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第16章 应用科学之谜(1)

电冰箱的发明

1561年,英国的哲学家弗朗西斯·培根在一个偶然的机会里发现,鸡肉埋在冰雪里不会腐烂,他觉得这种现象很值得做进一步研究,很有实用价值。于是,他便怀着浓厚的兴趣,开始对冰的作用进行探索。

1626年,一个半埋在地下的冰库被培根建好,他购买了大量的天然冰块贮藏在那里,出入冰库观察冰冻的情况和鸡肉的变化成了培根每天都要进行的工作。在没有仪器和缺乏防护设备的工作中,培根历尽艰难困苦,十分劳累。不幸的是他因为着凉转为肺炎,不治而终,离开了人间。

18世纪,欧洲的工业革命爆发了。人口过度地集中于大城市,这使得粮食和食品供应方面发生了很大困难,主要的问题是食品因存放时间过长和气温过高而变质。这些食物如何完善贮存,成为了当时一个亟待解决的问题。

直到1873年,世界上第一部冷冻机才由德国化学家林德制成了。它是利用液态氨的工作原理来进行制造的。当液态的氯从一小孔中喷出后,立即开始蒸发,大量的热在这个过程中被夺取,这样机械内部的温度也随之大幅度降低,从而完成了制冷工作。

1920年,冷冻机启发了美国工程师科普兰。他用氟利昂首创了小型的家用电冰箱。可是氟利昂有负面影响,它会破坏大气中的臭氧层,所以必须在严密的系统中循环,不能有一点渗漏,来不得半点马虎!这很让科学家和用户伤脑筋。

氟利昂对环保的负面作用引起世界各国政府的高度重视。1987年9月,全世界有30多个国家在加拿大蒙特利尔签署了议定书,其内容就是控制氟利昂的使用量。科学家们正在研制氟利昂的代用品,现在商店里就能买到无氟的冰箱。

这是科学家潜心研究的结果。

随着科学技术的发展,冰箱的品种也越来越丰富,功能越来越齐全,更加经济环保的冰箱定会受更多人的欢迎。

利用海水灌溉农作物

由于海水的含盐量高,淡化费用极其昂贵,在农业灌溉中极少利用。经过科学家们的多年苦心研究,一些国家在利用海水灌溉农作物方面已取得了一些进展。

一直以来,人们都用淡水灌溉白菜、甜菜等作物,后来,意大利的专家想能不能用海水来代替淡水灌溉呢?结果发现有的作物的长势用海水比用淡水灌溉更好,并且甜菜的含糖量增加。另外一个例子是,日本用海水灌溉苜蓿,产量也大大增加了。

进行了10多年野外考察研究的美国亚利桑那大学的科研人员选取出一种名叫斯欧斯的品种,这是从1000多种靠海水灌溉的沿海野生植物中挑选出来的。这种植物生长快,经海水长期浸泡的根系极为发达,又经得起海浪冲击。该植物不可直接食用,但其果实可加工成类似麦片的主食。在墨西哥和阿联酋,美国科学家正对它进行大面积的种植研究,并考虑进一步推广。

海水灌溉为什么能使作物长势良好?这是因为海水中含有的化学元素种类较多,且含量较高,淡水中所含物质元素比起海水来,显然是少得可怜。海水中含有的植物生长所必需的氮、磷、钾等元素显然比淡水丰富。另外,海水中还含有淡水中缺乏但植物需要的其他元素。科学家测定出海水中含有80多种元素。海水中的浮游生物及动物尸体和排泄物还可转化为有机肥料。所以,农田在经过海水灌溉后,农作物的生长更加好。

