书城科普你一定想知道:发明探索知识
11332700000002

第2章 科技发明发现(1)

人类进入文明社会后,逐渐认识到科技对于生活的重要性。在古代,人们就懂得利用勾股定理去测量土地,并在生活实践中验证了这个深奥的数学定理。随着人们知识的增加,新的发明发现不断增多。

电,计算机的发明与更新彻底地改变了人们的生活方式,信息的飞速传递。让一切都变得高效率。再看我们的身边,电灯,电话、洗衣机、电视机等家电设备的发明,既方便了人们的生活,又让人们开阔了视野,轻松享受生活的乐趣,随着时间造纸术纸是写字、印刷,包装所使用的材料,在公元前2世纪由中国人首先发明。

公元768年,阿拉伯人向俘获的中国人学习造纸。于是造纸技术传到阿拉伯,由此逐渐传人欧洲。纸的发明为世界科技文化的发展起了巨大的推动作用。

纸的发明

中国汉朝时,人们在漂冲丝茧时留下一层薄薄的丝絮,将它晒干揭下后就能在上面写字了。这就是最早的“纸”但其数量有限造价昂贵,未能广泛使用。公元105年,中国人蔡伦通过总结前代及同代造麻纸的经验技术发明出真正实用的纸张。蔡伦采用的造纸原料中有麻头破布和渔网,还有一种原料为树皮。基本工序为:浸润麻料→切碎→洗涤→草木灰水浸料→蒸煮→洗涤→舂捣→洗涤→配浆液并搅拌→抄造→晒纸→揭纸。这种造纸技术很快便推广到全国各地。

纸的种类

纸的种类数以百计,很多种纸还经过其他加工程序。有的纸弄湿后用热滚筒烘干使纸的表面光滑,有的纸加上瓷土表层,成为优质美术纸和印刷纸,有的纸是利用废纸制造出来的优质的再生纸,还有各种文化用纸,如铜版纸,道林纸模造纸、印书纸画图纸,招贴纸、打字纸、新闻纸等。

火药是中国的四大发明之义一。最早的火药出自中国古代炼丹家之手,后为军事家所利用,得到发展和改进,先后出现了燃烧性火药和爆炸性火药。

火药大约发明于唐代中期,到唐代后期便开始应用于军事。

早期火药的基本成分为硝石(硝酸钾),硫磺和含碳物质。其中最主要的成分是作为氧化剂的硝石。对硝石的利用是发明火药的关键。中国很早就在炼丹术和医药中使用硝石在《史记扁鹊仓公列传》中已经提到汉初名医淳于意用硝石作为药剂。炼丹术兴起后硝石成为一种主要炼丹药剂。五金八石(各种矿物)、三黄(硫磺雄黄雌黄)、汞和硝石都是炼丹的常用药物。

若用硝石与三黄共炼必将引发燃烧或爆炸,在古书《诸家神品丹法》卷五里记载着唐初医药家兼炼丹家孙思邈的《丹经内伏硫黄法》。从这一记载可以看出,当时的炼丹家已经知道了硝石硫磺木炭混合点火会发生剧烈反应的特点。因而懂得采取措施控制混合物的反应速度防止混合物爆炸。中唐以后的炼丹书籍《真元妙道要略》里曾有火药燃烧造成事故的记载。这说明中国在约1200年前已在制丹配药的实践中发明了火药。

火药触火即燃,在较密闭的容器中,还会发生爆炸。体积很小的火药燃烧时可产生大量的气体和热量体积突然增至几千倍密闭的容器盛不下便会发生爆炸同时还会产生K2S等固体物质,并夹杂着未完全燃烧的炭末一起喷出来所以火药爆炸时能看到许多黑烟冒出来。

活字印刷术

印刷中的“印”本来就有印刷和印章这量种意思,而“刷”则是拓碑涂擦的含义。从印刷的名称就可以看出它与印章、拓碑的关系,也就是说印章和拓碑是印刷的两大渊源。

你很幸运地生活在现代,能够欣赏这本印刷精美的书籍。它会使你增长知识从中得到启发创造出许多好玩实用的东西。书籍真是人类最好的朋友。

可是你知道它是怎么来到你面前的吗?

