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1 机械发展史 2 第一章揭开技术发明的序幕 1 技术的萌芽2 工业革命3 动力的发展与进步4 电的利用 3 1 技术的萌芽 我们人类的生活无不与机械有关 早晨起床时 穿在身上的衣服是用机械织成的布制作的 吃早饭时 所使用的电锅和烤面包箱等也是用机械制造的 喝茶时 使用的开水也是使用工厂里制造出来的燃料 煤气烧开的 白天乘坐的电车 汽车等也都是机械 而且 道路也是用机械修筑的 另外 我们居住的房子 城市里高高耸立的多层建筑也都是用机械盖起来的 因此 我们随时随地都在享受着机械带来的恩惠 这些机械是怎样制造出来的呢 最初的机械 当然不象现在的机械这样复杂 但正是这样极其简单的机械代替了人的手脚 被人们所使用 并逐渐发展起来了 最后才成为今天这个样子 而且 今后机械发展的趋势是将会越来越复杂 为了更好地理解现在我们所使用的 维持我们生活的各种复杂的机械 重要的是首先了解一下最初所使用的极其简单的机械是怎样发展成为复杂机械的这一过程 4 一 什么是机械 古代的认识 机械 的最早定义机和械两的字起源 在我国很早 机在古代曾指弩箭的发动部分 如 书 太甲上 有 若虞机张 说文解字 上发谓之机 这里 机 指某种特定的机械 即 弩机 5 弩机 利用机械力量发射箭镞的一种远射兵器 是由弓演变而来的 是弓的发展 6 械的古义为器械 用具 荀子 王制 农夫不砍削 不陶冶 而足械用 这里 械 指农具 墨子 公输篇上 公输盘为楚造云梯之械成 此 械 指军械 文选 司马迁 淮阴 王也 受械于陈 李善注 械 谓桎梏也 此 械 指刑具 机和械两个字有时同时使用 如 莊子 外篇 中记载 子貢給机械定义为 能使人用力寡而見功多的器械 机械一词是什么时候合二为一的 说法不一 还有待考证 7 结论 综上所述 不论是机 或者是械 或机械 都有 用力少 致功多 的作用 以达到某种预期的使用目的 因此 自古以來 人们认识的机械有如下特征 第一 机械的目的是省力 提高效率 第二 机械是机巧的发明 而絕不是意味 死板 现代一般的说法现对自行车 内燃机 电动机 车床 汽车等机械分析 组成 运动与功能 如下 8 自行车1 组成2 运动3 工作 9 内燃机1 组成2 运动3 工作 10 11 由上分析可知 机械具有三个共同特征 第一 由多个实物組合而成 或是多个实物的組合体 第二 各实物间具有確定的相对运动 第三 工作时 能转换机械能或完成有效的机械功 1 机械定义 凡具有以上全部特征的物体称机器 仅具有前二个特征的称机构 机械是机器与机构的总称 即 机构是由实物组成的 具有确定的相对运动以传递或转换运动的机械装置 如连杆机构 凸轮机构等 机器是由实物组成的 具有确定相对运动的 同时传递或利用机械能以达到预期使用目的的机械装置 如内燃机 电动机 水轮机发电机 运输机 金属切削机床等各种工作机 机械是机构 机器等的总称 包括机械工具和机组等 这里 工具是最早的机械 是一种特殊的简單机械 是一切机械的起點 一切复杂的机械都是由工具发展的結果 12 2 机械的分类中国古代机械历史悠久 发明创造丰富 种类繁多 为研究方便 对机械进行分类归纳整理 通常有以下分类 按中国机械的发展过程及使用时间分为 远古机械 简单工具 古代机械 近代机械 現代机械等 按机械的功能分为 动力机械 传动机械 起重机械 运输机械 加工 粉碎 机械等 按机械服务的行业分为 农业机械 水利机械 化工机械 矿山机械 纺织机械 交通机械 工程机械等 按机械工作原理分为 热力机械 流体机械 电力机械 风力机械 仿生机械等 按机械复杂的程度分为 简单机械与复杂机械兩大类 简单机械有尖劈 杠杆 滑轮 轮轴和螺旋五种 而复杂机械是由原动机 传动机和工作机三部分組成的各种机械 13 2 什么是中国机械史 1 机械史的定义机械史是记述机械工具 机构 机器和机组在其原理 动力 材料 设计 制造 应用等方面的发展过程 分析其内在联系 研究机械科学技术的进步与社会发展的关系 探索机械发展规律及其应用 分析机械现状 预测机械术来 改进当前机械 指导今后机械发展 的科技史学科 它是机械科学技术的重要组成部分 中国机械历史悠久 发明创造丰富 种类繁多 英國李約瑟博士在其 中国科学技术史 的第一卷 总论 中 列举了中国古代传到欧洲 影响巨大的发明26种 其中机械有18种 占69 可见 古代机械发明的种类之丰 數量之多 影響之大 都明显地多於现代机械所占的比例 14 1 技术的萌芽 1 人类和工具 猿人一百万年前 鱼类 两栖类 爬行类 哺乳类二十亿年前 原始生物三十五亿年前 人 树上的类人猿到地下寻找食物 手里拿着木棒 石块打猎和保卫自己 这是天然工具 后来他们敲击和磨制加工木棒和石块 开始有意识制造可以满足某种目的的容易使用的工具 15 1 人类和工具 使用工具 的创举是创造出人类的决定因素 使用工具劳动 大脑逐渐发达起来 后来学会使用火 生活发生变化 吃火烤或煮熟的动物和植物 食物丰富起来 生活得到改善 火的发现和利用 对人类来说具有十分重大的意义 钻木取火弓钻钻孔 16 1 人类和工具 公元前三 四千年左右 人类发现金属 学会熔炼 制造出任意形状的青铜工具 17 1 人类和工具 简单工具 自古以来被称之为五种简单的机械 杠杆 车轮 滑轮 斜面和螺旋今天 这些简单的机械作为机械技术的基础仍占有极其重要的地位古代埃及金字塔的建造就是这五种简单机械的典型应用 18 1 