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序文
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物理化學

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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



  內文摘錄

西元前3萬年
弓箭



如果我們盡可能回溯人類史,會在哪裡遇到史上第一件工程?假如有人製作一件工具,這算是工程嗎?算。可是必須帶有某種方法。倘若某個人撿起石頭把堅果敲破,那是在使用工具,但不是我們所認為的工程設計。經過工程設計的物品,沒有這麼簡單。因此,有資格稱為第一件工程設計的物品,或許就是弓箭,而且人類自古就使用弓箭──始於三萬年前或更早以前。

弓箭是一項絕頂巧妙的技術。就我們所知,它是能夠把能量先儲存下來、隨後再釋放出來的第一件器具。它也是第一個拋射武器,可以從自然界就地取材來製作。一根木條加上一條由纖維、獸皮或腱製成的弦線,負責蓄積能量,一根尖端有獸骨或石塊、靠羽毛來保持平穩的木條,則充當投射物。

既然是人類的第一個拋射武器,可以想見弓箭多麼有用。如果有人要獵鹿或兔子,弓箭提供一線希望。拿弓箭和扔石頭或擲矛來比較一下,石頭和矛只有在距離短時行得通,不是特別精準,準備丟擲的動作還會洩露獵人的位置,使用弓箭的話,獵人可以從隱密的位置悄悄射擊,不需做任何準備動作,可以十分精準,而且射程夠遠。弓箭為獵人改變遊戲規則。

到了1400年,弓箭有重大改良。英國弓箭手使用長弓,每分鐘可以發十枝箭。箭離開弓時的速度是每小時超過160公里,飛行距離超過300公尺,在18公尺射程下,金屬箭鏃的箭可以射穿盔甲。

雖然槍砲改寫兵器的概念(從此就出現像是AK-47突擊步槍這類高性能武器),但弓箭居主導地位長達三萬年,毫無疑問是技術史上最長紀錄。
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西元前3300年
狩獵採集工具
冰人奧茨(Otzi,約西元前3300年)



工程師和工程思維創造出來的事物之一,是新技術──解決問題的有用物品。在野地生活的動物不會創造稍有複雜度的新奇技術──這個人類特有的特質,來自我們看出問題然後想出解決之道的能力。

許多文化中,很早就已經發展出技術。多虧今天稱呼為奧茨的人類木乃伊,我們才窺見五千多年前可達到的技術。奧茨死亡於西元前3300年,但這具木乃伊非常完好地保存在冰川裡,1991年被人發現。奧茨身上帶著不少他那個時代的技術器物,舉例來說,他所穿的鞋子內裡是草,鞋底是熊皮,鞋面是鹿皮,他的身上還穿著獸皮製成的衣服(帽子、外衣、褲子、腰帶),由腱製成的線把獸皮固定在一起。

他的隨身用具更令人吃驚。最可觀的是一把紫杉木柄的銅斧,另外還發現一把短劍,劍刃是燧石做成,柄是木製,劍鞘固定在腰帶上。他帶著弓,不過看起來尚未完成,而且沒有弓弦。跟這把弓搭配的是一個裝著箭和箭桿的箭袋,箭鏃是燧石做成,箭上的羽毛讓箭在飛行時保持平穩。

顯然他有個附有內框架的背包,和一個獸皮製成的袋子。背包裡裝著多個樺樹皮簍,其中一個可能用來盛放升火用的煤塊。他還帶了網子、細繩、皮帶器具(可能用來攜帶獵殺到的鳥),和大家認為可當藥材的菇類。

考慮到時代和當時歐洲文明的狀態,這樣的技術很驚人。這展現工程思維在人類大腦中多麼根深柢固。比方說,要能隨身攜帶銅斧,就要有能力採礦、煉銅,然後從熔銅鑄造成銅的器物,在原始文化中,這是出人意料的工程技術水準。
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西元前2550年
吉薩大金字塔



想到現在的工程師,我們認為他們是在做對社會有貢獻的事,像是設計橋梁、消費電子產品或新車。埃及吉薩大金字塔(古夫金字塔)就不是這麼回事,即使在建造幾千年後的今天看來,大金字塔仍舊是人類史上最大、最重、最高的建物之一,然而它沒有什麼實用功能可言。

工程師並不是某天一起床就準備好建造吉薩大金字塔,他們其實是在整個世紀間,試造幾座金字塔。左塞爾金字塔(Pyramid of Djoser)是約60公尺高的傳統式階梯金字塔,梅德姆金字塔(Maidum Pyramid)也是傳統式階梯金字塔,但又補上幾個階梯,因而開始形成平滑角錐體的外形。曲折金字塔(Bent Pyramid)是從某個斜度開始建造,後來工程師發覺行不通,所以中途把斜度改了。紅金字塔(Red Pyramid)的形狀對了,但比吉薩大金字塔矮43公尺左右。

