高中工程/工业革命
工业革命占据了十八世纪和十九世纪。这是一个技术飞速发展的时代，其中大多数是由工程师开发的。工业革命的一个主要方面是机器动力的取代人力和动物动力。例如，蒸汽机被开发出来用于从矿井中抽水，取代了人力或动物驱动的水泵。此外，在工业革命期间，工程领域继续从经验法则的应用转变为不断增长的科学和数学知识的应用。在工业革命期间，熟悉的工程学科（特别是土木工程和机械工程）开始作为可识别的专业而出现。
在工业革命期间取得了许多技术进步。在本节中，我们将简要讨论五个方面的进步：用于测量经度的精确时钟的开发、蒸汽机、用于制造纺织品的自动机械、机械印刷和蒸汽动力交通。虽然在工业革命期间还有许多其他技术进步，但这些进步概述了在这个时代变得重要的不同流程和技术。
经度是东西方向与本初子午线的距离，本初子午线是一条假想的南北线，经过英国格林威治。它以度数为单位测量，正经度位于本初子午线以东，负经度位于本初子午线以西。经度测量（以及纬度测量）是航海的重要组成部分。在 1700 年代，当欧洲人探索世界其他地区并试图制作准确的地图和图表时，这一点尤其重要。对于从长途航海中返回的船只来说，这也至关重要；如果船长没有正确知道船只的位置，船只可能会搁浅在暗礁或岩石上；许多船只沉没就是因为这个原因。
考虑到 1700 年代初的技术能力，正确确定经度是一个非常困难的问题。它被认为是如此困难但又如此重要，以至于 1714 年，英国议会通过了一项法案，成立了经度委员会。经度委员会为任何能够开发出一种准确确定经度的方法的人提供 20,000 英镑的奖金（当时是一笔巨款）。
确定经度的最简单方法是确定当前位置的时间与已知位置（通常是英国格林威治的本初子午线）的时间之间的差。为了知道格林威治的时间，必须有一个非常精确的时钟，并且已设置为格林威治的时间。然后，当一个人旅行时，时钟始终显示格林威治的时间。因此，一种方法（也是最终成功赢得经度奖的方法）是开发一个极其精确的时钟。
约翰·哈里森（1693-1776）是一位英国钟表匠，他通过一系列五种设计开发了一种精确的时钟，足以赢得经度奖（尽管奖金的全部金额实际上从未授予他）。他的时钟必须在温度、大气压和湿度变化剧烈的漫长海上航行中保持准确的时间。他在时钟中开发了多种巧妙的机制。其中一种被称为蚱蜢擒纵机构。擒纵机构是一种将摆锤的摆动转换为齿轮转动的机制，每次摆动都会转动一定量；齿轮反过来驱动使时钟指针移动的机制。哈里森发明的另一种机制是格里迪伦摆锤；这是为了设计使得即使构成摆锤的金属杆由于温度变化而膨胀或收缩，摆锤的长度也不会改变。
约翰·哈里森开发他的航海天文钟是为了获得经度奖。由于他的早期设计显示出希望，他从一位钟表匠和经度委员会那里获得了资金，用于进一步开发它们。他从未获得全部奖金。在几次航行中，他的计时器保持了足够准确的时间，但经度委员会担心，他的天文钟所证明的准确性是由于运气而不是可重复的。图 11 显示了哈里森开发的最后一种天文钟。
约翰·哈里森开发航海天文钟是个人独立工作，能够开发出解决重大社会问题所需的技术的一个例子。尽管他的技术成就主要由个人完成，但他的工作受到他所处社会的重大影响。他的发明继续极大地影响着未来航海的未来。
在最近的过去，经常提供丰厚的奖金来激励技术问题的进展。在 1900 年代初期，《每日邮报》报纸宣布并颁发了航空史上许多首个事件的奖项；其中包括 1909 年跨越英吉利海峡的首次飞行和 1919 年跨越大西洋的首次飞行。安萨里 X 奖为第一个将载人航天器发射到太空的非政府组织提供 1000 万美元的奖金；该奖于 2004 年 10 月 4 日由 SpaceShipOne 赢得。此后，X 奖基金会为基因组学、汽车和太空成就设立了其他几个奖项；这些奖项尚未获得。国防高级研究计划局 (DARPA) 在 2004 年创建了无人驾驶汽车挑战赛，要求无人驾驶车辆在越来越困难的赛道上导航；2005 年和 2007 年的获奖团队分别获得了 200 万美元的奖金。
工业革命开始时的一项重大技术变革是用机器动力取代水力、风力、人力和动物动力。这首先发生在蒸汽机的开发中。蒸汽机最初是用来从煤矿和金属矿中抽水的。（当矿井被开采到周围岩石的地下水位以下时，水会在矿井中积聚。）机械抽水可以从矿井中抽出比人类或动物驱动水泵多得多的水。这使得矿井可以开采得更深。蒸汽机也被用来为纺织厂和其他工厂提供动力；这使得工厂可以更方便地靠近原材料和劳动力来源，而不是位于溪流和河流附近。