人类和工具 神殿的自动开闭门 2000年前的古希腊 有一个非常出色的技师叫希罗 他制造出了神殿自动门 神水自动出售机 里程表等 神殿自动门当有人拜神时 点燃祭坛上的油火 油火产生的热量就会使一个箱子里的空气膨胀 球形容器内的空气因膨胀产生压力 把容器内的水挤到桶内 桶内水多了 在重力作用下带动大门转轴转动 门就打开了 当火熄灭后 空气受冷缩小 大门于是就会关闭 当时的人们由于没有什么科学知识 还以为是神仙显灵 为他们开门呢 其实这种装置也就是现在人们经常使用的发动机的原理 19 2 制粉机和水车 最初是用石臼和木杵舂米粉或面 为了提高效率 在木杵上装了一个手柄 手握手柄捣谷物 后来在手柄设了一个支点 利用杠杆的原理 换成脚踏式的 后来人们发现可以利用水流的动能代替人力的水冲自动式 后来由发现了一种新的方法 把两块石头重合在一起 谷物放在两块石头之间 转动上面的石头就可以加工面粉了 这就是磨 20 2 制粉机和水车 21 2 制粉机和水车 卧式水车 石磨和水车的轴都是垂直的 立式水车 转动顺利 用木制齿轮 把水平轴的转动传递给垂直轴简单齿轮 圆板周围按一定的间隔插上小圆棒 罗马型水车 22 2 制粉机和水车 水车就是利用自然力的最早的动力 东方也造出了水车用于磨面 公元650年 在桃山时代 使用大型灌溉用水车 直径有15米 水车的动力应用到锻造工作 水车的动力应用到炼铁风箱操作 为了保证从水车到风箱的运动传递 发明了连杆机构 技术工作是改善人类生活的基础 是极其重要的 水车其他方面的应用 粉碎矿石 锯木头 驱动深井汲水泵 水车的利用 23 3 钟表匠 远在公元前 人们为了使农业劳动有规律 把一年分为365天 昼夜12等分 如何测量一日的长短呢 日晷 刻有因季节不同而不同的分度 阴天和夜晚不能使用 漏壶 底部钻有一小孔的桶 即使晚上也能计时 沙漏 以上的计时器 十分不准确 必须有人经常监视 十分不方便 24 3 钟表匠 基特希比沃斯的漏壶 公元前2000年左右 居住在古埃及亚历山大地方的工匠基特希比沃斯制作了一种特殊的漏壶 这种漏壶可以使水少许而均匀地按固定的速度从上部流进圆筒形容器里 将浮标插入容器内 浮标上放一个小偶人 随着水的增加浮标也上升 小偶人手中拿着的指示棒就能指示出表示时间的线 这种线是刻划在圆筒周围上的分度线 可以表示时间 表示这种时刻的分度因月份不同其间隔也不同 古时候人们把白天和夜间分成十二等分作一小时的时间长度 所以 如果是夏季和冬季的话 一小时的长度也是不同的 25 3 钟表匠 机械钟 13世纪制造出走时较准确的机械钟 里面有摆轮或擒纵机构 摆轮或擒纵机构 钟针能按一定速度转动的调速装置 欧洲最早的机械钟是图1所画的重锤式机械钟 这也是欧洲最早的一种依靠擒纵装置进行守时的计时器 26 3 钟表匠 机械钟 图2画出了这种机械钟主要工作机构的简化图 这种钟以一个重锤提供驱动力 悬挂重锤的绳子缠绕在一根轴上 重锤下落 带动轴转动 并将转动传递给守时机构 守时机构包括一套擒纵装置和横摆 擒纵装置主要由棘轮和带棘爪的心轴组成 心轴上方与横摆相连 当棘轮在重锤的带动下转动 上方的轮齿推开心轴上部的棘爪 使心轴转过一个角度 而这样刚好又使心轴下部的棘爪转过来挡在下方轮齿的去路上 棘轮继续转动将它推开后 心轴就转回原来的位置 完成了一次摆动 心轴每摆动一次 棘轮都转过一个相同的角度 而这种摆动的频率通过连在心轴上的横摆得到控制 从而具有等时性 如同单摆的等时性一样 这种等时性是可以用经典力学证明的 这样 将棘轮的运动通过中轴传递给表盘上的指针 指针就可以匀速转动了 27 3 钟表匠 机械钟 13世纪制造出走时较准确的机械钟 里面有摆轮或擒纵机构 摆轮或擒纵机构 钟针能按一定速度转动的调速装置 1360年 德国的亨利 德威克为法国国王查理五世制造了一架重227千克 长9 8米的大钟 至今这座钟仍然安放在巴黎的正义宫内 它是现存的欧洲最早的金属机械钟 堪称欧洲金属钟的 老祖宗 十五世纪末 德国贝塔 亨赖茵用发条代替砝码 从而制成小型的机械钟 怀表 纽伦堡的鸡蛋 28 3 钟表匠 机械钟 1538年 伽利略从教堂的挂灯的摆动意外发现了振摆的等时性 但是利用这种性质制成振摆钟的却是荷兰物理学家惠更斯 1660年制成 但是在航海中因船的摇摆而不能使用 1680年 伦敦钟表匠克莱曼发明了锚形擒纵轮 这种擒纵轮是通过和振摆一起运动的卡子摆来控制擒纵轮动作的 29 3 钟表匠 十七世纪中叶 出现了钟表店铺 由于制作齿轮和细轴的需要 发展了车床和钻床 店铺成了最好的培训学校 后来钟表匠利用积累的技术发明了纺织机 珍妮机 蒸汽轮船等等 1679年 罗伯特 虎克将游丝和摆轮安装到钟表里取代振摆 这种钟表就可以装在船上了 1679年 他发表了应力和应变的比例关系 著名的胡克定律 1736年 英国的哈里逊设计出一种精确的精密计时器 可以消除温度的影响 是一种精确的航海钟表 30 4 从辘轳到车床 水车的圆木棒和钟表的精密零部件需要准确加工 将绳子系在要切削的木棒上 交替拉动绳子的两端 棒子就可以转动了 再用刀具接触木棒 就可以顺利地切削圆棒 将绳子系在一根木棒 桥 这叫做木条 上 该 桥 是安装在一根较高的棒子上 再将绳子绕在工件上 在下端安上一个踏板 而且 用脚踏下面的踏板 工件就可以左右转动 高棒上的木条就起了弹簧的作用 这种简单车床叫钢球车床脚踏踏板是最简单的驱动装置 到中世纪结束的时候 这种方法被应用于多种机械 另外 脚踏踏板使其转动的装置 曲轴 很早也被发明出来了 