船類推動工具的歷史變革:最原始的發動機有哪些?

農耕時代船類的推動方式都有哪些呢?我國是“舟”的故鄉,也是槳的故鄉。在1萬多年以前的河姆渡文化的新石器時代,與獨木舟出現同時,槳也應運而生,並且迅速成型。當時的槳與今天的槳差別很大:握杆比較短,槳板又窄又長。經專家考證是因為當時人們的划槳方式與今天相比有很大差別,那時的人們是一手握著握杆,一手把著槳板來划船的。不過,那時的槳已經做得很規整,很美觀,而且還帶有漂亮的雕花圖案。相比之下,中東地區、西歐地區和美洲大陸的先民的槳,做工就比較粗糙了。

船類推動工具的歷史變革:最原始的發動機有哪些?


到了春秋戰國、秦漢兩朝,隨著海軍的雛形“舟師”的發展,以及皇帝們為尋長生不老藥而多次發動的“東渡”活動,促進了槳的發展。槳逐漸趨於大型化,握杆變長,槳板縮短變薄,用起來更加方便更加有力,加快了水上航行的速度。晉朝以後,槳在外型上已經基本定型,只是體積和表面積仍舊在不斷加大,用槳的規模也逐漸變大,由原來的一舟二槳,發展為“一舟(此時的舟體積已經比較龐大了)槳疊層”,就是用上下兩排槳。因為手工划槳已經非常不便,所以當時的船上已經出現了精密的簡介控制槳划動的機器。現在我們已經不再使用大型的木船了,與此同時,槳也逐漸退出我們的視野。現在槳主要流行在各種遊船上,帶給遊客以一種古典別緻的韻味;此外奧運會上還保留的獨木舟比賽。不過比賽用的槳是經過精心設計的,用材、比例等均與我們在遊船上見到的仿古槳有很大區別。

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櫓是船舶的一種推進工具,它是在舵槳的基礎上發展演變而來的。舵槳加長後操作方式從“劃”演變為魚尾式的“搖”,就產生了中國特有的“櫓”。櫓的發明是中國對世界造船技術的重大貢獻之一。櫓在中國起源的具體時間尚難確定,它最早出現的年代目前尚不可考,傳說魯班看見魚兒在水中揮尾前進,遂削木為櫓。從中國古籍記載來考證,櫓最早出現的年代至晚產生於漢代。據東漢劉熙《釋名》一書,對櫓字已作了解釋,認為它產生的力沿著船脊方向。

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櫓的外形有點像槳,但是比較大,一般支在船尾或船側的櫓簷上,入水一端的剖面呈弓形,另一端則系在船上。用手搖動櫓簷繩,使伸入水中的櫓板左右擺動。櫓擺動時,船跟水接觸的前後部分會產生壓力差,形成推力,推動船隻前進,就像魚兒擺尾前進。古人有“一櫓三槳”的說法,認為櫓的效率可以達到槳的三倍,因為從槳到櫓的變化,事實上就是從間歇划水變成連續划水,提高了效率。櫓這種推進工具要比劃槳優越,它是一種連續性的推進工具,而且具有操縱船舶迴轉的功能。英國有專家認為,螺旋槳的發明是受到了櫓的啟發,歐洲人看到中國人使用櫓後受到啟發,發明了螺旋槳。英國專家的說法是有道理的,螺旋槳不間歇作旋轉運動的葉片,與在水中滑動的櫓板十分相似。

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帆船是指利用風力前進的船。帆船運動是依靠自然風力作用於帆上,由人駕駛船隻行駛的一項水上運動。帆船起源於歐洲地區,其歷史可以追溯到遠古時代。帆船是人類向大自然作鬥爭的一個見證,帆船歷史同人類文明史一樣悠久。 帆船作為一種比賽項目,最早的文字記載見於1900多年以前古羅馬詩人味吉爾的作品中。到了13世紀,威尼斯開始定期舉行帆船比賽,當時比賽船隻沒有統一的規格和級別。 帆船運動起源於荷蘭。古代的荷蘭,地勢很低,所以開鑿了很多運河,人們普遍使用小帆船運輸或捕魚。一般人對於帆船往往認為是被風推著跑的。其實風的動力以兩種形式作用於帆,帆船的最大動力來源是所謂的“伯努利效應”。

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我們知道,當空氣流動得快的時候,在正面擋住它的物體就會受到空氣的衝擊,這種衝擊產生的壓力我們稱為動壓力。當帆船如圖1所示順風行駛時,就是空氣對帆的動壓力推動帆船前進的。由“流速增加,壓強降低”的伯努利原理知道,當空氣向一個方向流動時,它向側面作用的力就要相對減小。也就是說氣體流動速度越大的地方,動壓力壓強越大,而靜壓力壓強越小。流速愈小的地方,動壓力壓強愈小而靜壓力壓強愈大。這樣氣體流速小的地方對流速大的地方就會產生一個側向的壓力,這個力稱為靜壓力。當迎風駛帆時,船正是在風的靜壓力推動下前進的。

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槳、櫓、帆等船的驅動方式都主要依靠人力驅動,發生在農耕時代,總體上看這些方式不斷在進步,效率也是不斷在提高,但仍比較依賴人力,無法解放人力。在農耕時代與下一個時代中間有一個時期可以說是船舶動力發扎按的過渡時期,這種船舶推進方式叫做明輪,也叫做明輪推進器。明輪,又稱明輪推進器,是船舶的一種推進工具,利用明輪轉動,葉片撥水來推進船舶。明輪推進器比槳、櫓等推進工具前進一步,但是,它結構笨重、效率低,特別是遇到風浪中,所以,明輪推進器後來被螺旋槳所代替。

