能量之旅

　　能量是生命的基本需求。地球上每種生物體或設備使用的能量均直接或間接來自太陽。地球上的能量主要以化石燃料的形式儲備，這些化石燃料來自埋藏在地下長達上百萬年已分解的植物。蘊藏在煤、石油和天然氣中的能量必須以某種方式釋放出來才能得以應用。人們利用日益先進的技術設計了多種機械設備來釋放蘊藏的能量。
人類自古就有四種基本能量來源。第一種是“自我提供”的能量，即使用人體提供的能量，這種能量的主要來源是食物。 一個處於休息狀態的人所消耗的能量是80 瓦特，相當於一盞白熾燈所消耗的能量。一個從事繁重工作的人所消耗的能量可達到上述能量的8~10 倍。瓦特是能量的基本單位，表示使用或產生能量的速率。人們熟知的能量計量單位是焦耳，1 瓦特=1 焦耳/ 秒。瓦特這個能量單位是以應用範圍最廣的蒸汽機發明者詹姆斯•瓦特命名的。2010 年，所有人類活動需要的能量是508 艾焦耳或508×1018 焦耳，其中包括人類產生的能量，但不包括動物產生的
　假設2010 年平均每人每天吃掉1 500 千卡（約合6.3 兆焦耳）的食物，大約相當於1/3 噸普通糧食作物所含的能量，那麼2010 年平均每人消耗的能量為2.3 吉焦耳。對於全球69 億人而言，需要158 億吉焦耳，相當於全世界現代能量總需求的1/3 。
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能量以及應用於農業勞動或交通運輸的能量。關於世界能量消耗量的增長，見圖3。

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6 000 000    GJ/ 人/ 年69 億80 總能源需求（PJ）70
5 000 000 50 萬
人口
全球能源使用量（ PJ）
4 000 000 37 億50
40 16 億30
3 000 000
2 000 000
3.5 億20 1 000 000 5 萬50 萬1 400 萬10
00
公元前公元前公元前100 萬10 萬3000
（年）
圖3 從古至今，世界能源使用量
每人每年能源使用量（ PJ）
註：該能源數據包括人類肌肉運動產生的能量，但不包括為滿足人類農業生產等需求利用動物產生的能量。單位：吉焦耳（GJ ）和拍焦耳（PJ），1 GJ=109 焦耳，1 PJ= 1015 焦耳
資料來源：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
假設人們自發組織（或被組織）起來從事大規模勞動，比如建金字塔
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或中世紀大教堂，人類產生的能量會成倍增加。第二種能量來源來自動物產生的能量。一匹馬能產生的能量約為500 瓦特，相當於6 個中等體格的人適度工作所產生的能量。第三種能量來源是對自然的駕馭，比如利用湍急的河流或強風。水車早在羅馬時期就出現了。200 年，在今法國境内的阿爾勒附近，聚居著羅馬帝國統治下的高盧人。當時，那裡已有16 架水車。這些水車為磨粉機提供動力，每天能磨28 噸面粉。據《英國土地志》記載，英國在11 世紀擁有5 624 架水車。在隨後的幾百年裡，風車在歐洲和世界各地逐漸普及。風車比水車適應性更強。人們發明了多種裝置調整風車的方向，使風車能自動轉向風吹來的方向，從而大大增加了風車的利用率。人們用水車和風車提供的動力磨玉米，或者操控當時簡易的機械設備把空氣吹進高爐。但是利用水力或風力的機械設備產生的能量非常有限，一架中世紀的水車只能產生1.5 千瓦的能量，即使是中世紀最大的風車所產生的能量也不過是7.5 千瓦，而現在，一輛卡車所產生的能量是當時最大風車產生能量的35 倍以上。
