【科學哪裡來】 控制科技發展兩三事 機器動力時期

文/陳永平  |2021.04.13
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文/陳永平 

自文藝復興運動之後,在眾多科學界前輩的努力下,人們除了對大自然的運作法則漸趨明朗之外,也開始利用科學原理開發各式各樣的機器,以改善生活環境。其中最先嶄露頭角是18世紀末,由英國發明家瓦特(Watt)所成功改良的旋轉式蒸汽機,自此人類擺脫天然動力的束縛,正式邁入機器動力時期。

就控制科技而言,如圖①所示,在機器動力時期除了設計機器本體之外,致動器的開發也相當重要。致動器的主要功能是用來推動機器本體,其種類繁多,今天只針對至今仍被大量使用的蒸汽機、引擎與馬達稍做介紹,三者間最大的不同點是所需的能源不同,分別為煤、石油與電力。

提到蒸汽機,首先想到的通常都是瓦特,事實上從歷史的文獻來看,人類的第一部蒸汽機雛形是以蒸汽來轉動機構,所以也有人稱之為汽轉機。一直到了18世紀初,具備應用功能的蒸汽機才真正問世,例如被用來開發礦區的鈕可門蒸汽機,就是其中一例。

內燃引擎 增進效率



可惜的是蒸汽機存在操作不易等缺點,也因此難以推廣,這種情況延續了近50年;一直到18世紀末,瓦特才針對紐可門蒸汽機的缺失加以改良,發明了旋轉式的蒸汽機,並受到工業界的重視及推廣,進而引發了人類史上首次的工業革命。

值得一提的是,瓦特在蒸汽機中加裝了一套能夠控制轉速的機構,稱為「飛球裝置」──這也是控制科技史上第一個採用回饋控制的機械結構。

蒸汽機雖然帶動了工業界的製造熱潮,但是卻也因為使用煤作為燃料,引發了嚴重的空氣汙染,例如19世紀中期的倫敦即深受其害,甚至被冠以「霧都」的惡名。此外蒸汽機是以外燃的方式加熱,導致熱能大量外溢,平白浪費了許多不必要的能源。為了避免上述缺點,德國的工程師奧圖(Otto)提出了熱循環理論,並設計出以石油為燃料的內燃機,也就是今日所稱的引擎,目前已經被大量使用在各種交通工具上。

以電代媒 減少汙染



內燃式引擎的發明雖然提升了能源的使用效益,但是大量交通工具的廢氣排放,還是帶來了空氣汙染的爭議。為進一步化解這個問題,致動器勢必要避開石油與煤碳的直接使用。幸好進入19世紀後,英國科學家法拉第發現了磁生電的電磁效應,並且提出了發電機的構想。這樣一來可利用天然的能源來推動發電機,經由磁生電的特性將動能轉換為電能。由於電能是由天然能源轉換而來,所以我們一般將天然能源視為「初級能源」,而電能則稱為「二級能源」。

利用電能所推動的致動器中,最常見的是馬達,目前馬達已經被廣泛使用在各種機器上,也嘗試推廣到在路面上行駛的各種交通工具,希望能有助於改善空氣汙染的問題。

以上概略說明控制科技在第二個時期所發展的致動器,有了推動機器的致動器後,接著要構思的是如何讓機器能自動運作,也就是進入控制科技的第三個時期──全自動化時期,在此時期所發展的電機與資訊技術,我們留待下回分解。(待續)

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