连杆机构漫谈:002关于连杆机构的故事

第二章 关于连杆机构的故事

       十八世纪,英国随着殖民扩张,开拓广大市场,并了积累了大量的财富.同时也促进了英国的工业革命.在此之前的风帆驱动的船运,水轮机驱动的纺织机,还有矿井下靠人力或畜力排水等等都不能满足需要.在这种情况下,蒸汽机开始应用.但是蒸汽机的早期缺陷很多,并没有得到广泛的应用.

       蒸汽机开始广泛应用,得益于英国的一位维修工程师,发明家瓦特 .

图一:瓦特（James Watt，1736年1月19日 — 1819年8月25日 )

       具有丰富的维修经验和喜欢思考的瓦特,在对部件强度,部件受力和整体构造的不断维修和改造.终于促使蒸汽机广泛应用到工业的各个领域.轮船用汽轮机,矿井唧筒泵水的蒸汽机驱动,纺织机的驱动,甚至以后的蒸汽机车等.

图二: 瓦特制作的蒸汽机

       瓦特在改造蒸汽机的当时,一个问题一直困扰着他.先看一下下面的图:

图三

       这是蒸汽机车的驱动结构,上图所示的右端就是蒸汽机.图片有些小了,蒸汽机放大如下:

图四

       现在如上图所示,我们可以看清楚,蒸汽是如何通过机构的分配,分别进入气缸的两端,来推动活塞杆来回运动的.图四的演示非常清楚,进一步观察,我们应该看到图四的上端,那半圆弧状的部件是在做往复的直线运动.请移目下瞧:

图五

       如上图所示,在A点和B点之间移动.请在图四和图五之间交互查看.

       这个演示其实基于近几十年的蒸汽机结构而制作的,其实,在瓦特的那个年代,由于材料和加工精度的限制,不可能制造出这样精细结构.我们再看图二的样子,就知道当时的制造水平了.但是蒸汽的进出口交替更换还是必须要实现.因此,瓦特就考虑一个机构,来实现一个部件在图五中A和B之间来回移动.

       瓦特在制作这个机构的时候,发现实现一个直线运动的机构,是一个非常困难的事情.没有办法,他只好用一个近似直线的运动机构来完成图四中A和B两点之间的运动.至此,瓦特向当时的数学家们提出这个问题,就是怎样才能通过一个机构来实现一个点的直线运动.

       不料,这个看似简单的问题,连瓦特同时代的数学家也挠头,直到瓦特去世他也没有看到答案.