人們仍缺少一種可靠、可控並能夠大規模使用的能源，這正體現了第四種能源（利用儲藏在化石燃料中的能量）的重要之處。1698 年，位於英國西南部德文郡托特尼斯鎮的托馬斯•薩弗裡發明了一項專利，這項專利描述了如何利用火的推動力推動一種液體（比如水）。薩弗裡發明了世界上第一台蒸汽機，這台蒸汽機利用煤加熱鍋爐中的水產生的蒸汽提供動力。蒸汽進入汽缸，在每個汽缸中冷凝成水。冷凝過程中，蒸汽體積縮小，在汽缸中形成局部真空。假設汽缸通過管子連接需要被推動的水，水就會在大氣壓力的作用下被推進汽缸中的真空部分。薩弗裡的這一設計是
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最早將化石燃料中的能量轉換成機械運動的一種可行方法。這種機械運動可應用於多種工作。
1708 年，德文郡的另一位工程師托馬斯•紐科門制造了一款改良的引擎，他的設計中融入了連接桿和其他可用於驅動機器的機械裝置。1769 年，蘇格蘭發明家詹姆斯•瓦特發明了更先進的引擎，這款引擎比紐科門發明的引擎更節能。不久後，英國出現了第一批大規模工廠。工廠中有很多機器用於紡織工業的紡紗和編織，這些機器的運轉依靠旋轉運動。瓦特發明的引擎使用一種基於行星式齒輪的簡單機械裝置，把產生的能量轉換成旋轉運動。因此，瓦特發明的引擎成為第一次工業革命時期工廠裡的主要能量來源。截至1870 年，英國使用基於瓦特設計的蒸汽機所產生的能量達3 千兆瓦（30 億瓦特），相當於600 萬匹馬產生的能量。1890 年，蒸汽機提供的能量約占美國能源需求的80% ，取代了水動力提供的能量。在19 世紀50 年代之前，水動力一直是主要的能量來源。
旋轉的力量
現代社會依賴旋轉運動的機械設備數量相當龐大。汽車内部有上百種複雜的、隐藏的旋轉設備，包括齒輪、發動機和驅動系統。如果沒有這些設備，汽車將無法行駛。機床、冰箱壓縮機、圓鋸也是如此。現代的風車（現在稱為風力機械）以及大多數發電機等提供能量的設備都依賴旋轉運動。輪子之所以得到普遍應用，一方面是因為它們的實用性強，另一方面是因為它們能有效利用能量。輪子旋轉時，它能沿著其表面所有接觸點
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持續傳輸能量。如果可以用軸、帶子或齒輪齒把旋轉的輪子連接起來，這些輪子產生的力量可以傳遞的距離遠大於單個輪子的直徑。橫向運動（比如滑動梁）或縱向運動（比如泵的活塞）的特點是先向一個方向運動，再向相反方向運動。旋轉運動則是通過不斷的先加速後減速循環過程消耗能量。與旋轉運動相比，橫向運動浪費更多的能量。
公元前3500 年左右，美索不達米亞出現了世界上最早的輪子。這些輪子起初用於制陶，相當於“陶輪”。幾百年後，輪子被應用於運輸以及原始的戰車。公元前1000 年，歐洲第一次出現了對輪子的書面記載。公元前500 年，英國第一次出現對輪子的書面記載，當時輪子應用於牛車或馬車。在中世紀的歐洲，輪子（或者旋轉裝置）出現在很多機械中，比如犁、時鐘和滑輪。所有這些機械都需要在輪輻、輪緣和輪軸的生產中逐步進行改良。這些創新需求觸發了其他技術的發展，比如金屬生產、切割系統以及計量學。歷史學家劉易斯•芒福德提到：“從橫向運動向旋轉運動的發展突出體現了現代社會的技術進步。”