随着研究的不断深化和发展,我们相信科学家们定能找出利用海水灌溉农作物的更好方法,从而有效缓解水资源紧缺问题,为人类造福。

人造丝的发明

养蚕织布在中国已有4600多年的历史。相传是由黄帝的妃子嫘祖发明的。

有一次,嫘祖在野外游玩,一株桑树上的蚕吸引了她,她就在旁边仔细观察,发现那只蚕用吐出来的丝将自己缠起来,结成了一个白色的茧。嫘祖发现蚕茧又滑又软,就萌发了用蚕茧抽丝织布的念头。于是,她在家里植桑养蚕,渐渐地越养越多,然后让蚕吐丝结茧。开始时,她因经常弄断茧丝而抽不出好丝,试验了几次后发现用热水烫过再抽更理想。嫘祖抽出好的蚕丝,又将丝纺成丝线,织成绸布,做成了轻盈柔软的衣服。

后来,养蚕织布渐渐地从宫廷传到了民间,古代中国的丝绸业有了很大发展。汉武帝时,开辟了通往西方的“丝绸之路”,将丝绸传到了中西亚和印度等地。可是,随着社会的发展,人们的穿着要求越来越高,于是科学家们想发明一种能替代蚕丝的人造丝。

法国的生物学家夏尔多内解决了这一问题。桑叶的主要成分是纤维素,既然蚕吃了桑叶后能吐出丝来,那么,以纤维素作为原料应该有制造出“人造丝”的可能。经过研究,他发现酒精和乙醚的混合液,可以溶解纤维素,变成黏稠的液体。于是,他用特制的机器代替吐丝的蚕,从一个只有0.1毫米的细孔中挤出这种液体,抽拉成丝,干燥后便成了人造丝。

屈伸自如的混凝土

1988年2月,一个高级水泥材料研究中心在美国伊利诺伊州西北大学成立了。研究新型耐扭折的水泥是这个研究中心的一项重要任务。有一天研究员沙阿外出办事时遇到了可怕的大风,狂风肆虐中,唯有柳树顺风弯曲着,躲过了被折断的厄运。沙阿想顺风弯腰树木能不被折断,那为什么不能制造出能屈能弯的混凝土呢?同事们都很支持沙阿这个看似很荒唐的想法,他们正式开始了这项研究“宁弯不折”的混凝土的工作。

混凝土只有硬度而缺乏韧性,因为表面上看起来完好的混凝土,其内部到处是小孔洞。仔细观察后,沙阿提出了一个治疗这种小孔洞的解决方法,即在水泥中加入10%至15%的聚丙烯纤维以及铁粉、玻璃粉,然后充分搅拌,然后将这些纤维和混凝土从一个漏斗形的装置中挤过去,这样小孔洞便基本上消除了。接着,再将混入纤维的混凝土放在真空室内抽出残余气体,并再次加压,从而更彻底地消除混凝土的小孔洞。

实验证明,按这两位科学家的设计方案研制成的混凝土样品能像蛇爬行一样,能屈能伸,不再是从前那种“宁折不弯”的倔强性格。科学家鉴定出这种新型混凝土的抗弯性能是普通混凝土的100倍,而且强度也提高了4倍。例如,用这种新方法制成的混凝土板仅需2.54厘米厚,就相当于30厘米厚的普通混凝土板的强度。这种能屈能伸的混凝土的强度和弯曲性能非常高,主要是因为在混凝土中加入了纤维。这些纤维可以防止混凝土的裂缝扩大。即使是已出现了裂缝,也能经过牵拉而将之弥合在一起,从而提高了强度。

目前,用能屈伸的混凝土制作楼房的预制板可大大减轻重量,并能抗御地震。随着这种混凝土性能的不断改进,它将拥有越来越广泛的发展前景,应用也必将越来越广。

免耕法与沙尘暴的关联

美国政府大力提倡免耕法,那里的玉米栽培已有一半面积采用了这种方法。

而在加拿大,法律明文规定废除铧式犁,以保证免耕法的实施。日本、伊朗、菲律宾等国家,他们普遍采用的推广免耕法的方法是用立法的形式来树立其权威性。这一切都是从沙尘暴和水土流失中吸取了教训后的觉悟。

1934年,一场席卷大片国土的沙尘暴出现在美国西部,其他不说,单单卷入大海的土壤就有500万吨。这场灾难,使美国人大为震惊,也使全世界的人们为之瞠目:我们陆地能经受得住多少次这样的折腾呢?