它是把往复运动变为旋转运动的最重要的方法之一 31 4 从辘轳到车床 32 5 印刷术 语言是人相互之间表达思想意识的最重要工具 但是用语言表达意志 其范围过小 只能在极少数人之间互相表达 为了向更多的人表达思想或说明问题 就需要把语言记录下来 人类就发明了文字 开始记录各种事情 中世纪的欧洲 宗教极其盛行 有数量可观的富丽堂皇的教堂和寺院 教堂还是学问中心 教堂必须向众多的教徒宣讲各种教义 被考虑出来的就是木板印刷 分块印刷 印刷的开始 33 5 印刷术 印刷的开始 木板印刷 在细腻的木板上雕刻 涂上油墨 然后将纸放在版面上印刷 这种方法只能印刷一面 1418年印刷了欧洲最古老的美术版画 著名的布拉塞尔的圣母像 1423年 印刷了 耶稣圣人像 1440年 印刷了十二页的 波梅留 1447年 威尼斯一座修道院请波罗尼亚的画家复制印刷了拉丁文的书法和诗稿 34 5 印刷术 1450年 德国的约翰 谷登堡使用了铅字和印刷机进行了印刷 这台印刷机是由葡萄液挤压机改进的 印刷了 四十二行拉丁文圣书 印刷时不会蹭到纸的反面 可以两面印刷 谷登堡的印刷机 35 5 印刷术 1462年 谷登堡的印刷厂在战火中被烧掉 印刷工人流离各地 这样 印刷术也就传到世界各地 谷登堡的印刷机是通过木制的螺纹和杠杆来操纵的 杠杆插在螺纹中间的孔中 当通过螺纹和杠杆转动时 螺纹的下部压到板上 向下给与压力 就可以印刷了 谷登堡的印刷机 36 5 印刷术 木制螺纹换成铜制螺纹 16世纪初纽伦堡的丹尼尔 压板提起 印刷机则使斜面向下部滑动 达芬奇 弹簧和平衡锤组装在一起 挤压结束时 台子使其自动移动 17世纪初荷兰布拉沃 动力印刷机取代手动印刷机 17世纪末 英国纽尔逊教授 制造全金属印刷机 19世纪初英国斯坦霍普伯爵 把螺纹改成三头螺纹 提高了速度 1796年阿达姆 拉梅基 印刷机的改进 37 5 印刷术 制作了铁制印刷机 哥伦比亚式印刷机 1813年美国乔治 格拉玛 制造了连杆铁制印刷机 施加的压力平均 欧戴斯 塔夫脱 制成更加完善的 华盛顿印刷机 1829年萨缪艾尔 露斯特 印刷机的改进 38 5 印刷术 1811年德国人富利德里奇 凯尼希在伦敦制造出汽缸式印刷机 1830年阿伊扎克 阿达姆兹设计出美国第一台动力印刷机 1830年罗伯特 胡制造出美国第一台汽缸式印刷机 1846年他的儿子理查德 马契 胡制成了胡式转轮印刷机 一小时可印二万张纸 1861年凯尼希发明了自动进纸装置 大幅提高速度 1865年威廉 巴洛克将印刷用纸卷在滚筒上 印刷前用安装在汽缸上的锯齿状刀切断纸 提高了效率 1891年 阿尔 胡公司制作了六倍型报纸转轮印刷机 每小时可以印刷2万4千份报纸 动力印刷机 39 5 印刷术 第一个铸造铅字的人是谷登堡工厂劳动的工段长比塔 希埃法 1770年库里斯特法 扎埃尔建立了美国第一家铅字铸造厂 德比度 布尔斯和乔治 布尔斯兄弟发明铸字机 奠定今天美国铅字铸造基础 1822年英国威廉 恰奇设计了机械铸字的方法 1883年奥托马 马根塔拉发明了这种机械 1885年林 鲍伊德 本顿发明了一台极其精致的字母雕刻机 1887年塔尔波特 兰斯顿设计了单一铸造铅字的机械 兰斯顿型排铸机 1886年 生产铅字的行业团体相聚会 成立了使用 点系统 的委员会 进行了各种研究 决定一佩卡 1 6英寸 十二等分为一个铅字 活字技术的发展 40 5 印刷术 活字印刷术的发明是印刷史上一次伟大的技术革命 活字印刷的方法是先制成单字的阳文反文字模 然后按照稿件把单字挑选出来 排列在字盘内 涂墨印刷 印完后再将字模拆出 留待下次排印时再次使用 北宋庆历间 1041 1048 中国的毕升 约1051 发明的泥活字标志活字印刷术的诞生 他是世界上第一个发明人 比德国 谷登堡活字印书早约400年 中国的活字印刷术 41 5 印刷术 公元1041 1048年 平民出身的毕升用胶泥制字 一个字为一个印 用火烧硬 使之成为陶质 排版时先预备一块铁板 铁板上放松香 蜡 纸灰等的混合物 铁板四周围着一个铁框 在铁框内摆满要印的字印 摆满就是一版 然后用火烘烤 将混合物熔化 与活字块结为一体 趁热用平板在活字上压一下 使字面平整 便可进行印刷 中国的活字印刷术 42 5 印刷术 毕升发明活字印刷 提高了印刷的效率 但是 他的发明并未受到当时统治者和社会的重视 他死后 活字印刷术仍然没有得到推广 他创造的胶泥活字也没有保留下来 但是他发明的活字印刷技术 却流传下去了 1584年西班牙历史学家传教士冈萨雷斯 德 门多萨在所著 中华大帝国史 中提出 古腾堡受到中国印刷技术影响 中国的印刷术 通过两条途径传入德国 一条途径是经俄罗斯传入德国 一条途径是通过阿拉伯商人携带书籍传入德国 古腾堡以这些中国书籍 作为他的印刷的蓝本 中国的活字印刷术 43 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 到了15 16世纪 才开始从中世纪的沉睡中醒来 并有了一个新的突破 这就是所说的文艺复兴时代 在这个时期最活跃的代表人物就是莱纳尔德 达 芬奇 他是一个实干家 各种工作都是自己完成的 44 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 45 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 现在 还不清楚达芬奇的真实姓名 1452年4月的一天 也有人说可能是15日 