科学研究从工程问题中汲取养分——跟蒸汽机相关的科学研究

刘亚俊 李茂青 万仁全 彭泽林

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

在人类社会发展过程中，科学研究、技术及工程是人类活动的重要内容，对于三者的关系存在着众多的不同观点，近来有人提出科学—技术—工程“三元论”的观点［1］，也有学者主张科学研究与工程并立，互相促进，互为因果的意见［2］，著名科学家钱学森则认为技术与科学之间没有本质的区别，并主张把中文的“技术科学”翻译为英文的“Engineering science”［3］．对于技术不同于工程和科学的观点已得到大多数人的认同，可科学研究与工程问题之间的关系却存在混乱的看法．实际上，在现代科学研究和技术发展历程中，科学研究往往是从工程问题中汲取养分的．本文简要介绍跟蒸汽机有关的工程问题及相关的科学研究，从蒸汽机设计与制造的改进到蒸汽机能效分析热力学理论的提出；从瓦特的蒸汽机调速器到稳定性理论的建立；多普勒效应及其实验验证，探讨其发展历程中产生的科学研究及工程问题的相互关系，希望能给读者一些启迪和思考．

1 蒸汽机设计与制造的改进到蒸汽机能效分析热力学理论

人们很早就发现做功能使物体发热，但很晚才明白：让一个热的物体冷下来可以用来做功．

一般人们相信，古希腊亚历山大城的希罗（Hero of Alexandria）在公元前后150年之间发明了第一部蒸汽机．

直到1689年，英国的煤矿老板托马斯·萨弗里（Thomas Savery）发明蒸气驱动的泵［4］．利用蒸气排水，使蒸气通入密闭容器，然后在容器上喷冷水，使其中的蒸气冷凝，从而产生真空．他利用这种真空从矿井抽水，又利用锅炉蒸气将容器中的水排空．这个循环过程反复进行．托马斯·萨弗里的设备被称为“矿工之友”．

图1 托马斯·萨弗里发明的蒸气驱动的泵

1712年，汤玛斯·纽科门（Thomas Newcomen）发明了用蒸气推动圆筒内活塞的引擎［5］．

1763年，詹姆斯·瓦特（James Watt）发明蒸汽机冷凝器［6］，大大提升了引擎的效率，降低了燃料的消耗，这标志了蒸气引擎时代的真正开始．

图2 汤玛斯·纽科门发明的蒸气引擎的矿井抽水

图3 詹姆斯·瓦特改良后的蒸汽机

然而，蒸汽机的设计和制造是一门技艺，没有什么量化的科学基础．1824年法国人萨迪·卡诺（Sadi Carnot）发表了一篇论文《论热的动力以及用此动力的机器》，提出了著名的“卡诺”循环［7］，指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限，从而奠定了蒸汽机的热力学理论基础．之后科学家们根据卡诺循环，相继提出了热力学温标、热力学第二定律等理论，正式形成了热现象的宏观理论热力学．同时，也形成了“工程热力学”这门技术科学，它成为研究热机工作原理的理论基础，使内燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气推进机等研究相继取得迅速进展．

图4 著名的“卡诺”循环简图

1825年乔治·史蒂文森（George Stephenson）在英格兰开办了第一条蒸汽火车客运铁路［7］．

图5 乔治·史蒂文森发明的蒸汽机车

2 从瓦特的蒸汽机调速器到稳定性理论

1788年，詹姆斯·瓦特发明了蒸汽机飞球离心调速器［8］．这种调速器的构造是利用蒸汽机带动一根竖直的轴转动，这根轴的顶端有两根铰接的等长细杆，细杆另一端各有一个金属球．当蒸汽机转动过快时，竖轴也转动加快，两个金属小球在离心力作用下，由于转动快而升高，这时通过与小球连接的连杆便将蒸气阀门关小，从而蒸汽机的转速也便可以降低．反之，若蒸汽机的转速过慢，则竖轴转动慢了，小球的位置也便下降，这时连杆便将阀门开大，从而使蒸汽机转速加快．离心调速器是一个基于力学原理的发明，它是蒸汽机所以能普及应用的关键，也是人类自动调节与自动控制的开始．由于人们能够自由地控制蒸汽机的速度，才使蒸汽机应用于纺织、火车、轮船、机械加工等行业，才使人类大量使用自然原动力成为可能，这才有产业革命的第二阶段．

