条的力量顺势被推一把，于是通过钩子又间接给钟摆加一个力，免得钟摆停下来。就这样一绊一放地反复工作，钟表就滴滴答答地走下去。

时至今日，各种各样的石英表，不论是数字显示的或是带指针的，都是靠石英振荡元件的稳频特性工作的。用不着复杂的机件，最多不过有带动指针和日历的少数齿轮，所以价格低廉，又不需上发条，因此受到普遍欢迎。

电子线路里的振荡、石英振荡元件和钟表里的摆轮的机械振荡似乎迥然不同，但是通过理论推导可知它们的作用机理是一样的。无论用什么样的振荡电路构成电子钟表，它实质上是电振荡次数的累计。而每一次电振荡经历的时间是基本上固定不变的，因此就可以用来计时。

钟表要求走时准确，稳定可靠。但一些内部因素和外界环境条件都会影响钟表的走时精度。内部因素包括各组成系统的结构设计、工作性能、选用材料、加工工艺和装配质量等。例如，发条力矩的稳定性，传动系工作的平稳性，操纵调速器的准确性等都影响走时精度。

二、车轮滚滚——汽车里程表

乘出租车已成为日常生活中一件很平常的事，而出租车收费的主要依据是所行驶的里程，收费多少是由计价器根据里程表的数据算出来的。

里程表的原理很简单，因为汽车车轮的直径已知，车轮的圆周长便是恒定不变的。由此可以计算出每走一公里路车轮要转多少圈，这个数也是恒定不变的。因此只要将车轮的转数积累下来，然后除以每一公里路对应的转数就可以得到行驶的里程了。这样简单的原理古人就已经发现并且开始使用了。“记里鼓车”就是这样的装置，它利用上述原理，再加上巧妙的机构使得车轮每转一定圈数就自动敲一下鼓，此时只要有专人把鼓声数目记下，就可以得到所走里程。此装置十分巧妙，无论白天、黑夜均可使用，而且盲人也可使用，体现出了我国古代人民的聪明才智。不过，如果车上没有人默记鼓声数目，单靠记里鼓车本身还不能累计一共走了多少里。而且车停下来之后谁也不知道这车曾经走过多少里路，这是美中不足之处。

现在汽车上的里程表可就不一样了，它克服了“记里鼓车”的不足之处，既能告诉你这次走了多少公里，也能记录自从出厂以来一共走了多少公里，于是，车辆是否需要大修，发动机是否应该报废，全都有据可依。

汽车发动机的曲轴把动力传给变速箱，从变速箱的输出轴到车轮的传动比是不变的。在变速箱的输出轴上装有一根“软轴”，一直通到驾驶员面前的里程表里去。所谓“软轴”就是像自行车线闸用的拉线那样有钢丝芯的螺旋管，管壁和内芯之间有润滑油，外管固定而内芯可以转动，这个内芯的转速与车轮的转速有着恒定的比例关系。软轴通到车速表，使得指针能把车的行驶速度指示出来。同时，软轴旋转还经过蜗轮蜗杆传到车速表中间的滚轮计数器上，把车轮的转数所代表的里程数累计了下来，因为车速和里程都是靠同一根软轴传来的旋转动作驱动的，所以这两个表在一起，前者用指针指示，后者由滚轮计数器累计。工作原理参见图2-2。

图2-2　车速里程表示意图

图2-2中软轴1把旋转动作传来，经过减速器2送到滚轮计数器3，累计出的里程在小窗口里由指针4显示。

新型小汽车的里程表里包括由同一软轴带动的两个滚轮计数器，分别累计本次里程和总里程。本次里程通常有四位数，供短期计数，这是可以清零的;总里程则有六位数，不能清零。每次记录里程的单独指示和清零对于出租车的计费十分方便。

近年来电子式车速里程表逐步推广，它不用软轴，而是在变速箱输出轴上安装脉冲发生器，用导线把电脉冲传到仪表里，用脉冲频率指示速度，用脉冲计数器累计里程。看起来电子式车速里程表比先前的机械电磁式的更合理，因为它不用软轴传动。但是因为机械电磁式的价格比较便宜，在目前汽车里用得仍然比较多。

三、点点滴滴——计量水表

现代的自动化仪表技术在当今社会的各行各业发挥着重要作用，同时也为我们的日常生活提供着便利。而“计量”是和居家过日子最有关系的。特别是一段时间(例如一个月)里某种物质或能量总共消费了多少，这是要心中有数的。对于有具体件数的东西我们可以数出来，有具体形态的东西可以通过称重法来计量，而水、燃气、电之类的东西却是难以计量的。因此必须有专门的公平合理的器具来计量它们，在这方面自动化的机械装置又可以大显身手了，自来水表、燃气表和电表等仪表，帮我们来计量这些看起来难以计量的东西。