他出生于意大利佛罗伦萨附近的芬奇村 所以 被人们叫作达芬奇 儿童时代 达芬奇就进了佛罗伦萨的著名画家维罗兹基奥的画室 开始学习绘画 十八岁左右 他成为了一名真正的画家 维罗兹基奥的著名作品之一 耶稣的洗礼 中 就有达芬奇执笔画的一部分 因此 二十岁时 他很快就正式成为佛罗伦萨市画家团体的一员 而加入了艺术家的行列之中 一提起莱纳尔德 达 芬奇 你一定立即会想起 蒙娜丽莎 最后的晚餐 等名画 达芬奇由其名画而出名 但是 不仅是绘画 而且 他就科学和技术也进行了大量的研究工作 46 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 达 芬奇的草图 达芬奇逐一仔细地画了几千张草图 留给后世 他所画的草图的数量是十分巨大的 几乎大部分都分散在世界各地 达芬奇对于自己的每一幅作品都是十分认真的 他画了很多张素描 而且 往往要在素描的旁边附有说明文字 这种说明文字是从右向左写的 而且 是反过来看的 是所谓的镜面文字 达芬奇是左撇子 所以 他是用左手从右向左写字 但是 若是从右向左原样读这种反写文字的话 则是十分困难的 当用镜子看这些文字时 就成了普通文字 所以 读达芬奇所写的文字时 需要使用镜子 了解达 芬奇的草图对了解当时机械使用情况和他发明了何种机械是具有十分重要的意义 也是一笔极其宝贵的文化遗产 47 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 达 芬奇的草图 48 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 达 芬奇的草图 49 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 达 芬奇的飞机 达 芬奇看到天上的飞鸟 就研究鸟儿为什么能飞到空中 而且 终于得出这样的结论 如果人也像鸟儿一样插上翅膀 象鸟儿一样挥动翅膀的话 当然就会在空中飞翔了 他画了几幅草图 就是安上翅膀 用手脚使其翅膀动作 为使翅膀动作又使用了曲轴 用脚踏曲轴就可以动作了 但是 与人体相比 需要安上一个较大的翅膀 然而 用人的手脚力量使那样大型的翅膀上下不停地动作 是十分困难的 所以 达芬奇的理想没有实现 人类真正飞上天空则是达芬奇去世后四百年后的事情 50 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 达 芬奇的飞机 51 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 达 芬奇的飞机 52 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 达 芬奇的泵 达 芬奇受人委托研究防止河水泛滥的方法 他设计了挖掘运河和湖塘的装置 开垦沼地 达芬奇研究了水的压力问题 设计了各种形式的灌溉用扬水泵 他还研究了阿基米德式扬水泵 并发现其定律 达芬奇有关水力学的研究 对城市的卫生设施 整修河流都起着很大的作用 他完成了开闭式水门装置 同时还制作了链式和吊桶式的泥浆泵 另外 在开垦沼泽地方面他也动了一番脑筋 53 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 达 芬奇的泵 54 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 达 芬奇和织物机械 达 芬奇设计的各种机械据说唯有织物机经达芬奇实际组装后 完全发挥了其机械性能 他设计的织物机可使用各种纤维 可以织出各种花纹 和今天的织物机比较 从原理上没有多大区别 今天的梳羊毛机械和达芬奇设计的也大体相同 天鹅绒织造法是他考虑出来的 他设计的捻线机可以捻线 并将线绕在线筒上 其机械系统十分巧妙 这种加工法现在也丝毫没变 55 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 达 芬奇和机械 如果问达 芬奇设计的机械究竟有多少种 那只能说非常多数不清 如果按达芬奇画的草图装配传递运动所使用的齿轮的话 就会发现正是我们今天使用原理的出色应用 56 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 达 芬奇和机械 对于制造机械的机械 即工作母机 他也下了一番功夫 并画出了切削圆木的车床 切削螺纹的螺纹加工机 挖空木材中心的镗床 切断用的自动锯等草图 57 6 莱纳尔德 达 芬奇对科学技术的研究 达 芬奇和机械 另外 他所设计的变速装置等 也被原样地应用到今天的汽车技术中 此外 还有大量的关于印刷机 钟表 汽缸研磨机 压缩机 起重机 卷扬机货币制造机 制粉机等的草图 除此之外 达芬奇还研究了滚筒 锉刀制作机 拔钉机 自动烧肉机 坩埚 反射炉等 同时 他还画了大量的机械草图 有关达芬奇 大家有机会在各种情况下涉及到他 不只是他的绘画 就科学和技术来说 他也画了很多出色的画 对机械原理他也进行了大量的研究 我们应该记住这一点 58 2 工业革命 59 2 工业革命 1 从手动到自动 操作织布机械是一项十分繁重 而且又费时间的劳动 只要用手投梭就不能织出宽幅的布来 1733年英国的呢绒制造工约翰 凯伊对织布时的投梭法进行了改进 制造出一种十分出色的飞梭 工人最困苦的工作 手工穿梭得到了改善 而且织出了宽幅布 约翰 凯伊的飞梭 