人们不会忘记,美国的西部是移民开发的。整个19世纪至20世纪初期,欧洲有大量的移民络绎不绝地进入美国西部,肥沃的土地成为移民们的天堂。但是经历了1934年的沙尘暴之后,一些农业研究部门和生产者认识到这种多次反复用机械耕作的方式,其实是弊多利少。

原始的农业耕作方式又被有些人重新提了出来:播种时只是在前一茬作物的耕地上,挖一个穴,或开一条窄窄的沟,将种子撒下去,至于前一茬作物留在地里的死株碎片,则不去翻动它。这样的耕种方法,既可以避免杂草泛滥,143同时照样可以出新苗长庄稼,化肥和农药的使用率也降低了。最大的好处是:

耕地的表层由于翻动少,受到的破坏也就少,从而能减少或避免水土流失。有些坡度的耕地采用这种方法更有必要,它的意义在于不仅避免了水土流失,还能增进土壤的团粒结构,促进土壤中微生物的活动。这样,土壤中水分的渗透和贮存就更好了。

在对这种原始农业的耕作方法进行分析之后,美国一位名叫哈利·杨的农业生产者,从中得到启示。为了在实践中证实自己的想法,20世纪60年代初期,哈利·杨在自己的4.25亩土地上开始了实验。他用的方法就是开沟直播的耕作方法,不翻耕土地。实践证明,这一耕作方法获得了成功,并且由此被赋予了一个专业的农业耕作名称:免耕法。

长颈鹿的“控压装置”启示

我们都知道,飞行员在驾驶战机加速爬升时,人体血液的流速会在惯性作用下慢于人体的运动速度,这时血液就会积聚在人体下部,从而造成大脑特别是视网膜供血不足,眼前霎时会出现一片漆黑,严重时会引起短暂的晕厥,直接影响作战和飞行安全。

为此科学家在飞行服中增加了一种裤形装置,这种装置是在腹部、大腿、小腿的地方安装了几个相通的气囊。飞机上的增压气源在飞机进行剧烈变化的机动飞行时,可通过抗荷调压器按人体的需要自动调节气压,使气囊因迅速充气而膨胀,压迫飞行员的腹部和下肢,抵抗内脏器官的移位和血液的惯性下涌,使迅速下涌的血液返回心脏,从而克服了飞行中的“黑视”(中心视力丧失)和晕厥现象。

设计师们如何能想出如此独特的设计,那得从长颈鹿说起。长颈鹿在落差高达五六米的空间里上下晃动脑袋,却没有头昏目眩的感觉,而是成功地克服了这一生存障碍。

长颈鹿如何做到这一点的呢?原来,长颈鹿的身上有双重“控压装置”。

长颈鹿的大脑下部有一团伸缩性很强的网状小动脉,当血液进出这个特殊的“阀门”时,细细的动脉小血管会迅速扩张,血液的流速和增加量会因这个迅速扩张的网状体的阻滞作用而降低。因此,即使在长颈鹿猛低头时,也不会有过量的血液涌入大脑;当这一作用相反时,即在长颈鹿猛抬头时,大脑也不会出现供血不足。同时,长颈鹿身上裹着一层紧箍着血管的坚硬的外皮,这层外皮既可以抵御敌害,又能保持血管内外层平衡,控制血压。

长颈鹿的护身绝招启发了生物学家和飞机设计师,他们仿照长颈鹿用坚硬外皮控制血压的原理,发明了此种抗荷服(飞行服)。

福特和他的汽车

福特汽车公司历史悠久,早在20世纪初便成了世界上最大的汽车公司之一,并被誉为“汽车大王”。而它的创始人亨利·福特更是一位具有传奇色彩的人物,是他使福特公司从无到有、从小到大的。