图6 詹姆斯·瓦特发明的飞球离心调速器

人们曾经试图改善调速器的准确性，却常常导致系统产生振荡．实践中出现的问题，促使科学家们从理论上进行探索研究，蒸汽机转速的不稳定问题引起了许多科学家的注意．

1868年，建立了电磁波理论的英国物理学家麦克斯韦（J．C．Maxwell），把蒸汽机的调速过程变成了一个线性微分方程的问题．最后他指出，如果对应的微分方程特征值在复平面的左半平面，系统就是稳定的；反之，如果对应的微分方程特征值在复平面的右半平面，系统就是不稳定的，蒸汽机的转速就会产生波动［9］．

1877年，麦克斯韦的学生劳斯（E．Routh）找到了根据微分方程的系数判别系统稳定性的方法，这就是自动控制理论中有名的劳斯判据［10］．

1876年，俄国的维斯聂格拉斯基（J．A．Vyschnegradsky）他是专门搞实际研究的，结合实际的蒸汽机研制，解决了如何选择参数才能使其转速稳定的问题［11］．

李雅普诺夫（A．M．Lyapunov）是常微分方程运动稳定性理论的创始人，他1884年完成了《论一个旋转液体平衡之椭球面形状的稳定性》一文，1888年，他发表了《关于具有有限个自由度的力学系统的稳定性》．特别是他1892年的博士论文《运动稳定性的一般问题》是经典名著［12］，在其中开创性地提出求解非线性常微分方程的李雅普诺夫函数法，亦称直接法，它把解的稳定性与否同具有特殊性质的函数（现称为李雅普诺夫函数）的存在性联系起来，这个函数沿着轨线关于时间的导数具有某些确定的性质．正是由于这个方法的明显的几何直观和简明的分析技巧，所以易于为实际和理论工作者所掌握，从而奠定了常微分方程稳定性理论的基础，也是常微分方程稳定性理论的重要手段．

图7 李雅普诺夫稳定性的平面几何表示

1895年，德国的霍尔维茨（A．Hurwitz）在解决瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机的一个调速系统的设计时，就使用了稳定性理论来设计［13］．他同时也独立地提出了霍尔维茨判据，霍尔维茨当时是苏黎世工业大学的数学教授，也做过爱因斯坦的数学老师．

由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年美国物理学家奈奎斯特（H．Nyquist）提出了频域内研究系统的频率响应法［14］，建立了以频率特性为基础的稳定性判据，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具．

随后，伯德（H．W．Bode）和尼科尔斯（N．B．Nichols）在20世纪30年代末和40年代初进一步将频率响应法加以发展，形成了经典控制理论的频域分析法［13］．建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的轨迹法基础上的理论，称为经典控制理论，为工程技术人员提供了一个设计反馈控制系统的有效工具．

瓦特发明的蒸汽机飞球离心调速器最初的目的是为了自由地控制蒸汽机的速度，这引出了人类自动调节与自动控制科学研究的开始，而稳定性的研究是自动控制理论的基本问题，运动稳定性理论的建立也为其他领域的科学研究提供了一套思想和技术．

3 多普勒效应及其实验验证

1842年5月25日，在布拉格举行的皇家波希米亚学会科学分会会议上，德国物理学家多普勒（Christian Johann Doppler）提交了一篇题为“On the Colored Light of Double Stars”（论天体中双星和其他一些星体的彩色光）的论文［14］．在这篇论文中，他提出了由于波源或观察者的运动而出现观测频率与波源频率不同的现象，后来称之为多普勒效应，称这一原理为多普勒原理．对多普勒效应最早的实验验证是在荷兰进行的．1845年，当时的荷兰皇家气象学院院长布依斯·巴洛特（Buys Balot）在乌得勒支铁路上进行了实验，让机车牵引一节平板车厢，上边坐上一队小号手奏乐，当机车快速驶来驶去时，由一些训练有素的音乐家用自己的耳朵判断音调的变化，然后音乐家与号手对调位置，重新实验．

实验进行了两天，观测到了管乐器音调的明显变化，验证了应用于声学时多普勒原理的正确性．

设声源S，移动速度vS，观察者L，移动速度为vL，在静止介质中沿同一直线运动，声源发出声波在介质中传播速度为v，且vS小于v，vL小于v．声源发射频率为f，波长为λ的声波，观察者接收的声波频率f′为