60 2 工业革命 1 从手动到自动 但是飞梭并没有得到实际应用 是因为工匠们担心会失掉工作 而在各地掀起了反对运动 捣毁了凯伊的家和工作店铺 企业家们高兴地使用这种方便的机械 完全忽视了发明家的权利 凯伊完全破产了 最后不得不永远离开英国 而且完全不被人所知 在贫苦中死去 约翰 凯伊的飞梭 61 2 工业革命 1 从手动到自动 英国木匠约翰 怀特设计了新的纺织机械 请求工厂主路易斯 鲍尔给予资金支持 制作自己发明的机械 1738年 路易斯 鲍尔获得了最初的纺织机的专利 这种专利是这样的 捆上棉花纤维 使其穿过滚筒或汽缸之间 滚筒作旋转运动 通过适当的旋转速度差 就可以将棉花或羊毛拉成所需要的粗细 怀特 鲍尔的滚筒 62 2 工业革命 1 从手动到自动 1740年鲍尔和怀特在伯明翰建了一个只有一台纺织机的小型工厂 因资金不足 很快倒闭了 十年之后 鲍尔的亲属在北安普顿建了一个比较大的工厂 安装有五台附有八十个锭纺锤的纺织机械 但是很快也关闭了 怀特和鲍尔这项发明很出色 但是并没有给纤维生产技术带来多大的影响 这是因为当时从事纺织的都是分散的个体家庭手工业作坊 这些作坊不能使用这些机械 怀特 鲍尔的滚筒 63 2 工业革命 1 从手动到自动 1760年左右 手织机得到改进 开始大量使用凯伊的飞梭了 手织机的效率提高了两倍 纱线的需求量迅速增加 使用老式的脚踏式纺车满足不了需要 而出现纺纱危机这就促进纺纱工业进行技术性的改进 哈格里沃斯的珍妮机 64 2 工业革命 1 从手动到自动 1764年 哈格里沃斯制造出了纺织作业机械 以他出色的合作者 妻子 的名字命名为珍妮机 珍妮机是带有多个纱锭的多轴纺织机 八个纱锭通过安装在各个纱锭的滑轮 可以同时转动 一个工人可以同时看管几台纺车 继8个纱锭之后 又增加到16个 进而又增加到80个 哈格里沃斯的珍妮机 65 2 工业革命 1 从手动到自动 英国的纺纱生产得到很大的发展 生产费用及价格大幅度下降 纺织品的需要量也日益增加 珍妮机走进了家庭 这类妇女们干的活也逐渐由男人们干了 另外 家庭不富裕买不起机械的人就不纺纱了 只能从事机织工作了 这样纺纱和织布开始分工了 1767年 担心失业的纺纱工人袭击了哈格里沃斯的家 全部捣毁了其机械 之后他到了别的城市制造纺纱机 很快被企业家买去 但不付给专利使用费 他很快破产了 在诺丁汉的一间小屋里 他一个人凄惨地死去了 哈格里沃斯的珍妮机 66 2 工业革命 2 纺织机械的发展 使用珍妮机之类的机械 解除了纺纱工作受两手的限制 从这种意义上来说 珍妮机具有十分重大的意义 但是珍妮机也有缺点 就是使用这种机械只能纺出细纱来 用珍妮机纺出的纱细而牢度差 67 2 工业革命 2 纺织机械的发展 这种新型纺织机的发明者是托马斯 海斯 阿克赖特了解了这发明 动用了自己身边工人的力量 制造出这种机械 并取得成功 1769年取得专利 这种机械不使用人作为动力了 其动力使用的是水车 因此又叫水力纺纱机 在18世纪60年代 确立了其在棉花工业的主导地位 阿克赖特的水力纺纱机 68 2 工业革命 2 纺织机械的发展 水力纺纱机纺出的纱粗而质地粗糙 珍妮机纺出的纱细而牢度差 为了织出优质布 就要进行进一步的改进 克伦普顿将阿克赖特机械的拉纱滚筒和改进后的珍妮机木制纱锭的主滑台巧妙地结合在一起 制成了走锭精纺机 这种纺纱机的纱锭数最初为四百个 后来进一步改进 增加到九百个 走锭精纺机可以纺出既细而又结实的纱 是一种骡性机械 克伦普顿的走锭精纺机 69 2 工业革命 2 纺织机械的发展 克伦普顿的走锭精纺机 这样改进后的纺纱机 就可以提供大量的纺纱了 因此 如同克伦普顿说的那样 随着纺纱机械的发展 棉花的进口量日益激增 其结果 使地主 贸易商人 农场主获得巨额利润 与此相反 走锭精纺机 给其发明者克伦普顿带来些什么呢 只有贫困 没有给他带来任何好处 70 2 工业革命 2 纺织机械的发展 罗伯兹的改进 使用克伦普顿的纺纱机 卷纱时需手工调节纱锭的转动速度 因此 纺纱工必须掌握这种熟练的技术 才能顺利地操作机器 英国的机械工理查德 罗伯兹 研究出一种自动纺纱用摆杆 并将其安装在克伦普顿的机械上 这种摆杆在卷纱时 可以自动地调节纱锭的转动速度 在工业革命时期 纺纱机械的发展由1830年罗伯兹发明的这种自动纺织机作收场 而告一段落 71 2 工业革命 2 纺织机械的发展 动力纺织机的问世 纺纱机经过这样被改进后 纱比过去纺得更快了 而且 也可以大量地生产了 因此 纺纱危机也告一段落了 但是 现在就是使用纺纱织布问题了 如果再使用普通手织机的话 就不能大量地消化这些棉花了 1678年 法国军官德 基寅努制造出一种 不需要人手就可以织亚麻布的机械 这是第一台水力转动的水力织机 72 2 工业革命 2 纺织机械的发展 动力纺织机的问世 1725年 法国人帕基尔 布香在织机里设计了可以自动选出引带的装置 这是一种经线的开口装置 可以织出当时盛行的凸纹织品 布香为了选择引带 使用了穿孔的卷纸 后来由法国人贾卡尔德改进后 就是今天的穿孔纸带 73 2 工业革命 2 纺织机械的发展 动力纺织机的问世 法国的机械师鲍堪松对自动动作的机械很感兴趣 因发明了各种神奇的自动装置 而十分有名 他曾制造出一个高1 70米 能吹奏2首曲子的牧童 这是历史上第一个真正与人类相像的制造物 74 2 工业革命 2 纺织机械的发展 动力纺织机的问世 鲍堪松对拉纱机 缠纱机等也进行了研究和制作工作 1741年 他设计并制造了新型纺车 