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我國古代用人力運轉的明輪船稱為“車船”“輪船”。它是一種船用局部入水的推進器,裝在船的兩側或尾部,形狀類似車輪,在輪軸上裝若干槳板,撥水向後使船前進。因輪之大部分在水面以上,故稱“明輪”。19世紀,西方國家廣泛使用明輪。由於蒸汽機船上裝有明輪,故稱為輪船。明輪葉片部分或全部露出水面,使船舶不能穩定航行。而且,明輪的葉片使用時易損壞。明輪船是指在船的兩側按有輪子的一種船,由於輪子的一部分露在水面上邊,因此被稱為明輪船。一般有兩張種推進方式,一種是原始的以人力踩踏木輪推進,一種是現代的以蒸汽機和螺旋漿推進。

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詹姆斯·馮·佈雷達·瓦特,英國皇家學會院士,愛丁堡皇家學會院士,是蘇格蘭著名的發明家和機械工程師。他改良了紐科門蒸汽機,奠定了工業革命的重要基礎,是工業革命時的重要人物。 他發展出馬力的概念以及以他名字命名的功率的國際標準單位——瓦特。真正解決船用蒸汽機的是詹姆斯·瓦特。他在1765年發明了雙缸蒸汽機。1768年他與英國伯明翰輪機廠的老闆馬修·博爾頓合作,專門研製了一臺用於船舶推進的特殊用途的蒸汽機,這就是世界上早期蒸汽機船上普遍使用的博爾頓--瓦特發動機,船舶用上了蒸汽機,出現了蒸汽機輪船,。從而完成了船舶動力的第三次革命。船舶用蒸汽機作動力,使人類有可能建造越來越大的船,運載更多的貨物。

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蒸汽機是一個能夠將水蒸汽中的動能轉換為功的熱機,由於其中的燃燒過程在熱機外部進行,屬於熱機中的外燃機。泵、火車頭和輪船曾使用蒸汽機驅動。蒸汽機在工業革命中起了基本的作用。它為其他機械提供動力 ,還有它的操作不受地理位置及天氣情況影響。 今天的核能發電及火力發電仍使用蒸汽渦輪發動機來將熱能轉換為電能。

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蒸汽機需要一個使水沸騰產生高壓蒸汽的鍋爐,這個鍋爐可以使用木頭、煤、石油或天然氣甚至垃圾作為熱源。蒸汽膨脹推動活塞做功。世界上第一臺蒸汽機是由古希臘數學家亞歷山大港的希羅於1世紀發明的汽轉球,它比工業革命早了二千年,但它只不過是個雛形而已。 約1679年法國物理學家丹尼斯·巴本在觀察蒸汽冒出他的高壓鍋後製造了第一臺蒸汽機的工作 。於此同時薩繆爾·莫蘭也提出了蒸汽機的主意。1698年托馬斯·塞維利、1712年托馬斯·紐科門和1769年詹姆斯·瓦特改良出早期的工業蒸汽機,他們對蒸汽機的發展都做出了自己的貢獻[7]。1807年羅伯特·富爾頓第一個成功地用蒸汽機來驅動輪船。

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世界上第一艘蒸汽機輪船是由美國發明家富爾頓製造的。他在1802年春天,在法國建造第一艘蒸汽機輪船,停泊在塞納河上,一場風暴就把它折斷。富爾頓沒有因此止步,他又重建了一艘蒸汽機輪船,命名為“克萊蒙特”號,船長45.72米,寬9.14米,船上裝有蒸汽機。1807年,“克萊蒙特”號在美國哈德遜河上試航,獲得成功,它以每小時6.4公里速度,航行91.4公里。從此,美國哈德遜河上開闢定期航班,標誌了蒸汽機輪船正式投入使用。

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"黃鵠"號蒸汽輪船是我國自己設計建造的第一艘蒸汽機明輪船。造價白銀八千兩。1865年在安慶 內軍械所由徐壽,華蘅芳設計建造的我國第一艘蒸汽機輪船 " 黃鵠"號蒸汽輪船船長17米,航速6節。自重25噸。1840年,西方的“堅船利炮”打開了中國閉關的國門。一批有識之士提出“師夷長技以制夷”的口號,掀起了一場救國圖強的洋務運動。1865年4月,由徐壽、華蘅芳等人設計、自己製造的第一艘機動輪船"黃鵠號"在下關江面試航成功。徐壽等人根據小火輪船試製的經驗,大輪船採用明輪推進,並改低壓蒸汽機為高壓蒸汽機。該船試航於揚子江,在不到14小時內逆流行駛了225裡,時速約16裡;而返回時順流僅用了8小時,時速約28裡。當曾國藩長子曾紀澤去北方省父時,這艘輪船將他的坐船託至高郵,他對輪船的性能甚為滿意,遂將輪船命名為“黃鵠”號。“黃鵠”號是中國人自行研製,並以手工勞動為主建造成功的中國第一艘機動輪船,它的建造揭開了中國近代船舶工業發展的帷幕。

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由於蒸汽機體積大、功率小、效率低,所以,蒸汽機輪船也逐步被淘汰。現代艦船的常用的動力裝置是內燃機和汽輪機。進入電器時代後,船艦的驅動方式也由蒸汽驅動改進為電力驅動,效率更高,更為方便。高科技的時代,我們會繼續探索高科技的動力機械,讓我們的生活越來越便捷!

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