能量之旅

　　能量是生命的基本需求。地球上每种生物体或设备使用的能量均直接或间接来自太阳。地球上的能量主要以化石燃料的形式储备，这些化石燃料来自埋藏在地下长达上百万年已分解的植物。蕴藏在煤、石油和天然气中的能量必须以某种方式释放出来才能得以应用。人们利用日益先进的技术设计了多种机械设备来释放蕴藏的能量。
人类自古就有四种基本能量来源。第一种是“自我提供”的能量，即使用人体提供的能量，这种能量的主要来源是食物。 一个处于休息状态的人所消耗的能量是80 瓦特，相当于一盏白炽灯所消耗的能量。一个从事繁重工作的人所消耗的能量可达到上述能量的8~10 倍。瓦特是能量的基本单位，表示使用或产生能量的速率。人们熟知的能量计量单位是焦耳，1 瓦特=1 焦耳/ 秒。瓦特这个能量单位是以应用范围最广的蒸汽机发明者詹姆斯•瓦特命名的。2010 年，所有人类活动需要的能量是508 艾焦耳或508×1018 焦耳，其中包括人类产生的能量，但不包括动物产生的
　假设2010 年平均每人每天吃掉1 500 千卡（约合6.3 兆焦耳）的食物，大约相当于1/3 吨普通粮食作物所含的能量，那么2010 年平均每人消耗的能量为2.3 吉焦耳。对于全球69 亿人而言，需要158 亿吉焦耳，相当于全世界现代能量总需求的1/3 。
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能量以及应用于农业劳动或交通运输的能量。关于世界能量消耗量的增长，见图3。

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6 000 000    GJ/ 人/ 年69 亿80 总能源需求（PJ）70
5 000 000 50 万
人口
全球能源使用量（ PJ）
4 000 000 37 亿50
40 16 亿30
3 000 000
2 000 000
3.5 亿20 1 000 000 5 万50 万1 400 万10
00
公元前公元前公元前100 万10 万3000
（年）
图3 从古至今，世界能源使用量
每人每年能源使用量（ PJ）
注：该能源数据包括人类肌肉运动产生的能量，但不包括为满足人类农业生产等需求利用动物产生的能量。单位：吉焦耳（GJ ）和拍焦耳（PJ），1 GJ=109 焦耳，1 PJ= 1015 焦耳
资料来源：UN population database （http：//esa.un.org/unpd/wpp/Excel-Data/population. htm）；Energy Research Centre of the Netherlands （ECN）；IEA World Energy Statistics 2011，2011，http：//www.ecn.nl/home/David Christian，‘World History in Context’，2003；Westra，op cit，http：//openlearn.open.ac.uk/mod/oucontent/view.php ？id=399545§ion=1；Courtney，Arlene，Historical Perspectives of Energy Consumption，2005；Maddison，Angus，The World Economy：A Millennial Perspective，2001；Maddison，The World Economy：Historical Statistics，2003
假设人们自发组织（或被组织）起来从事大规模劳动，比如建金字塔