这种纺车可以把从蚕茧上拉出来的生丝这样的细纱合股 此外 不只是纺车 他还热心地改进了织物机械 1747年他制造出用生丝织布而不使用人的织物机械 这种机械是改进了布香的设计而制造出来的 由于当时的织物工匠担心失业 所以受到了这些工匠们的阻挠 鲍堪松的织物机械终于被放进了法国的巴黎工艺学校仓库的一个角落里 落满了灰尘 75 2 工业革命 2 纺织机械的发展 卡特赖托的动力纺织机 1762年 英国的牧师 诗人埃德孟德 卡特赖托制造出操作比较简单的动力织机 1786年 改进后 成功使各种动作实现了自动化 如穿梭 综絖 为制道梭道使经线向上的用具 举起 停止纬线的方向 卷经线 取下织成的织物 经线上浆等 76 2 工业革命 2 纺织机械的发展 贾卡尔德的纹织机 在负责保存法国美术工艺协会从事织物机械研究的贾卡尔德 在巴黎工艺学校的仓库一个角落里发现了落满灰尘的鲍堪松的织物机械 他对此略加改进 1801年发明了一种叫作贾卡尔德机的新型织物机械 这种机械使用穿孔卡可以选择各种经线开口 分别编织几种颜色的纱 织出带有复杂花纹的织物 77 2 工业革命 3 从大气压的发现到蒸汽机的完成 18世纪 在英国相继发明了织物机械 并不断地进行改进 工业逐渐发展起来了 到目前为止不太使用的铁材料的需要量也逐渐增加了 因此 也以高速度推进了开采铁矿石的矿山开采业 随着开采矿山事业的发展 出现了大量的地下水 因此 也就碰上了难题 如果不排出地下水的话 就不可能继续往下深开采 怎样才能又快又多地汲出水呢 人们迫切地希望尽快地找到解决问题的办法来 另外 随着工业的发展 水车转动的织物机械 精炼厂使用的风箱等其规模也越来越大 人们希望能出现一种比水车更强大的动力 78 2 工业革命 3 从大气压的发现到蒸汽机的完成 大气压的利用 1680年荷兰物理学家惠更斯想通过气压使装在汽缸里的活塞动作 托里塞利在密封容器内安上活塞 让火药在容器内爆炸 产生的气体推动活塞向上运动 容器冷却后 压力下降 气压推动活塞向下运动 这样 就可以使活塞动作了 但是 这种装置不能随心所欲的动作 帕平接受了惠更斯的想法 他在圆筒管安上活塞 管内放入少量水 加热后水变成了蒸汽 将活塞推起 蒸汽冷却凝结后大气压就可以把活塞推下 但是 这只是蒸汽原理的实验 不能实际使用 79 2 工业革命 3 从大气压的发现到蒸汽机的完成 塞维利的蒸汽机 英国的塞维利制造出一台蒸汽机 并获得了专利 先在D内充满蒸汽 关闭所有阀门 使D冷却 此时D蒸汽凝结形成真空 打开阀门B 下水进入D内 水进入D后 阀门B则关闭 阀门A C打开 这样 蒸汽从A进入D内 把D内的水挤压到E内 水就被汲到高处 当D内的水全部被放出来后 D内就只有蒸汽了 所以 各阀门关闭 然后又重新开始循环上述的动作 80 2 工业革命 3 从大气压的发现到蒸汽机的完成 纽克门的气压机 纽克门1712年发明了气压机 用以驱动独立的提水泵 这种蒸汽机先在英国 后来在欧洲大陆得到迅速推广 它的改型产品直到19世纪初还在制造 纽克门气压机的热效率很低 这主要是由于蒸汽进入汽缸时 在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量 只在煤价低廉的产煤区才得到推广 81 2 工业革命 3 从大气压的发现到蒸汽机的完成 纽克门的气压机 扇形平衡杠杆左侧的配重将活塞提起 同时蒸汽进入活塞下部的汽缸中 当活塞上升到汽缸顶部时 关闭进汽阀 向汽缸中喷入冷水使蒸汽冷凝 形成真空 活塞上面的大气压力将活塞下压 提起杠杆左侧的提水泵拉杆 使装在矿井深处的提水泵将水汲出 因汽缸直径大于提水泵的缸径 虽然汽缸活塞上的压力只等于大气压 也可以汲出数十米深处的水 82 2 工业革命 3 从大气压的发现到蒸汽机的完成 纽克门的气压机 83 2 工业革命 3 从大气压的发现到蒸汽机的完成 瓦特的蒸汽机 瓦特研究了纽克门气压机 发现了气压机需要大量的蒸汽 效率很低 1765年瓦特终于考虑出一种新方法解决了这个问题 他发明了可以保持真空的 另外容器 即冷凝器 1769年瓦特取得了带有这种冷凝器的蒸汽机的专利 并在爱丁堡建起了第一台蒸汽机 1775年波尔顿和瓦特合作 成立了波尔顿 瓦特商会 商会在伯明翰附近的煤矿制造了推动排水泵的蒸汽机 这种蒸汽机的价格和纽克门式气压机大体相同 但是 其效率却提高了两倍 84 2 工业革命 3 从大气压的发现到蒸汽机的完成 瓦特的蒸汽机 活塞由杠杆另一端的配重拉升到顶部后 平衡阀关闭而进汽阀打开 将蒸汽引入汽缸上端 同时排汽阀开启使活塞下汽缸部分和凝汽器接通而形成真空 活塞受压下降 从而拉起提水泵的拉杆 活塞被压到下端后关闭进汽阀和排汽阀 同时打开平衡阀连通汽缸的上下端 配重遂再次拉起活塞 如此循环作功提水 为了从凝汽器中抽除凝结水和空气 瓦特装设了抽气泵 他还在汽缸外壁加装夹层 用蒸汽加热汽缸壁 以减少冷凝损失 85 2 工业革命 3 从大气压的发现到蒸汽机的完成 瓦特的蒸汽机 86 2 工业革命 3 从大气压的发现到蒸汽机的完成 瓦特的蒸汽机 商会接受生产镗床的维尔金森订货 生产推动炼铁炉通风装置运转的蒸汽机 业务扩大了 第一次把蒸汽机用于汲水以外的目的 瓦特蒸汽机的汽缸都是用性能超群的维尔金森镗床精加工的 汽缸质量较好 瓦特十分满意 全国各地矿山订购的很多 到了1780年左右 全国各地已经大量使用蒸汽机 不只是排水用 同时也作为工厂的强大动力而使用 取代了水车 登上了动力的宝座 87 2 工业革命 3 从大气压的发现到蒸汽机的完成 