▲图1，钻木取火
燧石取火的关键是燧石。燧石是石英的一种，其主要成分是氧化硅。氧是地壳中含量最多的元素，占49.4%；硅在地壳中的含量排名第二，占26.4%。因此燧石到处都有。燧石多为灰黑色，很硬，破碎后有尖锐的断口。用燧石互相撞击会产生火星，从而点燃干草木屑（图2）。古人类应该是在打造石器时发现了燧石。后来又发现用铁器打击燧石效果更好。
▲图2，燧石取火
钻木取火和燧石取火的方法用了数万年。
今天我们偶然还会用到这两种古老的方法来生火。
我们的祖先还发明了好几种生火的方法。早在西周时代（公元前1046年—公元前771年）有人发明了金燧（图3）。金燧实际上是一个聚光的铜镜，它利用太阳光聚焦来提升温度，从而点燃干草木屑，因此又称之为阳燧。
▲图3，中国古代的金燧
到了南北朝（公元420年—公元589年）时代又发明了火折子。早期的火折子用土纸、硫磺等物制成（图4）。土纸包裹着硫磺，卷成筒状放在竹筒里，点燃，然后盖上盖子。由于隔断了空气，火折子只能十分缓慢地燃烧着。使用时打开盖子吹一下，火就升起来了。用完后盖上盖子即可将火种继续保留。如此使用，可以延续很长一段时间。后来的工匠们又加入硝石和松香，使生火更加容易。不过缓慢的燃烧终究会把火折子烧尽。天气太冷也无法生火。而且硫磺有毒，容易对人体产生伤害。
▲图4，中国古代的火折子
到了宋代（公元960年—公元1279年）人们又改进了燧石取火的方法，发明了火镰（图5）。火镰是个铁块，为了使用方便装了一个把手和一个镰状的刀刃，因此叫做火镰。火镰还配有一块燧石和一个火绒。火绒通常是用艾蒿、麻杆芯、棉花等疏松易燃材料制成。火镰打出的火不大，点燃火绒后还要加入干草木屑才能生起火来。火镰一直沿用到近代。
▲图5，中国古代的火镰
在宋代，人们还发明了火寸。据记载火寸是一寸宽左右的杉木条，前端涂上一层硫磺，遇到星火就能燃烧发光，以便晚上照明。它比蜡烛还要易于点燃。因此又叫做“引光奴”。
众所周知，火药是我们中国的四大发明之一（参见《爆炸》）。据记载，在宋元战争时期（公元1234年—公元1279年），宋军就开始使用火枪了（图6）。但是早期的火枪需要点火才能发射。装填火药、点火发射的过程很慢。
▲图6，中国古代的各种火枪
火枪的技术通过丝路传到了欧洲。到了15世纪，欧洲人发明了新的点火方法：火绳枪（matchlock）。如图7所示，火绳枪上面是一个缓慢燃烧的火绳，可将其转动对准启动盘，并点燃启动盘中的火药。扣动扳机时将火种推入枪管，点燃枪管中的火药，发射出铁球。因此，开枪叫做“fire”。
（a）枪体
（b）点火动画
▲图7，火绳枪
16世纪初欧洲人又发明了燧发枪（flintlock）。如图8所示，燧发枪用燧石代替火绳，扣动扳机时转盘带动燧石推开“L”形保护杆，砸向启动盘，点燃启动盘中的火药，进而点燃枪管中的火药，发射出子弹。接着弹簧将保护杆归位。射手可以再次装填子弹。这些改进大大加速了火枪的发射过程。
（a）枪体
（b）点火动画
▲图8，燧发枪
后来人们干脆把点火的火药（底火）、燃烧的火药和铁球（弹头）集成在一起，做成子弹（图9），以便快速发射。但“fire”这个词一直沿用至今。
如今每年都会制造出大量的子弹。美国最多，每年制造或进口约100亿颗子弹，其重量相当于两艘“泰坦尼”号邮轮，平均每人32颗。中国排名第二，每年生产20亿颗子弹。
▲图9，子弹的结构
火柴的发明则是近代的事情。它可以追溯到著名的英国科学家罗伯特·波义耳（Robert Boyle，1627年—1691年）（参见《医学影像之一》）。波义耳堪称化学之父，特别善于从实验中发现新知。一次他在一张纸上涂上磷，并在一块木片上涂上硫磺，当木块划过纸时，摩擦生热，激发磷和硫产生化学反应产生更多的热量，点燃了纸张。他详细记录这一发现。不过由于当时磷的价格十分昂贵，没有人想到要用它来做火引。
一百多年后的1826年，英国人John Walker在研究火药时发明了实用的火柴。这种火柴的顶端是硫、钾盐和淀粉的混合物，在石头一擦上即可起火。他向他的朋友Samuel Jones展示了自己的发明。Samuel Jones不客气地把这个技术归为己有，开了一个公司大规模生产（图10）。由于使用方便，火柴很快就普及开来。不过这种火柴起火时会释放出强烈的气味，令人不适。
▲图10，世界上最早的火柴“Lucifer”