1863年,亨利·福特出生在密歇根州一个自耕农家庭,他生性喜爱摆弄各种机器设备,甚至在他还是个小孩子的时候,就能把一只表拆开再装好。不久他除了修理自己家里的钟表外,还替所有邻居家修理钟表。他家的一个朋友说:

“福特家的每一个钟看见亨利走过来就哆嗦!”由于对机器的喜好,亨利渐渐对农家生活产生了不满。

长大后,福特来到了底特律,并很快成了该市电力公司的总工程师。此后,他开始忙于设计一种靠本身的动力运行并能载人的惊人的新机器,他把这种机器叫做“不用马的马车”,这也就是现在汽车的雏形。

1893年4月,这辆“马车”终于完成,福特试着第一次把它开动,虽然它还不够完善,但它终究运转起来了,这才是最重要的。福特相信所有困难将来总有一天会被克服的。这时别的发明家都正在钻研用电力、蒸汽或其他方法作动力,制造一种实用的汽车,但福特继续以汽油发动的引擎进行实验。

1903年,福特终于制成了一辆汽车,车身轻便,挨近地面,而且运转快速,足以和其他汽车进行竞赛。他按照一种有名的特别快车的名字,把自己的汽车命名为“999”。他驾驶“999”参加了一次近5千米竞赛,并获得优胜。

其速度的纪录也随之驰名全球。竞赛过后的一个星期,福特顺利地创建了福特公司。从那以后他的事业飞速发展,仅在福特公司成立4年之际,其资产总值就超过了百万美元。

1908年,福特公司推出了一种简单经济的T型车,福特T型车开始大规模生产,占领了大量的汽车市场。但是起初汽车生产却非常缓慢,生产一辆汽车需要半天时间,因为进行组装时,所有的零件必须运到一个固定地点。1913年,福特改进了汽车组装程序,发明了生产流水线,他让汽车在工人之间移动,这样就节省了时间,同时也增加了利润,这就是世界上第一条流水线。

实行流水线生产后,一辆汽车的生产过程只需要93分钟。此后,福特汽车被源源不断地生产出来,被运到世界各地。工作方式的重大变化使工业家们对福特的创意充满了敬意。当1927年T型车系列结束时,福特公司已经生产了1500多万辆廉价小汽车,缔造了一个前所未有的世界纪录。这在当时不能不说是一个奇迹,而这个奇迹正是在亨利·福特的领导下创造的,他也因此被尊为“为世界装上轮子”的人。

流水线的发明使用不仅改变了汽车的生产,改变了城市交通业,而且也改变了工业生产流程,其意义无法估量。

机器人问世

机器人的问世,堪称20世纪人类最重要的一项科技成果,它的作用,最初是代替人去从事某项尖端的或危险的工作,后来,它的用途又慢慢扩展到其他领域。

机器人是一件能感受外部世界的物体,它能对外部信息进行处理,然后迅速做出反应。

然而,机器人的历史足迹却并不顺利,设想、制造、试验和改良,几十年的风风雨雨之后,机器人终于迎来了自己的春天,领导这一潮流的正是美国机器人公司执行总裁罗德尼·布鲁克斯。

罗德尼·布鲁克斯从8岁起就想造机器人,这项工作几乎成了他生命的全部,也让他的生命充满了激情。

罗德尼的作品是具备人工智能的机器人“库格”。库格的大脑装有相当于16台电脑运算能力的微处理器,它开始认识周围的世界了,有时它也喜欢吃手指。库格可以伸出手臂做各种动作,也能觉察到旁边是不是有人,但它的认知还显不足,就像个从父母的表情、反应来获取线索的婴儿。罗德尼的机器人娃娃虽然分不出谁是玩伴,但对别人的关注反应灵敏。伴随着成长它能学会表达,还有一整套你意想不到的反应。它对玩游戏很在行,也会了解孩子的意图,它会想尽各种方法把游戏变得更生动有趣。

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