瓦特的其他发明 1781年瓦特工厂的马德克提出了有关 行星齿轮运动 的设计 可以将往复运动转换成回转运动的装置来使用 活塞一次往复而驱动轴就会转两次 瓦特又发明了一种叫作离心调速机的装置 可以解决回转运动时快时慢的问题 使这种运动稳定 88 2 工业革命 4 机床的发展 各种机床陆续问世了 其数量也在日益增多 此时 工厂也犹如雨后春笋般在各地出现了 人类的生活也变得复杂了 随着工厂数量的增加 机床的大量生产 就需要提高产品的质量 另外 由于木制机床很快就要松动 所以 后来机床逐渐改成了用坚固的金属制造 提高了机床的质量 为了制造金属制机床 如果没有高质量的工作母机的话 则是不行的 因此 制造机床的工作母机得到不断改进 89 2 工业革命 4 机床的发展 钢球车床 弓型车床广泛地用于加工 使用脚踏式可以使工件往复旋转 到了15 16世纪以后 开始大量地使用了脚踏式通过曲轴使轴转动的车床 工件可以作连续运动 与往复旋转运动相比 这种加工方法更易于切削 刀具的自动进给 90 2 工业革命 4 机床的发展 但是 刀具要用手拿着 所以 要想准确加工十分困难 加工圆棒和螺纹 钟表和锁的零件 时如果用手握刀具 很难加工出合格的工件 为了解决这些问题 人们又考虑出了新的加工方法 制作了一个支撑台固定刀具 1720年左右俄国的机械工纳尔托夫制作了这种新型的车床 但是 发明似乎稍微过于快了一些 对于当时的技术来说 还没有这种实际要求 因此方案没有被采用 也没有给当时的制造车床的技术带来任何影响 刀具的自动进给 91 2 工业革命 4 机床的发展 在瓦特的蒸汽机里 活塞要在汽缸里动作 但是 如果汽缸和活塞之间没有间隙的话 就不能灵活动作了 然而 精确地切削汽缸 是一项十分困难的工作 对于汽缸和活塞之间间隙的漏汽与堵塞 瓦特大伤脑筋 他把破布或者皮子塞进间隙里 防止漏汽 但是 十分困难 一塞得过紧 活塞反而不能动作了 维尔金森的镗床 92 2 工业革命 4 机床的发展 1769年 英国的斯密顿制作了镗床 使用水车作动力 水车带动的水平轴前端安装上周围有刀具的圆板 切削汽缸的内侧 用绳子拉动汽缸进行进给 加工后的汽缸内孔不是一个真正的圆型 还要手工研磨精加工 有时蒸汽机常常出现漏汽现象 十分令人棘手 维尔金森的镗床 93 2 工业革命 4 机床的发展 后来 英国的维尔金森改进了斯密顿的镗床 将刀具安装在支承两端的一根粗轴上 这根轴贯通汽缸的中央 旋转这根轴 再使汽缸动作 就可以切削其内面 汽缸的直径为50英寸 约127CM 其误差为十六分之一英寸左右 约1 58mm 94 2 工业革命 4 机床的发展 由于瓦特委托维尔金森加工汽缸 蒸汽机比以前大幅度提高了效率 动作十分灵活了 在这以后的大约二十多年的时间里 瓦特制作的蒸汽机的全部汽缸都是维尔金森加工制作的 因此 瓦特的蒸汽机也能正常地动作了 这也是和维尔金森等人的努力分不开的 维尔金森不仅制作了镗床 还制作了蒸汽锤 轧机 造币用轧机 炼铁炉等多种机械和装置 完成了多项在英国重工业史上重要的发明 维尔金森的镗床 95 2 工业革命 4 机床的发展 1780年 英国的莫兹利制造了高质量的螺纹切削车床 该车床是全金属制 长36英寸 刀具安装在刀架上 该刀架和一根丝杆相啮合 可以左右移动 这样 刀具就完全脱离了人的手 成了机床的一部分 最初制作的车床 需要准备几根不同螺距的丝杆 切削螺纹时 每次都要换上合乎螺距的丝杆 后来 改换成齿轮 这样 丝杆就可以按各种速度转动了 即使不交换丝杆 也可以进行各种螺距的螺纹切削了 莫兹利的带有进刀装置的车床 96 2 工业革命 4 机床的发展 莫兹利的全金属制带有进刀装置的车床 是今天车床的鼻祖 是一项十分重要的发明 所以 这台车床至今仍然保存在伦敦的科学博物馆里 莫兹利的带有进刀装置的车床 97 2 工业革命 4 机床的发展 由于带有进刀装置车床的完成 制作机械和加工部件就不需要熟练的技术了 只要稍加学习 任何人都可以很容易地加工出合格的零部件来 因此使机械制造业获得了很大的发展 人们后来又把这种装置应用到其他机床上 相继出现了转塔车床 龙门刨床 磨床等机床 机械技术得到了进一步地发展 在英国的机械技术的发展过程中 莫兹利的工作起着指导性的作用 因此 也可以说该工厂是英国的机械技术学校 在莫兹利工厂劳动过的工匠中 后来有很多人成了优秀的机械技师 莫兹利的带有进刀装置的车床 98 2 工业革命 5 莫兹利的学生们 约瑟夫 克莱梅特克莱梅特开始在布拉马工作 后来转到莫兹利的工厂 在那里当制图主任 不久 自己又独立建立了工厂 1825年开始生产龙门刨床 按照克莱梅特的设计 这种龙门刨床的车身通过齿轮和齿条可以动作 克莱梅特还热心研究了切削螺纹的问题 为了加工出精密的螺纹 他制作了切削外螺纹的板牙和切削内螺纹的丝锥 这样 不使用机床就可以极其容易地加工出螺纹了 99 2 工业革命 理查德 罗伯茨罗伯茨二十岁时在维尔金森工厂干活 学到多种机械技术 以后 他又转到莫兹利的工作 干了两年的车工 装配工 1814年 在曼切斯特自己建立了工厂 1817年 他制作了新型车床 在主轴箱上安装了背轮 在往复台上安装了自动停止装置 此外 他还制作了最早的龙门刨床 现在还保存在南剑盛顿博物馆里 他还制作了各种齿轮 如伞齿轮 平齿轮 蜗轮等 改进了 走锭精纺机 5 莫兹利的学生们 100 2 工业革命 詹姆斯 纳斯密斯纳斯密斯少年时代在其父亲的工厂学到蒸汽机技术 21岁时 进了莫兹利的工厂 提高了自己的技术 1831年 