高中工程/工業革命
工業革命佔據了十八世紀和十九世紀。這是一個技術飛速發展的時代，其中大多數是由工程師開發的。工業革命的一個主要方面是機器動力的取代人力和動物動力。例如，蒸汽機被開發出來用於從礦井中抽水，取代了人力或動物驅動的水泵。此外，在工業革命期間，工程領域繼續從經驗法則的應用轉變為不斷增長的科學和數學知識的應用。在工業革命期間，熟悉的工程學科（特別是土木工程和機械工程）開始作為可識別的專業而出現。
在工業革命期間取得了許多技術進步。在本節中，我們將簡要討論五個方面的進步：用於測量經度的精確時鐘的開發、蒸汽機、用於製造紡織品的自動機械、機械印刷和蒸汽動力交通。雖然在工業革命期間還有許多其他技術進步，但這些進步概述了在這個時代變得重要的不同流程和技術。
經度是東西方向與本初子午線的距離，本初子午線是一條假想的南北線，經過英國格林威治。它以度數為單位測量，正經度位於本初子午線以東，負經度位於本初子午線以西。經度測量（以及緯度測量）是航海的重要組成部分。在 1700 年代，當歐洲人探索世界其他地區並試圖製作準確的地圖和圖表時，這一點尤其重要。對於從長途航海中返回的船隻來說，這也至關重要；如果船長沒有正確知道船隻的位置，船隻可能會擱淺在暗礁或岩石上；許多船隻沉沒就是因為這個原因。
考慮到 1700 年代初的技術能力，正確確定經度是一個非常困難的問題。它被認為是如此困難但又如此重要，以至於 1714 年，英國議會通過了一項法案，成立了經度委員會。經度委員會為任何能夠開發出一種準確確定經度的方法的人提供 20,000 英鎊的獎金（當時是一筆鉅款）。
確定經度的最簡單方法是確定當前位置的時間與已知位置（通常是英國格林威治的本初子午線）的時間之間的差。為了知道格林威治的時間，必須有一個非常精確的時鐘，並且已設定為格林威治的時間。然後，當一個人旅行時，時鐘始終顯示格林威治的時間。因此，一種方法（也是最終成功贏得經度獎的方法）是開發一個極其精確的時鐘。
約翰·哈里森（1693-1776）是一位英國鐘錶匠，他透過一系列五種設計開發了一種精確的時鐘，足以贏得經度獎（儘管獎金的全部金額實際上從未授予他）。他的時鐘必須在溫度、大氣壓和溼度變化劇烈的漫長海上航行中保持準確的時間。他在時鐘中開發了多種巧妙的機制。其中一種被稱為蚱蜢擒縱機構。擒縱機構是一種將擺錘的擺動轉換為齒輪轉動的機制，每次擺動都會轉動一定量；齒輪反過來驅動使時鐘指標移動的機制。哈里森發明的另一種機制是格里迪倫擺錘；這是為了設計使得即使構成擺錘的金屬桿由於溫度變化而膨脹或收縮，擺錘的長度也不會改變。
約翰·哈里森開發他的航海天文鐘是為了獲得經度獎。由於他的早期設計顯示出希望，他從一位鐘錶匠和經度委員會那裡獲得了資金，用於進一步開發它們。他從未獲得全部獎金。在幾次航行中，他的計時器保持了足夠準確的時間，但經度委員會擔心，他的天文鐘所證明的準確性是由於運氣而不是可重複的。圖 11 顯示了哈里森開發的最後一種天文鐘。
約翰·哈里森開發航海天文鐘是個人獨立工作，能夠開發出解決重大社會問題所需的技術的一個例子。儘管他的技術成就主要由個人完成，但他的工作受到他所處社會的重大影響。他的發明繼續極大地影響著未來航海的未來。
在最近的過去，經常提供豐厚的獎金來激勵技術問題的進展。在 1900 年代初期，《每日郵報》報紙宣佈並頒發了航空史上許多首個事件的獎項；其中包括 1909 年跨越英吉利海峽的首次飛行和 1919 年跨越大西洋的首次飛行。安薩里 X 獎為第一個將載人航天器發射到太空的非政府組織提供 1000 萬美元的獎金；該獎於 2004 年 10 月 4 日由 SpaceShipOne 贏得。此後，X 獎基金會為基因組學、汽車和太空成就設立了其他幾個獎項；這些獎項尚未獲得。國防高階研究計劃局 (DARPA) 在 2004 年建立了無人駕駛汽車挑戰賽，要求無人駕駛車輛在越來越困難的賽道上導航；2005 年和 2007 年的獲獎團隊分別獲得了 200 萬美元的獎金。
工業革命開始時的一項重大技術變革是用機器動力取代水力、風力、人力和動物動力。這首先發生在蒸汽機的開發中。蒸汽機最初是用來從煤礦和金屬礦中抽水的。（當礦井被開採到周圍岩石的地下水位以下時，水會在礦井中積聚。）機械抽水可以從礦井中抽出比人類或動物驅動水泵多得多的水。這使得礦井可以開採得更深。蒸汽機也被用來為紡織廠和其他工廠提供動力；這使得工廠可以更方便地靠近原材料和勞動力來源，而不是位於溪流和河流附近。
