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序文
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物理化學

【類別最新出版】
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誰說不能從武俠學化學?
誰說不能從武俠學物理+化學【全二冊套書】


工程之書(CKB0058)
The Engineering Book : From the Catapult to the Curiosity Rover, 250 Milestones in the History of En

類別: 自然‧科普‧數理>物理化學
叢書系列:科學人文系列
作者:馬歇爾.布雷恩
       Marshall Brain
譯者:畢馨云

出版社:時報文化
出版日期:2016年12月16日
定價:580 元
售價:458 元(約79折)
開本:16開/平裝/264頁
ISBN:9789571368139

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序文內文摘錄



  序文

只要環視四周,不論你現在坐在哪裡,你的周圍多半會是經過工程設計的物品。假如你坐在普通的辦公椅上,這張椅子的誕生就要仰仗工程師。椅子的布料,布料底下的海綿,把布料和海綿組在一起的骨架,構成扶手的塑膠元件,讓椅子能上下調整前傾後仰的機械零件,椅子底座,讓椅子自由滑動的滾輪,這些都需要工程師幫忙設計製造。

你所在的室內,牆上的漆連同油漆覆蓋住的牆板,也可能是經過工程設計。牆板內的石膏可能來自發電廠,發電廠裡有工程師負責設計洗滌塔,可把煙囪內的硫轉變成石膏,利用這個方法為煙囪脫硫,其他工程師負責設計工廠,取石膏製成牆板。你在房間裡呼吸到的空氣,很有可能經過空調系統中的空氣過濾器淨化,而空調系統又是受恆溫器控制,因此溫度可以保持適中。空調機件中的風扇從工程設計過的微電網獲得電力,微電網則連回可能生產出石膏的發電廠。

你身旁可能有一些電子產品,全都出自不同領域的工程師之手。比方說,在你桌上可能有智慧型手機或平板電腦,牆上有高畫質電視,還有自動與無線電台發射訊號對時的電子鐘。電機工程師、軟體工程師、工業工程師和機械工程師,讓這些事物化為現實。

走到室外,你會看見馬路上川流而過的車輛,也許正好有一架安全無虞的噴射客機以時速885公里飛越頭頂。路面底下是下水道、總水管、暴雨排水溝、電話線及有線電視纜線、瓦斯管線,這些也都經過工程師設計。

此外還有無線電波,雖然完全看不見,但有成千上萬的無線電波訊號環繞在你周圍,也都是拜工程師之賜。你家所在地區的每個調幅(AM)電台、調頻(FM)電台、電視台,都正以不同頻率的無線電波形式從你身旁流過,每支手機也正與當地的天線塔保持連繫。智慧型手機通常有提供語音通話的多重無線電波,以及單獨提供給Wi-Fi和藍牙的無線電波系統。附近其他的Wi-Fi熱點和藍牙裝置,以及使用Wi-Fi的每一台平板電腦、筆電、桌上型電腦,也會讓你籠罩在無線電波之中。不僅如此,頭頂上還有很多人造衛星,傳輸GPS訊號、衛星電視訊號、銥衛星電話訊號、氣象衛星訊號等等。再加上外面的一大堆無線電波:警消無線電波、水表無線電波、氣溫及雨水感應器無線電波、車庫門開關遙控,以及汽車遙控鑰匙。如果認真想,你會甚為驚訝。倘若沒有工程師去實踐,沒有監管結構讓所有的無線電波訊號不會互相干擾,這一切都不可能成真。

工程師一手打造我們這個現代世界。在美國,約有兩百萬名工程師在各自的崗位上,多半隱身幕後,不大張旗鼓。要是少了這些工程師,我們就會回到石器時代。

現在我們就要一起展開一趟迷人的旅程,踏進工程的世界。先想一想以下這個問題,或許會有些幫助:工程究竟是什麼?《蘭登書屋韋氏大詞典》(Random House Webster’s Unabridged Dictionary)可算是很好的起點,它是這麼定義工程的:「把物理、化學等純科學的知識拿來實際應用的技術或科學,例如建造引擎、橋梁、建築物、地雷、船舶和化工廠。」

以下則是出自《韋氏大學詞典》(Merriam Webster’s Collegiate Dictionary)的定義:「應用到科學與數學,而使物質性質和自然能源對人有用。」

要理解工程,還有個好方法,就是去想一想會在工業界找得到的所有工程學科,或是找一找大型工科大學裡會開設的學科。比方說,如果我們看一下美國北卡羅萊納州立大學的工學院,會找到以下這些科系:

生物及農業工程    森林生物材料工程
生物醫學工程    整合製造系統工程研究所
化學及生物分子工程    材料科學與工程
土木、建築與環境工程    機械與航太工程
計算機科學    核子工程
電機與電腦工程    作業研究
工業及系統工程    紡織工程、化學及科學