在這之後,工程師準備好建造大金字塔。他們清掉5.26公頃工地上的沙,露出基岩,這就是金字塔的地基。他們讓金字塔面朝近乎正北方,然後放置最底層的石塊,每邊長達230公尺,這些石塊來自尼羅河沿岸的採石場。

在建造過程中,工程師必須做某些很有趣的事。他們要去想像墓室、走廊和通道在金字塔主體中的立體樣貌,他們必須在建造時一層一層打造出這些內部結構。這正是如今工程師在3D印表機上使用的整套方法。

最後,塔尖高146公尺,全世界最巨大的紀念塔完工了。吉薩大金字塔象徵工程的勝利。
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西元前2000年
因紐特技術



工程技術彷彿本來就裝好在人腦中。許多人類文化相當擅長發展新穎的技術,來解決遇到的問題。位於加拿大北部和格陵蘭的因紐特(Inuit)文化,就發展出很多技術。

沒有人知道因紐特人何時抵達這個地區,但一般都認為是在西元前2000年以前的某個時候。因紐特人生活在北極林線以上的極嚴寒氣候中,他們發展出至少十多項獨特技術,來因應環境,供給糧食和安身之處。

由於冬天氣溫經常跌到零下17℃,所以能夠禦寒的衣服是他們的主要需求之一。因紐特人的獸皮外套、靴子和手套,都能抵禦這樣的低溫。因紐特人的服裝由獸皮製成,內裡還有毛皮加強保暖和防水,是結合藝術與絕佳工程設計的代表作。

另一個創新領域是冰屋,能夠在最極端的極地氣候條件下擋風遮雨。因紐特人可以在短短一小時左右,使用雪鋸蓋出冰屋,築起一個臨時的棲身之所。時間更充裕的話,這些圓頂冰屋可以建造到直徑4公尺、高3公尺那麼大。

受西方世界廣泛採用的因紐特技術,則是獨木舟。原始的形式是用腱把木框綁好,再包覆去毛後的海豹皮。因紐特人實現這個想法:獨木舟萬一翻覆,就想辦法讓它翻滾回來。

因紐特人的木雕雪地護目鏡,可以在晴朗的日子防雪盲。這種護目鏡是不透明的面罩,上頭刻了細縫,能讓射入眼睛的光線大幅減少。

因紐特人擅長把獸骨、石頭等材料製作成刀子、箭鏃和魚叉頭。特別獨到的是套環式魚叉頭,一旦插進去,魚叉頭會從平行方向轉成垂直,使魚叉幾乎不可能不小心鬆脫。

綜合起來,這套技術讓因紐特人能夠在凜冽的極地氣候下存活繁衍。每項技術都具體展現出,這些獨特的工程發現已提升為精緻藝術,並透過口述代代相傳下來。
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西元前1400年
混凝土



混凝土是從什麼時候開始使用的?似乎是在三千多年前,介於西元前1400到前1200年。考古學家在希臘提林斯(Tiryns)的宮殿遺址發現混凝土地板,提林斯在青銅器時代之前就已存在。由於配方不良,所以很容易碎裂。龐貝古城主要是用羅馬混凝土建造。

當今世界上,混凝土是極為重要的材料,土木工程師利用混凝土興建道路、橋梁、水壩、摩天大樓、飛機跑道、運河和大規模的地基。如果以重量來算,混凝土是目前為止排名世界第一的建材。

混凝土會這麼普遍的原因很容易理解:混凝土讓工程師能夠把液體灌進鑄模,製造出類似堅石、可用幾百年的東西。加了鋼筋或先拉預力鋼筋之後,混凝土的強度會大幅提升,於是就能製造出30公尺或更長的橫梁。另外,混凝土大部分的重量來自砂石,所以比其他材料便宜,以現在的價格來算,每磅混凝土便宜三美分。

混凝土有四個成分:一份波特蘭水泥(矽酸鹽水泥),兩份砂,三份碎石,加上足量的水,攪拌成糊狀混合物。波特蘭水泥與水混合時,會像膠一般把砂和碎石結合成密實的固體,但這又不像會乾的膠,反而比較像是透過化學反應變硬的鈣矽水環氧樹脂,這個化學反應會放熱,而且過程緩慢。混凝土需要幾星期的時間硬化,達到合宜的強度,正因如此,你會經常看到建築工人在灌好混凝土地基之後,就消失一個月。他們是在等混凝土硬化,直到能夠承受重量為止。