1830年，一位法国化学家（Charles Sauria）发明了用磷做火柴头的没有气味的火柴。此时磷的价格已经大大降低。这种火柴价廉物美，很快就传遍了欧洲。后来发现大量吸入这种火柴燃烧时所发出的烟雾会导致昏眩和幻觉。著名儿童文学作家汉斯·克里斯蒂安·安徒生（Hans Christian Andersen，1805年—1875年）的名作《卖火柴的女孩》（The little Match Girl）就是以此为背景（图11）。
▲图11，安徒生童话《卖火柴的女孩》插图
1855年，一位德国化学家发明了安全火柴。这个配方一直沿用至今。
到了19世纪末，火柴已经传遍了全世界。在中国，人们把它叫做“洋火”。
▲图12，世界上最早的打火机“Pist-O-Lighter”
打火机用的是燧发的原理：摩擦生热，点燃特别配方的燃油。最早的打火机是在1900年左右出现的（图12）。这时，科学家与工程师们已经逐渐了解各种燃料的性质。燃料要燃烧有两个温度：
01
闪点（flash point），即是燃料与空气形成的混合气体后与火焰接触时能够立刻燃烧的最低温度。
02
燃点（ignition point），即燃料与空气形成的混合气体后不需接触火焰也可以立刻燃烧的最低温度。打火机油有多种，常用的是丁烷，其闪点为-80℃。因此天寒地冻之时也能打着火。
表1是几种常见油料在常压下的闪点与燃点。有时我们看见餐馆里炒菜炒得喷火，那是因为温度超过了植物油的燃点，所以燃烧。另外，随着压力的增加，闪点与燃点会降低。
▲表1，几种常见燃料的闪点与燃点（单位：℃）
在19世纪末，内燃机大行其道（参见《内燃机》），各种交通工具：汽车、火车、轮船、飞机都离不开它。内燃机中的汽缸在每个运动周期都需要点火。传统的燧发式点火方法速度慢，易于磨损，可靠性不高。因此电子点火应运而生。在1900年前后，有好几位发明家分别发明了电子点火技术。一位是特斯拉（参见《磁学人物》）。尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）是电磁技术的先驱，对高压电十分熟悉，他与人合作开发出了一种电子点火技术。
更为成功的是德国发明家、工业家罗伯特·博世（Robert Bosch，1861—1942）。博世的父亲是一位农场主。他在12个兄弟姐妹中排行第11。他从小受到很好的教育。从斯图加特大学（University of Stuttgart）毕业后，他曾经到美国的爱迪生（Thomas Edison，1847—1931）实验室工作过。不久回到欧洲在西门子（Siemens）公司工作。1886年，他开始创业，为著名的汽车工业家戈特利布•戴姆勒（Gottlieb Daimler，1834—1900）的汽车公司制造汽车零部件。1887年，他发明了新型的火花塞。一举解决了内燃机点火这个关键问题。1902年，他的公司又发明了高压火花塞（图13、图14）。这个火花塞使用20,000伏特（V）的高压，每分钟可以点火数千次，使内燃机的性能大幅提高。今天博世公司已发展成为世界500强之一。罗伯特•博世还有一个侄子（Carl Bosch，1874—1940）是诺贝尔奖获得者（参见《科学家属于整个世界》）。
▲图13，罗伯特·博世（中间站立者）
▲图14，罗伯特 · 博世的火花塞
还要一提的是戴姆勒。读者也许不熟悉这个名字。他是德国戴姆勒汽车公司的创始人。他想为他的汽车取个好的名字，他的一个投资人埃米尔·耶利内克（Emil Jellinek）建议用他女儿的名字：梅赛德斯（Mercedes）（图15、图16）。这个词源自拉丁文，意思是“高雅”。戴姆勒高兴地同意了。第二次世界大战后，戴姆勒汽车公司与奔驰汽车公司合并（参见《内燃机》），今天，它们的汽车就叫做“梅赛德斯—奔驰”，用的还是那个圆圈—三角星形的标志。
▲图15，梅赛德斯·耶利内克（Mercedes Jellinek）
▲图16，梅赛德斯—奔驰的标志
今天，最先进的点火技术则是激光点火。它不但可以用于枪炮点火、内燃机点火，还可以用于核聚变（图17）（参见《核聚变之二》）。
▲图17，激光点火核聚变
END
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撰文：杜如虚（加拿大工程院院士）
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