我打赌你肯定说不出个所以然。听好了,这本书是用电脑设计制作的;那些生动的图片是通过扫描仪输入到电脑中的;接着一台大型的印刷机将所有的内文印刷出来最后,装订机把它们装订成册。瞧,一本图书的诞生要经过如此多的工序。不过最初的印刷术完全不是这样的。

早在汉代时,印章盛行,早期的印章上有纽,可以穿绳是一种饰物也作为权力和地位的象征。秦汉时,印童用于封签书信文件和重要物品的包装。最早的印章大多是下凹的阴文一般用于封泥上作为密封的标示后来随着纸的流行封泥渐渐失去作用,水印取而代之,因此凸起的阳文多了起来。

印章技术创造了一种从反刻着的文字得到正字的方法,而后的阳文印章更是提供了一种从阳文反写的文字取得正写文字的复制技术。印章的材质主要有青铜石骨和木料等。东晋时期道教逐渐兴起。由于道教的一派注重符录因此他们在桃木,枣木上刻了文字较长的符咒从而扩大了印章的面积。这也是雕版印刷术的先驱。

此外我们还要说说拓碑,因为它是印刷术的另一个渊源。拓碑技术发明发展的最重要的基础是石刻。我国的石刻记事起源很早大约在战国时期石刻就已相当流行。到了秦代秦始皇出游各地时曾留下了许多相关记载的石刻。但是被大量拓制的石刻,不是先秦那些只为记事而刻的石刻而是自东汉后为了传播知识和信息所刻造的石碑文字。

大约在公元4世纪左右,人们发明了拓碑的方法。拓碑的制作过程是将一张浸湿的薄纸铺在刻有文字的石碑或铜、铁等器物上再蒙上一张吸水的厚纸用软刷将纸刷匀,并轻轻捶打直到纸陷入石碑或器物的表面,然后揭去外面的薄纸,用细布包裹着的棉花团做成的拓子蘸上墨,轻轻地在薄纸上均匀地刷拍等到璺干后把纸揭下来就会得到黑纸白字的复制品。

采用拓碑技术来复制文献必须要有大量的石刻作为基础。但刻制一座石碑的工程太浩大,既要花费财力又要浪费人力,不是一般人能办到的。因此虽然自南北朝以来就已经有了拓碑技术但直到隋唐传播知识和信息的书籍仍旧采用手写的方式来制作。

时至唐代,印章与拓碑两种方法逐渐发展合流,从而出现了雕版印刷术。雕版印刷术的特点是利用雕工技术在纹质细密坚实的木板上刻出阳文反字,然后再于版面上刷上墨并在其上覆纸张用干净的刷子轻轻地刷过使印版上的文字及图形清晰地转印到纸张上,就成为了雕版印刷。当时,民间从事雕版印刷业的人很多。不过雕版印刷术存在着极大的缺点例如每印一种书就要雕刻一回版,耗费的人力物力相当可观,于是,人们希望能找到一种更简便,更经济的印刷技术。这时一位重要的人物出现了,他就是活宇印刷术的发明者,北宋发明家毕昇。

毕舁采用胶泥刻印,每字一印用火煅烧使其陶化变得坚硬每一字都有好几个印常用字更多些,以备排版遇到重复宇时使用。至于遇到生僻字时就随时刻字烧硬补上非常便捷。

工人们先准备好一块铁板,板上铺一层松香,蜡和纸灰混成的粘着剂,铁板周围用铁范框住然后按所需的字的字韵在木格中取字排版排满铁范后把铁板放在火上加热待粘着剂稍微熔化用,块木板按在字面上,使字面平齐,同时与铁板粘牢即可刷墨印刷,为了提高工作效率一般准备两块铁板一板排好字进行印刷,另一板进行排字,第一板印完第二板已排好字。用第二板印刷时把第一板的字取下重新排字这样交替使用,瞬息可就。印版用完取字时把印版拿到火上加热使粘剂熔化活字就可以取下来了。因为是泥字不会被粘着剂沾污。取下的活字仍按宇韵放置于木格中以备再用。