第一個商業上成功的蒸汽機是由英國的托馬斯·紐科門（1664-1729）開發的。他的發動機有一個大缸，活塞在其中上下移動。蒸汽被引入氣缸，並在冷凝時產生部分真空；氣缸另一側的大氣壓導致活塞移動。活塞連線到一個搖臂；搖臂的運動可以用來驅動水泵。圖 12 顯示了發動機的剖檢視。
紐科門和他的合夥人約翰·卡利在能夠將他們的發明推向市場之前，必須與托馬斯·薩弗裡（約 1650-1715）達成協議，薩弗裡此前已對幾乎所有可想象的蒸汽動力的用途申請了專利。第一個紐科門發動機於 1712 年安裝。到生產這些機器的專利於 1733 年到期時，大約已建造並安裝了 100 臺他的蒸汽機。在此期間，他的設計得到了改進，使其能夠自動執行。他的設計非常低效，需要大量的燃料；它也限制了可以抽水的高度。儘管有這些缺點，但由於其機械簡單性，即使在改進後的蒸汽機問世後，它也得到了廣泛採用。
詹姆斯·瓦特（1736-1819）開發了改進版的蒸汽機。他的發動機比紐科門的發動機效率高得多，只需要四分之一的燃料，因此執行成本低得多。他在 1765 年開發了發動機的模型，但需要很長時間才能使發動機商業化。他獲得了發動機設計的專利。他與成功的鋼鐵廠老闆邁克爾·博爾頓（1728-1809）合作，博爾頓提供了開發和銷售他發動機的資金。他的第一臺商業發動機安裝於 1776 年。1781 年，他開發了一種版本的發動機，它提供了旋轉運動（而不是他之前發動機的搖擺運動），可以驅動工廠機械。瓦特最終憑藉其蒸汽機的銷售成為了一位非常富有的人。
蒸汽機的發明在多個領域都具有里程碑意義。其中之一是機器在紡織品和其他商品製造中的引入。此外，蒸汽機改變了運輸方式；特別是輪船和蒸汽機車的出現極大地提高了人們的出行速度，並增加了可運輸的材料和貨物數量。功率的公制單位是以瓦特命名的。因此，我們可以談論一個“100 瓦”的燈泡，因為它使用 100 瓦的（電力）功率。
工業革命改變的一個行業是紡織品（布料）的製造。在工業革命之前，紡織品製造是一個家庭手工業；布料是由人們在家中或以小組形式製作的。工業革命之後，布料是在大型工廠中使用由水力或蒸汽機驅動的機器製造的。
紡織品的製造涉及兩個過程。第一個是紡紗，即用棉花或羊毛等纖維製造紗線或線。第二個是用紗線或線織成布料。紡織行業的革新既發生在英國，也發生在美國。
英國第一家棉紡廠於 1764 年開業。在此之前，英國生產的大部分佈料都是羊毛。棉花需要更廣泛的加工才能製成布料，因此更適合工業化方法。1769 年，理查德·阿克賴特（1733-1792）為水力紡紗機申請了專利，這是一種利用水力將棉花紡成紗線的機器。1771 年，阿克賴特在他的棉紡廠安裝了水力紡紗機；這創造了第一個專門用於容納機器的工廠；以前的工廠主要設計為將工人集中在一個地方。
這些和其他技術發展在 1770 年代和 1780 年代使英國紡織行業成為可能並取得了巨大成功。這項技術受到英國政府的嚴格保護；禁止出口紡織機械，並禁止紡織工人分享資訊或離開英國。塞繆爾·斯萊特（1768-1835）出生於英國，並在理查德·阿克賴特部分擁有的棉紡廠做學徒；在他做學徒期間，他記住了工廠機器的技術細節。他意識到美國正在出錢購買紡織製造資訊，於是在 1789 年以農民身份移民到美國。在商人摩西·布朗的資助下，他在羅德島州的普羅維登斯建造了美國第一家水力紡紗廠。斯萊特在這家工廠及其後來建造的其他工廠僱傭了家庭，包括婦女和兒童。
斯萊特獲取和使用其原所有者希望保密的技術資訊是工業間諜活動的一個例子。工業間諜活動是一種歷史悠久、延續至今的做法。
與紡織品相關的最著名的美國工程發展之一是發明家伊萊·惠特尼（1765-1825）於 1792 年發明的棉花軋棉機；棉花軋棉機是一種在棉花采摘後去除棉籽的機器。圖 13 顯示了惠特尼棉花軋棉機的內部機械。在棉花軋棉機發明之前，這項工作是手工完成的。除了棉花軋棉機的發展之外，伊萊·惠特尼還推進了機械裝置的可互換部件的概念。在可互換部件發展之前，物體的每個部件都是單獨製造的，並經過細緻的加工過程才能組裝在一起。可互換部件是標準化的；例如，這使得機器或槍上的一個螺釘可以被另一個螺釘替換，而無需重新塑造任何部件。
