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工程之書

The Engineering Book : From the Catapult to the Curiosity Rover, 250 Milestones in the History of Engineering

作者:馬歇爾.布雷恩(Marshall Brain)
譯者:畢馨云
出版日:2016/12/20
出版社:時報出版

  • 定價:580元
    特價:79458( 紅利10點+448元 )
  • (尚未入庫)

產品規格

開本: 開
裝訂:
類別:N/A
國圖分類號:
頁數:264頁
重量:500公克
ISBN:9789571368139
EAN:9789571368139

內容簡介

史上最強系列第7集《工程之書》
從拋石器到好奇號火星車


  250則趣味故事+詳解歷史+精采圖片
  從閱讀中學習工程知識的百科

  圖文並茂的豐富百科.博古通今的中外歷史
  趣味橫生的常識故事.條理分明的資料寶典

  「我希望你能從本書找到250個令人驚歎、可讓你看清全貌的工程典範,
  這樣就能領會工程師為我們所做的一切。」──馬歇爾.布雷恩

  工程師一手打造我們的現代世界。他們在各自崗位,多半隱身幕後,不會大張旗鼓。要是少了這些工程師,我們就會回到石器時代。

  工程師如何讓一棟大樓安全夷為平地?
  哪三件過失造成車諾比核電廠爆炸?
  人造衛星如何隨時朝著正確方向?

  這些值得深思的問題,只是這本圖文並茂的書中提及的幾個例子。現在我們就要跟著作者布雷恩展開一趟迷人的旅程,踏進工程的世界,探索250個最重要且耐人尋味的工程大事:弓箭(西元前3萬年)、狩獵採集工具(西元前3300年)、吉薩大金字塔(西元前2550年)、指南針(西元1040年)、拋石器(西元1300年)、比薩斜塔(西元1372年)、萬里長城(西元1600年)、機械式擺鐘(西元1670年)、動力織布機(西元1784年)、高壓蒸汽機(西元1800年)、伊利運河(西元1825年)、拇指湯姆型蒸汽火車頭(西元1830年)、電報系統(西元1837年)、隧道鑽鑿機(西元1845年)、縫紉機(西元1846年)、大笨鐘(西元1858年)、電梯(西元1861年)、自由女神像(西元1886年)……

  這些令人著迷的工程史涵蓋五花八門的主題,像是古羅馬輸水道、中國的萬里長城、蒸汽火車頭、空調、巴拿馬運河、登陸月球、Prius油電混合動力車、智慧型手機,以及哈利波特禁忌之旅的遊樂裝置。

  本書內容依年代順序撰寫,每則史上工程大事包含一幅令人驚豔的全彩圖像,並附上圖說與參照條目,提供更深入的資訊,是工程知識入門的最佳讀物。
 
本書特色

  ‧豐富條目:250則工程史上重大里程碑一次收錄。
  ‧編年百科:條目依年代排序,清楚掌握工程發展演變;相關條目隨頁交叉索引,知識脈絡立體化。
  ‧濃縮文字:每篇約700字,快速閱讀、吸收重要工程觀念和大師傑作。
  ‧精美插圖:每項條目均搭配精美全彩圖片,幫助記憶,刺激想像力。
  ‧理想收藏:全彩印刷、圖片精緻、收藏度高,是科普愛好者必備最理想的工程百科。

作/譯者介紹

作者:

馬歇爾.布雷恩(Marshall Brain)

  美國北卡羅萊納州立大學工程創業學程教授、HowStuffWorks.com網站創辦人,How Stuff Works系列書籍暢銷作家,上過《歐普拉秀》、《奧茲醫生秀》(Dr. Oz)、《早安美國》節目、《現代奇蹟》(Modern Marvels)節目及CNN等許多媒體,向大眾闡述生命的奧祕。他也是《國家地理頻道》The Factory Floor 節目主持人。


譯者:

畢馨云

  清華大學數學系畢業,曾任科普書編輯十多年,目前為業餘交響樂團團員。譯有《這才是數學》、《科學酷媽的育兒大探險》、《氣候危機大預警》、《學數學,弄懂這39個數字就對了》,另有譯作刊於《BBC知識》雜誌。