另外也有一些專業領域,譬如石油工程師負責鑽油及煉油,奈米工程師在奈米技術這個新興領域工作等等。

讀到這些定義和學科,你的腦袋裡可能會浮現工程師對社會有所貢獻的畫面。好比設計橋梁的土木工程師,他們受過訓練,懂數學、軟體工具、最佳作業方式及法規,這些都與設計建造出安全可靠、屹立不搖的橋梁有關。他們的成果處處可見,美國舊金山的金門大橋和法國的米約高架橋,都是大家公認的工程傑作。不過,工程師偶爾會鑄成大錯,就像美國華盛頓州塔科馬海峽吊橋的案例,工程師從這些疏失吸取教訓,納入知識體系,應用到往後所有的橋梁新建工程。在工程這一行,每個人都會不斷交流,彼此學習,使技術持續進步。

有些經過工程設計的物品非常單純。舉例來說,鑄鋁車輪這個單件,要能應付汽車的負載,以及來自轉彎、緊急煞車、路面坑洞的所有作用力。其他物品可就十分複雜,譬如汽車或飛機,有數不清的組成零件,要精準可靠地共同操作。還有一些系統,像防鎖死煞車系統或安全氣囊系統,是靠著彼此連結的組成零件,來完成操作或解決問題。

另外也有一些大型工程系統,我們稱之為架構。電腦工程師經常用「電腦架構」一詞,來代表許多零件和其相互關係。或是想一想阿波羅登月任務。為數眾多的人員和組件聚在一起,為這項任務打造出架構,許多組成部分彼此相關:農神五號運載火箭、指揮及勤務艙、登月小艇、太空衣、月球車,及其他一切東西。要是其中有任何一環無法正常運作,整項任務就有可能失敗,太空人命懸一線,就像電影《阿波羅13》的情節一樣。同樣的,電力網的架構裡包括發電廠、輸電網、配電網,手機系統也有自己的架構,其中包含天線塔、手持話機,以及把這些組件連在一起的複雜信號傳輸協定。

透過大量生產,以及運用技術節省不必要的材料、時間和程序,來使成本下降,在這方面工程師也扮演重要角色。我們所穿的衣服就是很好的例子,以前的人做衣服,每樣工作都要自己來,種植棉花、鋤地、採收棉鈴,然後把棉纖維裡的棉籽去掉,一切都靠雙手。接著,他們清洗棉花、染色、梳棉、紡絲、在手工梭織機上織成布,再用針線把布縫製成衣服。因為每件衣服都代表幾百小時的人工勞力,所以價格昂貴。今天,工程師幾乎已經把程序裡的每個環節機械化了,同時讓大家有各種合成纖維可用,衣服也就變得物美價廉。各類用品都發生過同樣的轉變,所以我們現在才買得起智慧型手機,大家都能隨身帶著這些有高解析度螢幕和強大拍照功能、隨時能連上網路、從無數伺服器查到幾乎任何疑問解答的小小電腦。要是沒有工程師,這一切都不會發生。

科學家和工程師有什麼不同?大家寄望科學家了解宇宙運作之道,他們做研究,解答與自然界有關的基本問題。舉例來說,可能有位科學家發現弧形的玻璃會使光線偏折,後來找出數學方程式描述這種偏折,而從這項科學發現,我們就有了透鏡。接著,也許有某位科學家或發明家會把透鏡組合起來,變成光學裝置,譬如顯微鏡或望遠鏡,終將邁出下一步。如果你想以合理的價格做出一百萬架望遠鏡,或是想打造一架好幾公噸重的巨大望遠鏡,希望它能轉動自如,在地球自轉時依然能自動追蹤某顆恆星,這時就需要工程師接手。

科學家發現,鐵加了適量的碳可造出鋼,而工程師利用鋼建造橋梁、摩天大樓、汽車、超級油輪。鋼太重或是太脆弱,工程師還有許多其他的材料可用:鋁、鈦、碳纖維、克維拉、塑膠等等。

你經常會聽到有人驚呼:「這設計真美!」或者「那真是一件設計周全的用具!」例子不勝枚舉,包括SR-71偵察機、Ariel Atom賽車,或巴特農神殿。但也可能是更加單純的東西,譬如汽車傳動系統裡的換檔裝置,甚至像是重量適中、如絲般順手的控制旋鈕。當工程師的巧妙設計達到極高境界,重複利用和精簡的程度令人印象深刻,精細化的能力讓人初次使用就驚歎不已,或是做到形式與功能完美結合,這時就會引發眾人讚歎。就像藝術品和大自然,我們在工程設計裡看見美。

工程師從這些不同的方面,讓社會前進。他們發展新技術,讓我們生活得更舒適,他們讓成本下降,使更多人能夠參與,他們打造出令人驚奇的事物,使我們以生而為人感到自豪,他們創造出現代生活所依託的物品。