儘管混凝土容易製成,但把它做對是非常重要的。灌路基或地基時,工程師往往會鑽取一個圓柱試體來做試驗,確認抗壓強度。
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西元前625年
瀝青混凝土



如果沒有瀝青混凝土(asphalt),哪會有城市?瀝青混凝土很便宜、容易施作、平整、無接縫又耐用,是興建馬路和停車場的神奇材料。工程師可以規畫出一條瀝青混凝土路面,能承載幾百萬輛汽車,使用年限達十年以上。瀝青混凝土十分普及,美國差不多有6%的道路是瀝青混凝土鋪成的。已知最早使用瀝青混凝土的例子,可以上溯到西元前625年的巴比倫人。

瀝青混凝土普及的原因之一是簡單。它有三個基本成分:砂、碎石和瀝青。偶爾在自然中也找得到瀝青,但現今瀝青主要來自煉油廠。就像其他的石油餾出物,用同樣的方法也能從原油提取出瀝青。汽油和瀝青有相同的原子(碳和氫),但瀝青裡的碳鏈非常長,因此瀝青在室溫下近乎固體。

瀝青混凝土是可以手工製作的,甚至用廚房烤箱就能做出少許瀝青混凝土。把一點砂和碎石放在烤盤上,放進150℃的烤箱裡均勻加熱,到乾透為止。現在再放上一塊瀝青,繼續加熱,讓瀝青熔化。接著充分攪拌,讓瀝青和砂石混合在一起,這就是瀝青混凝土。此時,你的廚房會有一股難聞的氣味,而且那個烤盤怎麼洗都洗不乾淨,不過現在你就能修補路面的小坑洞了。

工程師已經改進瀝青混凝土的製造技術和處理設備,使道路成本下降。比方說,美國策略公路研究計畫(Strategic Highway Research Program)就曾為超級鋪面(SuperPave)建立拌合及施工方針,如今美國許多高速公路使用的都是超級鋪面配比設計法。若是大型道路工程,工程師經常會在工地附近設立移動式瀝青混凝土廠,讓運送更方便、更穩定。

在美國,瀝青混凝土是最常回收利用的材料(以重量來計),這點大概很少人知道。施工人員把瀝青混凝土刨起磨碎,重新添加瀝青,再用來鋪設新路。要是沒有瀝青混凝土,工程師就需要使用價格高出許多的混凝土,因此瀝青混凝土是世界上最普及的建築材料之一。
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西元前438年
巴特農神殿



巴特農神殿是一座美麗又設計精美絕倫的建築物,它歷經時間的考驗,在今天看來依然令人歎為觀止,因為在它興建的時代,幾乎沒有什麼可用得上的技術。它也透露了提出構想之人的一點事蹟。

巴特農神殿建於西元前438年,是獻給雅典娜女神的宏偉聖殿,神殿裡曾經擺著一座以黃金和象牙製成的巨大雕像。田納西州納許維爾的仿巴特農神殿裡,還真的放著這座雕像的複製品。

工程師採用的基本建造理念十分簡單,同時也執行得很出色。外圍有大理石柱──正面和背面各有八根,左右兩側各有十七根。列柱上方橫放著大理石楣,然後還有許多裝飾。原始建築物有個屋頂,由木製桁架支撐,貼著黏土屋瓦。另外還有內牆,構成了供奉雕像的居室。

今天讓人驚歎的一件事是,工程師在巴特農神殿裡設計了曲線,顯然是要製造出一種反向的錯覺。神殿的地面不是平的,而是中央稍微高些。列柱不是筆直立著,而是略微朝內傾斜,另外,轉角處的柱子也和其他柱子不大一樣,比較寬一點,而且和其他柱子稍微靠近些。一切「看起來是對的」,但看起來對的原因是,每樣東西都有一點不對勁。為了打造出毫髮不差的外觀,而把差錯設計進去。

所以現在一說到最偉大的希臘神殿,我們就會想到巴特農神殿,並不是因為它最雄偉,或保存得最完好,而是因為它最完美。近年希臘人為了修復數百年來遭受的部分破壞,恢復當初工程師和工匠塑造出的宏偉原貌,已經陷入極大的困境。
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西元前312年
古羅馬輸水道
克勞狄(Appius Claudius Caecus,約西元前340~273年)



有時候,工程技術可以解決一群人的重大迫切需求。在古羅馬就遇到這種情況,而遇到的是供水問題。那是在西元前300年左右,羅馬正日漸發展起來,但供水系統卻臭氣沖天,地下水有一股不好的味道,而來自台伯河的水帶有病原體。