第一个商业上成功的蒸汽机是由英国的托马斯·纽科门（1664-1729）开发的。他的发动机有一个大缸，活塞在其中上下移动。蒸汽被引入气缸，并在冷凝时产生部分真空；气缸另一侧的大气压导致活塞移动。活塞连接到一个摇臂；摇臂的运动可以用来驱动水泵。图 12 显示了发动机的剖视图。
纽科门和他的合伙人约翰·卡利在能够将他们的发明推向市场之前，必须与托马斯·萨弗里（约 1650-1715）达成协议，萨弗里此前已对几乎所有可想象的蒸汽动力的用途申请了专利。第一个纽科门发动机于 1712 年安装。到生产这些机器的专利于 1733 年到期时，大约已建造并安装了 100 台他的蒸汽机。在此期间，他的设计得到了改进，使其能够自动运行。他的设计非常低效，需要大量的燃料；它也限制了可以抽水的高度。尽管有这些缺点，但由于其机械简单性，即使在改进后的蒸汽机问世后，它也得到了广泛采用。
詹姆斯·瓦特（1736-1819）开发了改进版的蒸汽机。他的发动机比纽科门的发动机效率高得多，只需要四分之一的燃料，因此运行成本低得多。他在 1765 年开发了发动机的模型，但需要很长时间才能使发动机商业化。他获得了发动机设计的专利。他与成功的钢铁厂老板迈克尔·博尔顿（1728-1809）合作，博尔顿提供了开发和销售他发动机的资金。他的第一台商业发动机安装于 1776 年。1781 年，他开发了一种版本的发动机，它提供了旋转运动（而不是他之前发动机的摇摆运动），可以驱动工厂机械。瓦特最终凭借其蒸汽机的销售成为了一位非常富有的人。
蒸汽机的发明在多个领域都具有里程碑意义。其中之一是机器在纺织品和其他商品制造中的引入。此外，蒸汽机改变了运输方式；特别是轮船和蒸汽机车的出现极大地提高了人们的出行速度，并增加了可运输的材料和货物数量。功率的公制单位是以瓦特命名的。因此，我们可以谈论一个“100 瓦”的灯泡，因为它使用 100 瓦的（电力）功率。
工业革命改变的一个行业是纺织品（布料）的制造。在工业革命之前，纺织品制造是一个家庭手工业；布料是由人们在家中或以小组形式制作的。工业革命之后，布料是在大型工厂中使用由水力或蒸汽机驱动的机器制造的。
纺织品的制造涉及两个过程。第一个是纺纱，即用棉花或羊毛等纤维制造纱线或线。第二个是用纱线或线织成布料。纺织行业的革新既发生在英国，也发生在美国。
英国第一家棉纺厂于 1764 年开业。在此之前，英国生产的大部分布料都是羊毛。棉花需要更广泛的加工才能制成布料，因此更适合工业化方法。1769 年，理查德·阿克赖特（1733-1792）为水力纺纱机申请了专利，这是一种利用水力将棉花纺成纱线的机器。1771 年，阿克赖特在他的棉纺厂安装了水力纺纱机；这创造了第一个专门用于容纳机器的工厂；以前的工厂主要设计为将工人集中在一个地方。
这些和其他技术发展在 1770 年代和 1780 年代使英国纺织行业成为可能并取得了巨大成功。这项技术受到英国政府的严格保护；禁止出口纺织机械，并禁止纺织工人分享信息或离开英国。塞缪尔·斯莱特（1768-1835）出生于英国，并在理查德·阿克赖特部分拥有的棉纺厂做学徒；在他做学徒期间，他记住了工厂机器的技术细节。他意识到美国正在出钱购买纺织制造信息，于是在 1789 年以农民身份移民到美国。在商人摩西·布朗的资助下，他在罗德岛州的普罗维登斯建造了美国第一家水力纺纱厂。斯莱特在这家工厂及其后来建造的其他工厂雇佣了家庭，包括妇女和儿童。
斯莱特获取和使用其原所有者希望保密的技术信息是工业间谍活动的一个例子。工业间谍活动是一种历史悠久、延续至今的做法。
与纺织品相关的最著名的美国工程发展之一是发明家伊莱·惠特尼（1765-1825）于 1792 年发明的棉花轧棉机；棉花轧棉机是一种在棉花采摘后去除棉籽的机器。图 13 显示了惠特尼棉花轧棉机的内部机械。在棉花轧棉机发明之前，这项工作是手工完成的。除了棉花轧棉机的发展之外，伊莱·惠特尼还推进了机械装置的可互换部件的概念。在可互换部件发展之前，物体的每个部件都是单独制造的，并经过细致的加工过程才能组装在一起。可互换部件是标准化的；例如，这使得机器或枪上的一个螺钉可以被另一个螺钉替换，而无需重新塑造任何部件。