他在爱丁堡建立了工厂 后来迁到曼切斯特 开始生产机床 1836年 纳斯密斯发明了牛头刨床 安装了一个可以手动的飞轮 使滑枕往复运动 装上刀具就可以加工平面了 后来 惠特沃斯进行改造 在滑枕上安装上快退机构 这样 就成了今天牛头刨床的形式 5 莫兹利的学生们 101 2 工业革命 詹姆斯 纳斯密斯蒸汽船莱特 不列颠号需要安装一根直径30英寸 约0 76米 的轮轴 但是 如何一家工厂都接不了这个活 就委托纳斯密斯工厂加工 纳斯密斯立即设计了可以锻造直径30英寸锻件的新式锻造机 而且 制成了以强大的蒸汽作动力的汽锤 1851年 在英国第一届万国博览会展出了纳斯密斯的汽锤 5 莫兹利的学生们 102 2 工业革命 约瑟夫 惠特沃斯1833年惠特沃斯在曼切斯特建立了工厂 专门生产机床出售 当时很多工厂为加工机械零部件而生产机床 唯有惠特沃斯专门生产机床 在1851年的万国博览会展出了23件机床展品 如车床 龙门刨床 牛头刨床 插床 钻床 模锻 剪床 螺母加工机 螺纹加工机 切齿机等 还展出了多种计测仪器 如内量规 外量规 汽缸量规等 1862年 在第二届万国博览会展出的新型机床中 有四分之一的是惠特沃斯公司的 5 莫兹利的学生们 103 2 工业革命 约瑟夫 惠特沃斯惠特沃斯不仅制作机床 同时对精密加工技术也进行了一番研究 并设计了各种工具和测量器具 一 平板我们把精心加工的非常平的平面板叫作平板 提出参照这种标准平板加工精密平面方法的就是惠特沃斯 这种平面板 至今还被用于刮研平面 5 莫兹利的学生们 104 2 工业革命 二 测长机为了精加工出精度合格的制品 则必须准确地测量长度 1834年 惠特沃斯制成了可以准确测量长度的测长机 误差为万分之一英寸 其原理和千分尺相同 转动分度板 用出入螺钉夹住工件 使用游尺读出分度板上的分度 这种方法作为准确测量长度的方法 即使现在也被广泛应用着 5 莫兹利的学生们 105 2 工业革命 三 标准螺纹十九世纪初 英国的机床取得了迅速的发展 但是 不同厂家的机床的螺纹千差万别 如果丢失一个螺纹或者破损的话 十分不方便 同时也影响了机床业的发展 惠特沃斯经过研究 设计出一种螺纹的尺寸和形状 于1841年发表在英国土木学会的杂志上 5 莫兹利的学生们 106 2 工业革命 三 标准螺纹惠特沃斯的建议被英国工业标准制定协会采纳 定为螺纹标准 所有机床制造业者都按其规定制造固定尺寸的螺纹了 因此 更进一步促进了机械技术的发展 旧的日本工业标准 JIS 中 曾有 惠氏螺纹 的叫法 这就是惠特沃斯螺纹的意思 5 莫兹利的学生们 107 2 工业革命 大多数的机械 最初都是用木材制作的 但是 在工业革命的当时 要求机械结实耐用 这样 就开始使用了比木材结实坚固的铁质材料了 当时的钢是通过一种叫作渗碳法的方法制造出来的 就是将铁棒和木炭一起加热 使碳素渗透到铁中 就制成了钢 但是 这种钢碳素渗进的不均匀 不能制成优质钢 随着机床的发展 要求刀具也是高质量的 但是 这种钢只是表面淬了火 不太坚韧 磨了几次之后 内部不硬的地方就裸露出来 起不到刀具的作用了 因此 就要求表面和内部同样结实坚固的钢问世 6 开始了钢铁时代 108 2 工业革命 1704年 钟表匠本明杰 亨茨曼因找不到制作钟表用发条的优质钢而感到十分恼火 他进行研究 终于制成了坩埚钢 这种钢是使用坩埚炼出来的 将熟铁和渗碳钢放在直径为25厘米的坩埚里 然后加进某种助溶剂一起熔炼 加热5 6小时后 流进铸铁制的金属模里 就制成了钢 6 开始了钢铁时代 坩埚炼钢法 109 2 工业革命 坩埚练出来的是优质钢 除了用于制作发条 也用于制作工具和刀具 即使是后来发明了其他炼钢法 但在相当长的一段时间里 仍采用的是坩埚炼钢方法 人们认识到 铁是机械最理想的材料 因此 铁的生产逐渐多起来了 最初使用的是铸铁 后来被钢所代替 特别是铁路的迅速发展 要求铁轨更坚固 铸铁代替了木制的路轨 最后又被钢轨所取代 利物浦到曼切斯特之间的钢轨是最早使用钢材的钢轨 6 开始了钢铁时代 坩埚炼钢法 110 2 工业革命 1854年 法国的贝西默发明了新式旋转炮弹 但是 需要制造出新型而结实的大炮 1855年 贝西默的炼钢法获得的专利 其方法是 将空气吹进熔化了的生铁里 空气里的氧气使生铁里的锰 硅 碳燃烧 作为炉渣可以从生铁里排出 同时 因燃烧发热可以使钢保持熔化状态 原来的炼钢炉是固定型的 1859年贝西默改进为手动式转炉 10分钟可以将10 15吨的生铁炼成钢 而以前需要几个月的时间 6 开始了钢铁时代 钢的大量生产 111 2 工业革命 这种酸性转炉钢坚固 韧性好 价格比以前大幅下降 逐渐广泛应用 1868年铺设了酸性转炉钢制钢轨 寿命长 效果好 由于可以大量生产优质钢 所以 机床大都钢铁制造了 因此 机床变得坚固了 精度也提高了 另外 由于制作出了这种超群的机床 相反地 又促进了钢的改进 两者相辅相成 机械技术得到了进一步地发展和提高 6 开始了钢铁时代 钢的大量生产 112 3 动力的发展与进步 进行了工业革命 生产变得大规模化了 大量的商品堆积 需要尽快 顺利地运到远方 也就是说 如何搬运成了一个重大的问题 1 蒸汽机车的完成 人力搬运 在古时候 一切东西都是用手搬或肩扛搬运的 这种方法不能运送较大型或较重的东西 另外 运输距离也受到了一定的限制 为了方便发明了车 给搬运工作带来了很大的变化 公元前4000年左右 开始使用圆轮的车 到了公元前2000年左右开始使用带有辐条的车轮 而且用动物来拉 113 3 动力