為了解決問題,督察官克勞狄委任的工程師發展出輸水道。第一座叫做亞壁輸水道(Aqua Appia),是完美的範例。工程師在羅馬城外約16公里處建一座大清泉,由於它的海拔比羅馬城高,所以重力自然會讓水往城裡流。古羅馬工程師又挖了溝或隧道(通常要穿過堅硬的岩石),接著在內壁刷上防水砂漿。如果中途經過山谷,工程師就會建一座橋來承載水道。水道一路上微微朝下傾斜,直通羅馬城。

水裡的泥沙和沉澱物該怎麼辦?水緩慢流經寬闊的深潭,所以微粒會沉降。要怎麼維護隧道,清除這些微粒?直井負責把隧道連接到地面。要是有太多水湧進系統,會怎麼樣?隧道有溢流排水口,可排掉多餘的水。

一般認為亞壁輸水道每天把7,600萬公升的水運送到羅馬。一到城裡,輸水道送來的水就會流進大型公共噴泉、公共浴池、住宅管路或下水道系統。下水道把汙水送出城外,讓羅馬保持潔淨。

即使每天供應7,600萬公升的水,仍然不敷羅馬城所需,於是工程師建造更多的輸水道。在五百年間,有十一條輸水道供應羅馬的用水,最長的一條綿延90公里。整個系統每天運送約11億公升的水,供給超過一百萬人。這是了不起的成就,也導致後來的一些新發展,譬如現代下水道系統。
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西元前100年
水車


在有蒸汽機、柴油機、電動機之前,若想建工廠或使用到手工具以外的任何一種大型工具,都會需要可提供動力的東西。工程師可以、也確實曾把人放上像倉鼠滾輪似的放大版(腳踏水車),來轉動水平軸,還讓人或馬繞著圈子走,來轉動垂直軸。

然而,能可靠提供持續動力來源的新技術是水車。最早利用水車的似乎是羅馬人,約在西元前100年,在許多古羅馬遺址都可以看到這些工程技能,但最令人印象深刻的,是位於法國巴貝加爾(Barbegal)的多輪式磨坊。

古羅馬工程師在陡峭的山坡上設置兩組水磨,每組8座,共有16個直立的上射式(overshot)水車。由於是依山坡而建的,因此水會從一個水輪往下注入下一個水輪。

水車的水平軸連接到嵌齒輪,因此:(1)水平軸的旋轉方向可以從水平切換成磨石的垂直方向,而(2)磨石的轉速就能達到水車的兩到三倍。

據估計,這個遺址的16座水磨每天可以生產約4,500公斤(10,000磅)的麵粉。一磅的麵粉可做成一條麵包,每天一萬條麵包,能餵飽附近約莫三萬人口的羅馬城鎮阿萊拉特(Arelate,現今的亞爾)。

古羅馬人也利用水力,驅動用來鋸木頭或石塊的往復式(reciprocating)鋸床。

一千七百年後美國工業革命開始之初,水仍然是動力來源,第一批工廠要靠直式和臥式水車來驅動,因此必須設在水量充足的地點。舉例來說,美國工業革命的第一座工廠就位於羅德島的普塔基特瀑布(Pawtucket Falls)。在蒸汽機還未普及之前,每座工廠都需要靠水力來運作。
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西元79年
龐貝



古羅馬城市是早期工程技術造詣的絕佳範例,尤其是當古羅馬工程師從零開始建出新城市;這些是高度發達、井然有序、有規畫的大都市,能夠讓上萬居民安居於此。

79年,龐貝遭火山灰埋沒,當時羅馬已經統治這座城市超過一世紀。火山灰彷彿時光膠囊般,把龐貝城保存下來,讓我們看見兩千年前羅馬人在有工程建設的城市裡生活樣貌。

供水和下水道系統對一座羅馬城市而言是很重要的。水經由暢通的輸水道送進城裡,再透過管路和公共噴泉配送給居民,過剩的水、排泄物和雨水,則流進地下的下水道系統。

為了讓人、動物和馬車在城市裡穿梭,道路就非常重要。龐貝城的街道由石塊鋪成,呈網格狀布局,就像現代化城市裡的街道。街道兩旁是人行道,而且有供人遮陽的設計。

公共浴池對於衛生情況和社交都很重要,龐貝的許多公共浴池有高明的加熱系統,稱為熱炕(hypocaust),磚砌成的墩把浴池地板抬高,讓下方留有1公尺的空隙,火產生的煙和熱氣就從地板下方流過,通過牆壁,把浴池加熱到49℃的高溫。