水之所以不好计量，是由于我们使用的是自来水，不能够按桶或罐来计量，而必须用一种连接在管道上，能够精确快速而且自动地把某段时间里总共用了多少水统计出来的器具，这就是我们常见的家用自来水表。水表的用途是用来自动累计某一段时间里(通常是一个月)总共用了多少水，以便作为收费的依据，所以它是一种自动累计仪表。“累计”就是把过去一段时间里“积累”的总量“统计”出来的意思。即使读表的时候水已经不流了，过去累计的数据依然存在，不会丢失。也就是说，它不单有进行“加法运算”的功能，而且还有“记忆”的功能。作为收费依据的自动累计仪表，记忆力是非常重要的，它不会把你已经消费的总量忘掉，否则就没法收费了。

那么水表的工作原理是什么呢?实际上很简单，因为水表的壳体是固定的，其内部的体积是固定的，而水是流动的，它推动一个叶轮旋转，每当叶轮旋转一圈，就有一恒定体积的水流过。因此，只要把叶轮旋转的圈数累计下来，乘以这一恒定体积，就可以得到流过的总的水量。水表的结构见图2-3。

图2-3　水表结构

燃气的立方米数怎么计量呢?类似地，只要在管道上装个燃气表，就能把某个时间里总共用了多少气累计出来，这就是家用燃气表。

水和燃气还算有形物质，电就更难计量了，它是看不见摸不着的。何况电费的收取并不单纯按电流的大小，也不是按电压的高低，而是按电流、电压和用电时间三者的乘积来收费的。因此更得用专门的量具，这就是家用电度表。在电度表里有“乘法运算”功能、“加法运算”功能和“记忆”功能。

四、生活的瞬间——照相机

照相机是用于摄影的光学器械。被摄景物反射出的光线通过照相镜头(摄景物镜)和控制曝光量的快门聚焦后，被摄景物在暗箱内的感光材料上形成潜像，经冲洗处理(即显影、定影)构成永久性的影像。最早的照相机结构十分简单，仅包括暗箱、镜头和感光材料。现代照相机比较复杂，具有镜头、光圈、快门、测距、取景、卷片、计数、自拍等系统，是一种集光学、精密机械、电子技术和化学等技术于一体的机电产品。

在公元前400年以前，墨子所著《墨经》中已有针孔成像的记载;13世纪，在欧洲出现了利用针孔成像原理制成的映像暗箱，人走进暗箱观赏映像或描画景物;1550年，意大利的卡尔达诺将双凸透镜置于原来的针孔位置上，映像的效果比暗箱更为明亮清晰;1558年，意大利的巴尔巴罗又在卡尔达诺的装置上加上光圈，使成像清晰度大为提高;1665年，德国僧侣约翰章设计制作了一种小型的可携带的单镜头反光映像暗箱;1860年，英国的萨顿设计出带有可转动的反光镜取景器的原始的单镜头反光照相机;1960年以后，照相机开始采用了电子技术，出现了多种自动曝光形式和电子程序快门;1975年以后，照相机的操作开始实现自动化。

照相机品种繁多，按用途可分为风光摄影照相机、印刷制版照相机、文献缩微照相机、显微照相机、水下照相机、航空照相机、高速照相机等;按取景方式分为透视取景照相机、双镜头反光照相机、单镜头反光照相机。

从完成摄影的功能来说，照相机大致要具备成像、曝光和辅助三大结构系统。成像系统包括成像镜头、测距调焦、取景系统、附加透镜、滤光镜、效果镜等;曝光系统包括快门机构、光圈机构、自拍机构等;辅助系统包括卷片机构、计数机构、倒片机构等。

镜头是用以成像的光学系统，由一系列光学镜片和镜筒所组成，每个镜头都有焦距和相对口径两个特征数据;取景器是用来选取景物和构图的装置，通过取景器看到的景物，凡能落在画面框内的部分，均能拍摄在胶片上;测距器可以测量出景物的距离，它常与取景器组合在一起，通过连动机构可将测距和镜头调焦联系起来，在测距的同时完成调焦。

快门是控制曝光量的主要部件，最常见的快门有镜头快门和焦平面快门两类。镜头快门是由一组很薄的金属叶片组成，在主弹簧的作用下，连杆和拨圈的动作使叶片迅速开启和关闭;焦平面快门是由两组部分重叠的帘幕(前帘和后帘)构成，装在焦平面前方附近。两帘幕按先后次序启动，以便形成一个缝隙。缝隙在胶片前方扫过，以实现曝光。这其中有很多精巧的机械结构。

光圈又叫光阑，是限制光束通过的机构，装在镜头中间或后方。光圈能改变曝光口径，并与快门一起控制曝光量。常见的光圈有连续可变式和非连续可变式两种。

自拍机构是在摄影过程中起延时作用，以供摄影者自拍的装置。使用自拍机构时，首先释放延时器，经延时后再自动释放快门。自拍机构有机械式和电子式两种，机械式自拍机构是一种齿轮传动的延时机构，一般可延时8～12秒;电子式自拍机构利用一个电子延时线路控制快门释放。

今天，照相机从单纯的机械结构转向机械加电子装置，从手动操作发展到自动程序。摄影装备的数字化时代正在向我们大步走来。