在 1480 年後的 400 年裡，活字排版過程基本沒有變化。字模是手工鑄造的，然後將這些字模手工組裝成行和頁的文字。
19 世紀的工業革命首先改變了印刷工藝，然後改變了排版。弗里德里希·科尼希（1774-1833）發明了蒸汽動力印刷機；第一臺商用印刷機於 1814 年賣給了《倫敦時報》。圖 14 顯示了這臺印刷機。這臺印刷機每小時可以印 1100 張，比手工印刷機快得多；這項技術促進了廣泛發行和閱讀的日報的出現。1835 年，第一臺商用輪轉印刷機問世；輪轉印刷機在連續的紙卷（紙張）上印刷。1844 年，美國人理查德·豪（1812-1886）開發了輪轉印刷機（圖 15）。這臺印刷機每小時可以印 20000 多份。
蒸汽機的發明對採礦和製造業產生了革命性的影響。隨著人力和畜力被蒸汽動力取代，資源和製造的商品可以更有效地獲取。到 18 世紀末，蒸汽機已成為船舶和火車可行的動力來源。這反過來又對社會產生了巨大影響；長距離運輸人員和貨物的能力為經濟增長提供了巨大的機遇。它還使美國殖民者向西擴張成為可能。
在 18 世紀後期，人們對使用蒸汽機為船舶提供動力的方法進行了大量試驗。人們嘗試了各種推進方法；包括懸掛在船尾的槳葉和螺旋槳。羅伯特·富爾頓（1765-1815）是第一個在美國成功開發出蒸汽船的人。1807 年，他完成了建造一艘長 146 英尺的蒸汽船。這艘船由一臺 24 馬力的博爾頓和瓦特發動機提供動力。它使用木材作為燃料。這艘船將乘客和貨物從紐約市運往紐約州奧爾巴尼，比帆船快得多。這條蒸汽船航線為富爾頓及其財務支持者羅伯特·利文斯頓（1746-1813）帶來了豐厚的利潤。
美國擁有一個龐大的可航行河流網路。特別是密西西比河及其支流可用於航行美國中部的大部分地區。1811 年和 1812 年，富爾頓在匹茲堡建造了一艘蒸汽船，它沿著俄亥俄河和密西西比河航行到新奧爾良。利文斯頓和富爾頓獲得了在路易斯安那州進行蒸汽船航行的壟斷權；他們的蒸汽船再次獲得了巨大的商業成功。他們的蒸汽船是航行在美國河流中的眾多蒸汽船中的第一批。從 1815 年到 1860 年，蒸汽船在河流貨物和乘客運輸中佔據主導地位。在這段時間裡，工程技術有了顯著進步；到 1850 年，許多蒸汽船的速度可以達到每小時 20 英里。圖 16 顯示了“羅伯特·E·李”號蒸汽船的繪畫作品；它建於 1866 年，創造了聖路易斯到新奧爾良之間最快航程的記錄。它在 1882 年在新奧爾良外 30 英里處著火被毀。（鍋爐爆炸和火災在蒸汽船上相當常見，這使得蒸汽船成為一種相當危險的交通方式，並導致政府頒佈了安全法規。）
蒸汽船的發展固然重要，但蒸汽動力鐵路的發展在 19 世紀後半葉對美國經濟的影響更大。火車成為這段時間的主要運輸方式。建造和運營鐵路系統的公司是這段時間內最大的公司，為其所有者創造了巨大的財富。
第一臺鐵路機車由理查德·特里維西克（1771-1833）於 1803 年在英國製造。然而，英國的第一條鐵路直到 1825 年才投入使用。1829 年，羅伯特·史蒂文森（1803-1859）設計了一臺名為“火箭”的機車，它擁有後來蒸汽機車的許多特徵；包括多管鍋爐和由接近水平的活塞驅動的車輪。圖 17 顯示了“火箭”的圖紙。
美國的第一條商業鐵路是巴爾的摩和俄亥俄公司；1830 年，它在美國開通了第一條 13 英里的軌道。到 1860 年，美國已有 30000 多英里的軌道。美國工程師根據美國獨有的限制和問題對英國機車設計進行了調整。美國機車比英國機車更大更強大，因為美國鐵路系統坡度更陡；美國軌道也彎曲更急，因此需要設計轉向架。美國的火車軌道沒有圍欄，因此工程師在機車前方設計了牛捕手。還開發了新的工程技術來建造鐵路以及它們需要的橋樑和隧道。
工業革命中一項偉大的工程壯舉是建造第一條橫貫大陸鐵路。這條鐵路連線了內布拉斯加州的奧馬哈和加利福尼亞州的薩克拉門託。它於 1862 年由美國聯邦政府授權，並於 1869 年完工。這條鐵路極大地改變了前往美國西部的旅行；在它建成之前，這種旅行需要乘坐馬車或牛車旅行數月。建成後，只需一週時間即可完成旅程。
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