在 1480 年后的 400 年里，活字排版过程基本没有变化。字模是手工铸造的，然后将这些字模手工组装成行和页的文字。
19 世纪的工业革命首先改变了印刷工艺，然后改变了排版。弗里德里希·科尼希（1774-1833）发明了蒸汽动力印刷机；第一台商用印刷机于 1814 年卖给了《伦敦时报》。图 14 显示了这台印刷机。这台印刷机每小时可以印 1100 张，比手工印刷机快得多；这项技术促进了广泛发行和阅读的日报的出现。1835 年，第一台商用轮转印刷机问世；轮转印刷机在连续的纸卷（纸张）上印刷。1844 年，美国人理查德·豪（1812-1886）开发了轮转印刷机（图 15）。这台印刷机每小时可以印 20000 多份。
蒸汽机的发明对采矿和制造业产生了革命性的影响。随着人力和畜力被蒸汽动力取代，资源和制造的商品可以更有效地获取。到 18 世纪末，蒸汽机已成为船舶和火车可行的动力来源。这反过来又对社会产生了巨大影响；长距离运输人员和货物的能力为经济增长提供了巨大的机遇。它还使美国殖民者向西扩张成为可能。
在 18 世纪后期，人们对使用蒸汽机为船舶提供动力的方法进行了大量试验。人们尝试了各种推进方法；包括悬挂在船尾的桨叶和螺旋桨。罗伯特·富尔顿（1765-1815）是第一个在美国成功开发出蒸汽船的人。1807 年，他完成了建造一艘长 146 英尺的蒸汽船。这艘船由一台 24 马力的博尔顿和瓦特发动机提供动力。它使用木材作为燃料。这艘船将乘客和货物从纽约市运往纽约州奥尔巴尼，比帆船快得多。这条蒸汽船航线为富尔顿及其财务支持者罗伯特·利文斯顿（1746-1813）带来了丰厚的利润。
美国拥有一个庞大的可航行河流网络。特别是密西西比河及其支流可用于航行美国中部的大部分地区。1811 年和 1812 年，富尔顿在匹兹堡建造了一艘蒸汽船，它沿着俄亥俄河和密西西比河航行到新奥尔良。利文斯顿和富尔顿获得了在路易斯安那州进行蒸汽船航行的垄断权；他们的蒸汽船再次获得了巨大的商业成功。他们的蒸汽船是航行在美国河流中的众多蒸汽船中的第一批。从 1815 年到 1860 年，蒸汽船在河流货物和乘客运输中占据主导地位。在这段时间里，工程技术有了显著进步；到 1850 年，许多蒸汽船的速度可以达到每小时 20 英里。图 16 显示了“罗伯特·E·李”号蒸汽船的绘画作品；它建于 1866 年，创造了圣路易斯到新奥尔良之间最快航程的记录。它在 1882 年在新奥尔良外 30 英里处着火被毁。（锅炉爆炸和火灾在蒸汽船上相当常见，这使得蒸汽船成为一种相当危险的交通方式，并导致政府颁布了安全法规。）
蒸汽船的发展固然重要，但蒸汽动力铁路的发展在 19 世纪后半叶对美国经济的影响更大。火车成为这段时间的主要运输方式。建造和运营铁路系统的公司是这段时间内最大的公司，为其所有者创造了巨大的财富。
第一台铁路机车由理查德·特里维西克（1771-1833）于 1803 年在英国制造。然而，英国的第一条铁路直到 1825 年才投入使用。1829 年，罗伯特·史蒂文森（1803-1859）设计了一台名为“火箭”的机车，它拥有后来蒸汽机车的许多特征；包括多管锅炉和由接近水平的活塞驱动的车轮。图 17 显示了“火箭”的图纸。
美国的第一条商业铁路是巴尔的摩和俄亥俄公司；1830 年，它在美国开通了第一条 13 英里的轨道。到 1860 年，美国已有 30000 多英里的轨道。美国工程师根据美国独有的限制和问题对英国机车设计进行了调整。美国机车比英国机车更大更强大，因为美国铁路系统坡度更陡；美国轨道也弯曲更急，因此需要设计转向架。美国的火车轨道没有围栏，因此工程师在机车前方设计了牛捕手。还开发了新的工程技术来建造铁路以及它们需要的桥梁和隧道。
工业革命中一项伟大的工程壮举是建造第一条横贯大陆铁路。这条铁路连接了内布拉斯加州的奥马哈和加利福尼亚州的萨克拉门托。它于 1862 年由美国联邦政府授权，并于 1869 年完工。这条铁路极大地改变了前往美国西部的旅行；在它建成之前，这种旅行需要乘坐马车或牛车旅行数月。建成后，只需一周时间即可完成旅程。
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