图8 多普勒效应

若观测者接近声源，则vL前方运算符号为＋号，反之则为－号；若声源接近观察者，则vS前方运算符号为－号，反之则为＋号．

19世纪火车速度为30km／h，声速为340m／s，根据多普勒效应，人站着不动，火车驶过来时人耳接收到的频率为

而现代社会，我们的高铁速度达到了300km／h，同理，根据多普勒效应，我们人站着不动，高铁向我们驶过来时人耳接收到的频率：

我们可以看出，当时的火车速度远不及今天快，因而验证的效果不会特别显著！多普勒效应的提出来源于生活中的问题，而现在，这个原理衍生出的研究方法在卫星定位、医学诊断、气象探测等许多科学领域有着广泛的应用．

4 几点思考

在《现代自然科学技术概论》［15］中列举了科学的5种定义．第一种把科学定义为过程，第二、三种定义为目的（成果），第四种定义为手段，第五种则定义为三者的总和．对于科学研究的定义，我们更主张科学的第五定义，即科学研究是利用某种手段完成对知识体系的建立，是认知活动取得的成果．

工程是以促进人类发展为目的的有组织地改造世界的活动，工程问题即是改造世界、追求质的提高的过程中所涉及到的实际问题，具有高度的技术复杂性、社会复杂性及过程复杂性等特征．

科学研究更多的是认识世界，工程问题则是在改造世界过程中遇到的，工程问题引出科学研究，两者除了这种关系外，同时具有相互依赖，相互促进的关系：

1）工程问题引出科学研究

以上所举的三个例子均为科学研究从工程问题中汲取养分的成功典范，蒸汽机的设计过程中引起了热力学理论的研究，需要指出的是热力学的形成与当时的生产实践迫切要求寻找合理的大型、高效热机有关．与此同时，在热力学理论研究过程中，找到了反映物质各种性质的相应热力学函数，研究了物质在相变、化学反应和溶液特性方面所遵循的各种规律；调速器的出现引起了系统稳定性领域的研究；生活中的现象造就了多普勒效应的提出．是工程中的问题让人们不断地寻找和建立起新的科学研究领域．

2）相互依赖、相互促进

科学研究和工程问题的存在都是以对方存在为前提，两者相互依赖．科学研究强调分析，工程问题则体现着综合性，一方面，工程问题往往能开拓一个全新的科学研究领域，另一方面，科学研究的成果为相关的工程问题提供更科学的指导方法，让其得到更好的解决．与此同时，这使得工程和科学研究相互促进，最终加快了生产力发展．实际上，除了与蒸汽机的相关科学研究外，在许多研究领域中，科学研究往往是与改造过程的工程问题紧密结合、相互促进的．

［1］ 李伯聪．工程哲学引论［M］．郑州：大象出版社，2002．

［2］ 张维．《物理与工程》创刊贺词［J］．物理与工程，2002，10（5）：1．

［3］ 王前．现代技术的哲学反思［M］．沈阳：辽宁人民出版社，2003．

［4］ Automation－History，Types of Automation，The Role of Computers in Automation，Applications，The Human Impact of Automation－In the home［EB／OL］．

［5］ Mantoux．The Industrial Revolution in the Eighteenth Century［M］．New York：Harper ＆Row Publishers，1962．

［6］ 沃尔夫．十六、十七世纪科学、技术和哲学史［M］．下册．北京：商务印书馆，1997．

［7］ 范恩．热的简史［M］．李乃信，译．东方出版社，2009．

［8］ 孙文芳．布老虎传记文库·巨人百科丛书·瓦特卷 ［M］．沈阳：辽海出版社，1998．

［9］ 杨振宁，郭毓陶．关于理论物理发展的若干反思［J］．世界科学，1993．

［10］ 程鹏．自动控制原理［M］．北京：高等教育出版社，2009．

［11］ 清华大学自然证法教研组．科学技术史讲义［M］．北京：清华大学出版社，1984．

［12］ Parker T，Chua L O．Practical Numerical Algo－rithms for Chaotic Systems［M］．Berlin：Springer－Verlay．1989：66－81．

［13］ ［德］翁勃豪恩，吴启迪．自动控制工程［M］．黄圣乐，译．上海：同济大学出版社，1990：109－113．

［14］ 刘占存．多普勒和多普勒效应的起源［J］．物理，2003（7）：488－491．

［15］ 徐丕玉．现代自然科学技术概论［M］．北京：首都经济贸易大学出版社，2001．