但是,毕昇的胶泥活字印刷也存在一些缺点,如容易破碎,不易上墨印出的东西比不上写和到的精美。到了元朝,山东人王祯总结了胶泥活字的缺点,改用木活字。木活字的制作过程是先将字写在纸上贴在木板上将字刻出来然后用锯子把字锯下,用小刀加以修整使其大小高低一样。排印时将字一行行地排好,再用薄竹片夹住。等字版排满后,用小木块塞紧,最后在上面刷上墨铺上纸后再用刷子刷一刷就可以印制了。

此外,他还另外设计了一个转轮排宇盘,工人只需坐在排字架前转动排字盘,取字排印不仅减轻了体力劳动而且还加快了排字速度,同时也困改用木活宇后着墨好从而大大提高的印刷质量。

除木活字以外元明清时期还出现了锡、铜铅等金属活字。其中锡活字是世界上最早的金属活字。使用最广的是铜活字,在公元15至16世纪时就在南京,苏州、无锡一带流行了。

不过泥活字的发明仍是中国人的骄傲。除了毕昇的智慧外活字印刷术也凝聚着历代劳动者的智慧,印刷术的发明和推广应用对人类文明和社会进步产生了巨大的推动作用,因而被称为“文明之母”。

玻璃

虽然关丁第一块玻璃的发明有很多说法,但是它的制造原料和制作时需要加热这两方面的描述却是大致相同的。因为玻璃是指经过“熔融”、“冷却”、“固化”3个过程中产生的非结晶无机物,主要原料是石英砂(SiO2),所以它完全有可能诞生于沙滩或是沙漠。

那是在遥远的欧洲,一天,有一艘腓尼基人的大商船来到地中海沿岸的贝鲁斯河河口,船上装了许多天然苏打的晶体,由于船员们的失误,大船走到离河口不远的一片美丽的沙洲时便搁浅了。被困在船上的腓尼基人跳下太船在沙洲上休息,想等候涨潮后继续行船。中午时分他们决定在沙洲上搭锅做饭,可是沙洲上到处都是软软的细沙连一块可以支锅的石块也找不到有人忽然想起大船上装的天然苏打块于是他们就用天然苏打块当石头垒起锅灶,架起木柴燃了起采饭很快就做好了。当他们吃完饭收拾好餐具准备回到船上时,突然发现了一个奇特的现象只见锅下的沙子上有些东西晶莹剔透十分耀眼。他们都不知道这是什么东西,以为是神奇的珍宝于是都争相收藏。其实,这就是被用来支着锅子的苏打块和地上的石英砂发生了化学反应形成了一种透明的物质这种物质也就是今天人们常见到的玻璃。

偶然发现的这个秘密使得腓尼基人掌握了制造玻璃的方法:先把天然苏打块和石英砂块混合在一起然后用一种特别的炉子把这两种物质熔化就得到了玻璃液。腓尼基人把这些玻璃液制成的玻璃珠拿到市场上去卖,这些闪烁着奇特光芒的珠子很快就受到其他国家人的青睐,一些有钱人甚至愿意用黄金和珠宝来兑换,腓尼基人发了大财。但是纸包不住火不久精明的埃及人买通了一个腓尼基的玻璃制造工人,制造玻璃的秘方就这样被偷到了埃及,接着就有更多国家的人学会了玻璃的制造方法。