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或中世纪大教堂，人类产生的能量会成倍增加。第二种能量来源来自动物产生的能量。一匹马能产生的能量约为500 瓦特，相当于6 个中等体格的人适度工作所产生的能量。第三种能量来源是对自然的驾驭，比如利用湍急的河流或强风。水车早在罗马时期就出现了。200 年，在今法国境内的阿尔勒附近，聚居着罗马帝国统治下的高卢人。当时，那里已有16 架水车。这些水车为磨粉机提供动力，每天能磨28 吨面粉。据《英国土地志》记载，英国在11 世纪拥有5 624 架水车。在随后的几百年里，风车在欧洲和世界各地逐渐普及。风车比水车适应性更强。人们发明了多种装置调整风车的方向，使风车能自动转向风吹来的方向，从而大大增加了风车的利用率。人们用水车和风车提供的动力磨玉米，或者操控当时简易的机械设备把空气吹进高炉。但是利用水力或风力的机械设备产生的能量非常有限，一架中世纪的水车只能产生1.5 千瓦的能量，即使是中世纪最大的风车所产生的能量也不过是7.5 千瓦，而现在，一辆卡车所产生的能量是当时最大风车产生能量的35 倍以上。
人们仍缺少一种可靠、可控并能够大规模使用的能源，这正体现了第四种能源（利用储藏在化石燃料中的能量）的重要之处。1698 年，位于英国西南部德文郡托特尼斯镇的托马斯•萨弗里发明了一项专利，这项专利描述了如何利用火的推动力推动一种液体（比如水）。萨弗里发明了世界上第一台蒸汽机，这台蒸汽机利用煤加热锅炉中的水产生的蒸汽提供动力。蒸汽进入汽缸，在每个汽缸中冷凝成水。冷凝过程中，蒸汽体积缩小，在汽缸中形成局部真空。假设汽缸通过管子连接需要被推动的水，水就会在大气压力的作用下被推进汽缸中的真空部分。萨弗里的这一设计是
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最早将化石燃料中的能量转换成机械运动的一种可行方法。这种机械运动可应用于多种工作。
1708 年，德文郡的另一位工程师托马斯•纽科门制造了一款改良的引擎，他的设计中融入了连接杆和其他可用于驱动机器的机械装置。1769 年，苏格兰发明家詹姆斯•瓦特发明了更先进的引擎，这款引擎比纽科门发明的引擎更节能。不久后，英国出现了第一批大规模工厂。工厂中有很多机器用于纺织工业的纺纱和编织，这些机器的运转依靠旋转运动。瓦特发明的引擎使用一种基于行星式齿轮的简单机械装置，把产生的能量转换成旋转运动。因此，瓦特发明的引擎成为第一次工业革命时期工厂里的主要能量来源。截至1870 年，英国使用基于瓦特设计的蒸汽机所产生的能量达3 千兆瓦（30 亿瓦特），相当于600 万匹马产生的能量。1890 年，蒸汽机提供的能量约占美国能源需求的80% ，取代了水动力提供的能量。在19 世纪50 年代之前，水动力一直是主要的能量来源。
旋转的力量
现代社会依赖旋转运动的机械设备数量相当庞大。汽车内部有上百种复杂的、隐藏的旋转设备，包括齿轮、发动机和驱动系统。如果没有这些设备，汽车将无法行驶。机床、冰箱压缩机、圆锯也是如此。现代的风车（现在称为风力机械）以及大多数发电机等提供能量的设备都依赖旋转运动。轮子之所以得到普遍应用，一方面是因为它们的实用性强，另一方面是因为它们能有效利用能量。轮子旋转时，它能沿着其表面所有接触点
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持续传输能量。如果可以用轴、带子或齿轮齿把旋转的轮子连接起来，这些轮子产生的力量可以传递的距离远大于单个轮子的直径。横向运动（比如滑动梁）或纵向运动（比如泵的活塞）的特点是先向一个方向运动，再向相反方向运动。旋转运动则是通过不断的先加速后减速循环过程消耗能量。与旋转运动相比，横向运动浪费更多的能量。
公元前3500 年左右，美索不达米亚出现了世界上最早的轮子。这些轮子起初用于制陶，相当于“陶轮”。几百年后，轮子被应用于运输以及原始的战车。公元前1000 年，欧洲第一次出现了对轮子的书面记载。公元前500 年，英国第一次出现对轮子的书面记载，当时轮子应用于牛车或马车。在中世纪的欧洲，轮子（或者旋转装置）出现在很多机械中，比如犁、时钟和滑轮。所有这些机械都需要在轮辐、轮缘和轮轴的生产中逐步进行改良。这些创新需求触发了其他技术的发展，比如金属生产、切割系统以及计量学。历史学家刘易斯•芒福德提到：“从横向运动向旋转运动的发展突出体现了现代社会的技术进步。”