輪子促進了工業軸承這一重要“使能技術”的誕生，工業軸承對很多機器都至關重要。大多數輪子和旋轉裝置都需要某種形式的軸承。軸承占據輪子的連桿和輪軸之間的空間，並把二者平滑地連接起來，使摩擦最小化。德國18 世紀機械工程師雅各佈•利奧波德（Jakob Leupold ）認為摩擦是能量的“主要搶奪者”，他的思想對詹姆斯•瓦特影響很大。早期的軸承是簡單的金屬或木質襯圈。1 世紀，羅馬皇帝卡裡古拉的輪船裡就安裝了這樣的木質襯圈。這個襯圈用來旋轉船上的餐桌，防止在巨浪來襲時影響用餐。1500 年前後，達•芬奇設計了使用金屬滾珠和滾筒的工
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業軸承，但是當時的冶金業還不能制造出符合達•芬奇要求硬度的金屬。19 世紀的煉鋼技術取得了發展，人們制造出新形式的堅硬金屬，可以作為滾珠軸承或滾筒軸承的主要部件。
19 世紀，人們對自行車運動的狂熱推動了軸承技術的發展。1867 年，埃内斯特•薩克斯（Ernst Sachs ）在科佈倫茨出生，他是一個自行車運動愛好者，熱衷於自行車比賽，然而一次意外斷送了他的自行車生涯。從那以後，他移居到法蘭克福東部的施韋因富特。在那裡，他找了一份機械師的工作。一年後，他和卡爾•菲希特爾（Karl Fichtel ）共同創立了一家公司，利用當時煉鋼業的新技術制造自行車滾珠軸承。
該公司成為全球領先的軸承制造者，並進入汽車部件等多個領域。該公司於1987 年被德國工業集團曼内斯曼（Mannesmann ）接管，後又於2001 年被德國另一家大公司採埃孚接管。採埃孚公司現在名為採埃孚薩克斯，施韋因富特仍是該公司的重要軸承制造中心。施韋因富特還匯聚了多家軸承制造企業，包括斯凱孚的德國子公司。斯凱孚是一家成立於1879 年的瑞典工業集團，是世界最大的軸承制造商。
1885 年，戈特利佈•戴姆勒制造了世界上第一台内燃機。内燃機產生往複運動，然後通過曲柄軸將往複運動轉換成旋轉運動。内燃機的出現促成了汽車業，同時拉動了對應用於汽車内部旋轉裝置的軸承的需求。2010 年，軸承業的總銷售收入達到300 億美元，為其做出貢獻的大公司包括德國斯凱孚、德國INA 軸承公司、日本NTN 軸承公司以及美國鐵姆肯公司。這些公司都認同一個理念，那就是通過利用其他領域（包括電子控制、耐磨性和化學潤滑劑）技術的發展改善軸承生產技術，從而生產物
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美價廉、性能優越且使用壽命長的軸承。

本文摘自《新工業革命》

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　　 在這本書中，作者提到，人類的制造業可以分為五個階段，它們分別是：第一個階段是少量定制；第二階段是少量標準化階段；第三個階段大批量標準化生產；第四階段大批量定制化；第五個階段是個性化量產。 我們現在正處於個性化量產階段。這一概念推動了產品多樣化從定制化量產繼續向前發展。然而，這一生產方式甚少用於生產特殊到獨一無二的產品。定制化量產和個性化量產的差別極其細微——豐田生產方式無法為某一單獨客戶定制一款豐田車型，但是個性化量產就可以輕松做到。 馬什預測，當3D打印技術成為生產的日常部分，大批量個性化時代就真正來臨了。到2040年左右，利用3D打印技術為很多產品（從噴氣式發動機到汽車）生產零件將成為主流，定制特定的相關產品以滿足個人需求或生理需求非常重要。這類產品包括醫療植入物、助聽器、照明系統及專業家具。隨著新工業革命步伐加快，在成本控制的範圍内和允許客戶施加更大影響的情況下，提供多樣化產品將成為越來越明顯的特徵。 作者敏銳地指出，在新工業革命時期，開發新概念，加強公司間合作，並將研發成果應用於新產品所帶來的利益將超過以往任何時期。 這是一部既具有歷史厚重感，又具有較高現實意義的著作。毋庸置疑，它將對中國制造業未來有很高的導向性。