不过这只是有关玻璃诞生的很多传说中的一种,而玻璃的真正起源现在已经很难说清了。然而根据历史记载,最早的玻璃器皿出现在公元前1500年的埃及。公元6世纪时在罗得岛和塞浦路斯岛上已有玻璃制造厂,在公元前322年的亚历山大城也拥有自己的玻璃生产作坊。

从公元7世纪起一些阿拉伯国家如美索不迭米亚,波斯、埃及和叙利亚其玻璃制造业也很繁荣。它们当时已能够用透明玻璃或彩色玻璃制造清真寺用的灯具。

14世纪初那些地区的人们就会使用铁管吹玻璃泡来制造小玻璃。在吹玻璃泡时,工匠们一边吹一边尽可能快地旋转铁管,玻璃泡在离心力的作用下向外扩展形成表面较为平整的大圆盘。

然后从玻璃与铁管的接口处切断让其冷却成圆形的玻璃板。

欧洲的玻璃制造业发展的时间比较晚。直到大约18世纪以前,欧洲人所使用的玻璃制品都来自于威尼斯工匠之手。

虽然中国不是玻璃的起源国家但是中国人也在很早就开始了使用玻璃的实践。中国最早的玻璃可以上溯到春秋战国时期这个时间比美索不达米亚平原上的第一块玻璃晚了整整2500年。在河南和湖北分别出土的吴王夫差以及越王勾践的佩剑上的玻璃就是已经出土的中国最早的玻璃。

塑料

塑料是一种常见的化工材料,不用很高的温度加热就能使它变软,做成各种形状的物品。塑料制品色彩鲜艳,重量较轻,不怕摔,而且经济耐用。

塑料的问世不仅给人们的生活带来了许多方便,而且推动了工业的发展。

塑料是指可用模塑或其他方法加工成制品的化学合成材料。真正意义上的塑料是在1909年由美国化学家贝克兰用苯酚和甲醛制成的酚醛塑料,酚醛塑料呈乳白色它出现后很快就在很多地方取代了钢铁、木材、水泥和玻璃等材料发挥了它独有的优质特性。这种塑料常被用来制作绝缘体、胶粘剂和层压剂等。

塑料在给人们的生活带来方便的同时也给环境带来了破坏人们把塑料给环境带来的灾难称为“白色污染”。

目前很多国家采取焚烧(热能源再行)或再加工制造(制品再生)的办法处理废弃塑料。这两种办法使废弃塑料得到再生利用,达到了节约资源的目的。但废弃塑料在焚烧或再加工时会产生剧毒气体也会污染环境因而废弃塑料如何妥善的处理至,今仍是环保工作中急需解决的一大难题。

炸药

炸药是一种受热或受重击后能迅速释放出大量能量并产生巨大力量的物质。在大部分的爆炸中,炸药能在高压下释放出大量的气体,产生巨大能量。

炸药源于中国的火药,但比火药的威力大很多,应用的领域也相对广泛。

改变了世界的发明——炸药

1866年,瑞典化学家诺贝尔发明了黄色炸药。1867年诺贝尔在英国和美国申请了炸药的专利。其后,诺贝尔还研制出了葛里炸药等其他烈性炸药。

诺贝尔还想生产成批的炸药用于工业,但首先要解决炸药的安全问题。通过不断研究硝化甘油的应用方法诺贝尔发现,把硅藻土与硝化甘油相混合就可以解决炸药的安全问题这样就可以大批量地生产炸药了。

炸药的用途及爆炸原理

炸药除了用于制造炸弹炮弹导弹等武器外还有更为广泛的和平用途例如用来拆毁古旧的烟囱或高大建筑物爆破采石场,隧道矿山的巨石等。炸药引爆时会迅速燃烧燃烧速度极快有时燃烧完甚至少于百万分之一秒大量高压气体在瞬间内释放,这些气体急剧膨胀,产生了巨大气浪和声浪,于是形成爆炸。

炸药的种类