轮子促进了工业轴承这一重要“使能技术”的诞生，工业轴承对很多机器都至关重要。大多数轮子和旋转装置都需要某种形式的轴承。轴承占据轮子的连杆和轮轴之间的空间，并把二者平滑地连接起来，使摩擦最小化。德国18 世纪机械工程师雅各布•利奥波德（Jakob Leupold ）认为摩擦是能量的“主要抢夺者”，他的思想对詹姆斯•瓦特影响很大。早期的轴承是简单的金属或木质衬圈。1 世纪，罗马皇帝卡里古拉的轮船里就安装了这样的木质衬圈。这个衬圈用来旋转船上的餐桌，防止在巨浪来袭时影响用餐。1500 年前后，达•芬奇设计了使用金属滚珠和滚筒的工
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业轴承，但是当时的冶金业还不能制造出符合达•芬奇要求硬度的金属。19 世纪的炼钢技术取得了发展，人们制造出新形式的坚硬金属，可以作为滚珠轴承或滚筒轴承的主要部件。
19 世纪，人们对自行车运动的狂热推动了轴承技术的发展。1867 年，埃内斯特•萨克斯（Ernst Sachs ）在科布伦茨出生，他是一个自行车运动爱好者，热衷于自行车比赛，然而一次意外断送了他的自行车生涯。从那以后，他移居到法兰克福东部的施韦因富特。在那里，他找了一份机械师的工作。一年后，他和卡尔•菲希特尔（Karl Fichtel ）共同创立了一家公司，利用当时炼钢业的新技术制造自行车滚珠轴承。
该公司成为全球领先的轴承制造者，并进入汽车部件等多个领域。该公司于1987 年被德国工业集团曼内斯曼（Mannesmann ）接管，后又于2001 年被德国另一家大公司采埃孚接管。采埃孚公司现在名为采埃孚萨克斯，施韦因富特仍是该公司的重要轴承制造中心。施韦因富特还汇聚了多家轴承制造企业，包括斯凯孚的德国子公司。斯凯孚是一家成立于1879 年的瑞典工业集团，是世界最大的轴承制造商。
1885 年，戈特利布•戴姆勒制造了世界上第一台内燃机。内燃机产生往复运动，然后通过曲柄轴将往复运动转换成旋转运动。内燃机的出现促成了汽车业，同时拉动了对应用于汽车内部旋转装置的轴承的需求。2010 年，轴承业的总销售收入达到300 亿美元，为其做出贡献的大公司包括德国斯凯孚、德国INA 轴承公司、日本NTN 轴承公司以及美国铁姆肯公司。这些公司都认同一个理念，那就是通过利用其他领域（包括电子控制、耐磨性和化学润滑剂）技术的发展改善轴承生产技术，从而生产物
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美价廉、性能优越且使用寿命长的轴承。

本文摘自《新工业革命》

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　　 在这本书中，作者提到，人类的制造业可以分为五个阶段，它们分别是：第一个阶段是少量定制；第二阶段是少量标准化阶段；第三个阶段大批量标准化生产；第四阶段大批量定制化；第五个阶段是个性化量产。 我们现在正处于个性化量产阶段。这一概念推动了产品多样化从定制化量产继续向前发展。然而，这一生产方式甚少用于生产特殊到独一无二的产品。定制化量产和个性化量产的差别极其细微——丰田生产方式无法为某一单独客户定制一款丰田车型，但是个性化量产就可以轻松做到。 马什预测，当3D打印技术成为生产的日常部分，大批量个性化时代就真正来临了。到2040年左右，利用3D打印技术为很多产品（从喷气式发动机到汽车）生产零件将成为主流，定制特定的相关产品以满足个人需求或生理需求非常重要。这类产品包括医疗植入物、助听器、照明系统及专业家具。随着新工业革命步伐加快，在成本控制的范围内和允许客户施加更大影响的情况下，提供多样化产品将成为越来越明显的特征。 作者敏锐地指出，在新工业革命时期，开发新概念，加强公司间合作，并将研发成果应用于新产品所带来的利益将超过以往任何时期。 这是一部既具有历史厚重感，又具有较高现实意义的著作。毋庸置疑，它将对中国制造业未来有很高的导向性。