羅馬的城市還有商店、作坊、麵包糕點鋪、市場、寺院和政府機關所在的公共集會廣場、圓形競技場,以及表演劇場。龐貝城的居民住在私人住宅或公寓裡。

當時工程師可用的建築材料有石材、混凝土、磚、瓦和木材。舉例來說,龐貝的競技場是羅馬帝國最古老的石造競技場。典型住宅的室內牆壁會刷上灰漿,也經常會上漆,而外牆則是塗上灰泥。屋頂使用到桁架,並且鋪上瓦片。

古羅馬工程師為這些城市的居民打造出都會奢華的極致,提供大眾享有舒適生活所需的一切事物。
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西元1040年
指南針


想像一下自己是五百年前的旅人,走在無人涉足之地,這時你可能會遇上什麼麻煩。如果你有時鐘,而且可以看到太陽,你就能相當準確地判斷出方向。或是在夜裡,如果你看得到星星,又有些時間,你也能判斷方向。不過,要是你可以從口袋掏出一件儀器,讓你馬上知道你的即時行進方向,不是很棒嗎?

在今天看來,指南針(羅盤)好像非常普通,只要用縫衣針、小磁鐵、一小塊泡綿和一碗水,隨便哪個小朋友都能在五分鐘內做出指南針來。把縫衣針在磁鐵上摩擦幾下,讓縫衣針磁化,然後把針放在泡綿上,讓泡綿漂浮在水碗中。磁針會旋轉,你馬上就知道磁北是哪個方向。

但時光倒回一千年前,事情就沒那麼容易了。首先,我們需要一根鐵針,這代表必須有鐵──這可不是小事,只要想想會需要何等的鐵礦冶煉技術。假設你能找到鐵礦,也曉得冶煉的意思,接下來你必須有能力把鐵磨成針,而這又需要工具和某些技能。另外,我們還需要磁鐵。要去哪裡找磁鐵呢?這時根本還沒有電磁鐵,只有存在於自然中的天然磁鐵,叫做磁石,但很稀有,你必須去找出來。

在中國,一切水到渠成。宋代時(約在1040年),他們開始冶鐵,生產鐵針,與磁石結合起來,就製造出首批指南針。除了讓磁針漂浮在盛水的碗裡,他們也會把針懸掛在絲線上。

從工程的角度來看,指南針對於早期的測量工作極為重要。若要在一塊土地上鋪鐵路、設運河或邊界,品質好的指南針是不可或缺的,想要在荒郊曠野中確定自己的方位,沒有其他簡單又準確的方法。

一切全是因為地核本身就是個磁鐵,而儀器製造商利用這一點來製造品質優良的測向儀器。
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西元1144年
聖丹尼聖殿


當我們想到大教堂這種建築時,出現在腦海中的通常是奇大無比、有大片彩繪玻璃裝飾的石造哥德式教堂,這些建築物從幾個方面看都是驚世之作,但最令人感興趣的也許就是,它們代表建築和工程向前邁進一大步。雖然已經有吉薩大金字塔與其他類似的龐大建築,但世人從來沒有見過這麼高聳開闊、鑲著大面積玻璃窗、光線如此明亮的建築物。位於法國、在1144年建成的聖丹尼聖殿,被認為是這種建築形式的第一個例子。

要蓋出哥德式教堂,需要兩項工程創新技術。第一項是哥德式的拱頂,或叫做尖拱,這個設計取代羅馬式的圓拱。尖拱會把更多的支撐重量垂直往下傳送,而不是橫向分布,但又沒有全部都往下壓,這時就要用上第二項創新技術:飛扶壁。扶壁會提供橫向的支撐,抵消掉尖拱想要向外推的推力。飛扶壁穩住尖拱,才有肋拱式的穹頂和石造天花板,飛扶壁也穩固高牆,又因為是外部結構,所以不會擋住窗戶。

有了這兩項創新技術,工程師就可以把薄石牆砌到難以想像的高度,同時在牆上為窗戶預留大洞。典型的哥德式教堂內部足足超過30公尺高。

這並不是說,興建哥德式教堂是一件容易的工作。建築工和工匠得去採掘與雕刻好幾公噸的石材,然後必須把建材吊起、安置和固定到位。一件大教堂興建工程,可能需要一百年甚至更久。

活在這段期間的人,生平還從未見過這麼雄偉、內部空間如此廣闊、裝飾著大量玻璃的建築。工程師為世人樹立了想像建築物的全新方式。