  Email: vanessabee@hotmail.com

目錄

序文

條目
西元前3萬年/弓箭
西元前3300年/狩獵採集工具
西元前2550年/吉薩大金字塔
西元前2000年/因紐特技術
西元前1400年/混凝土
西元前625年/瀝青混凝土
西元前438年/巴特農神殿
西元前312年/古羅馬輸水道
西元前100年/水車
西元79年/龐貝
西元1040年/指南針
西元1144年/聖丹尼聖殿
西元1300年/拋石器
西元1372年/比薩斜塔
西元1492年/木造橫帆船
西元1600年/萬里長城
西元1620年/甘特鏈
西元1670年/機械式擺鐘
西元1750年/耶茨磨坊的簡單機械
西元1773年/爆破拆卸
西元1784年/動力織布機
西元1790年/棉紡廠
西元1794年/軋棉機
西元1800年/高壓蒸汽機
西元1823年/桁架橋
西元1824年/壬色列理工學院
西元1825年/伊利運河
西元1830年/拇指湯姆型蒸汽火車頭
西元1835年/聯合收割機
西元1837年/電報系統
西元1845年/大量生產
西元1845年/隧道鑽鑿機
西元1846年/縫紉機
西元1851年/美國杯帆船賽
西元1854年/水處理
西元1855年/柏思麥法
西元1856年/塑膠
西元1858年/大笨鐘
西元1859年/油井
西元1859年/現代下水道系統
西元1860年/路易維爾水塔
西元1861年/瓦姆蘇塔煉油廠
西元1861年/電梯
西元1869年/美國橫貫鐵路
西元1873年/纜車
西元1876年/電話
西元1878年/電力網
西元1879年/碳纖維
西元1885年/增壓器與渦輪增壓器
西元1885年/華盛頓紀念碑
西元1886年/自由女神像
西元1889年/艾菲爾鐵塔
西元1889年/霍爾-埃魯煉鋁法
西元1890年/蒸汽渦輪機
西元1891年/卡內基音樂廳
西元1891年/須德海工程
西元1893年/二衝程柴油引擎
西元1893年/摩天輪
西元1897年/柴油機車
西元1899年/去纖維顫動器
西元1902年/空調系統
西元1903年/心電圖
西元1903年/萊特兄弟的飛機
西元1905年/人造板
西元1907年/專業工程師認證
西元1908年/內燃機
西元1910年/腹腔鏡手術
西元1912年/鐵達尼號
西元1913年/伍爾沃斯大樓
西元1914年/巴拿馬運河
西元1917年/雷射
西元1917年/胡克望遠鏡
西元1919年/婦女工程協會
西元1919年/下摩擦雲霄飛車
西元1920年/金索棧橋
西元1920年/無線電台
西元1921年/機器人
西元1926年/心肺機
西元1927年/電冷凍
西元1931年/帝國大廈
西元1935年/磁帶錄音
西元1936年/胡佛水壩
西元1937年/金門大橋
西元1937年/興登堡號
西元1937年/渦輪噴射發動機
西元1937年/磁浮列車
西元1938年/一級方程式賽車
西元1939年/諾頓投彈瞄準器
西元1939年/彩色電視
西元1940年/塔科馬海峽吊橋
西元1940年/雷達
西元1940年/鈦
西元1941年/摻雜矽
西元1942年/展頻技術
西元1943年/透析機
西元1943年/水肺
西元1944年/直升機
西元1945年/鈾濃化技術
西元1945年/「三一」核彈
西元1946年/ENIAC:第一部電腦
西元1946年/上開式洗衣機
西元1946年/微波爐
西元1946年/輕水反應器
西元1947年/AK-47突擊步槍
西元1947年/電晶體
西元1948年/有線電視
西元1949年/塔式起重機
西元1949年/原子鐘
西元1949年/積體電路
西元1950年/會下棋的電腦
西元1951年/噴射發動機測試
西元1952年/中樞灌溉系統
西元1952年/3D眼鏡
西元1952年/「常春藤麥克」氫彈
西元1953年/汽車安全氣囊
西元1956年/硬碟
西元1956年/第一條跨大西洋海底電纜
西元1957年/冷凍披薩
西元1957年/人造衛星
西元1958年/機艙增壓系統
西元1959年/海水淡化
西元1960年/無塵室
西元1961年/T1線路
西元1961年/綠色革命
西元1962年/SR-71偵察機
西元1962年/原子鐘無線電波發射台
西元1963年/開闔式體育場屋頂
西元1963年/輻照加工食品
西元1964年/頂級燃油直線加速賽車
西元1964年/滴灌技術
西元1964年/天然氣載運船
西元1964年/子彈列車
西元1965年/聖路易大拱門
西元1965年/集束彈藥
西元1966年/複合弓
西元1966年/翼傘
西元1966年/球燃料床核反應器
西元1966年/動態隨機存取記憶體
西元1967年/汽車排放控制系統
西元1967年/阿波羅一號
西元1967年/農神五號火箭
西元1968年/C-5「銀河」運輸機
西元1968年/波音747巨無霸客機
西元1969年/登陸月球
西元1969年/ARPANET網路
西元1969年/太空衣
西元1970年/液晶螢幕
西元1970年/阿波羅13號
西元1970年/光纖通訊
西元1971年/防鎖死煞車系統
西元1971年/月球車
西元1971年/微處理器
西元1971年/加拿大氘鈾反應器
西元1971年/電腦斷層掃描
西元1971年/發電廠洗滌塔
西元1971年/克維拉
西元1972年/基因工程
西元1973年/紐約世貿中心
西元1975年/路由器
西元1976年/協和式客機
西元1976年/加拿大國家電視塔
西元1976年/VHS錄影帶
西元1977年/人力飛機
西元1977年/調諧質量阻尼器
西元1977年/航海家號太空船
西元1977年/阿拉斯加輸油管
西元1977年/磁振造影
西元1978年/氧化亞氮加速系統
西元1978年/採礦車Bagger 288
西元1979年/「海上巨人號」超級油輪
西元1980年/快閃記憶體
西元1980年/M1戰車
西元1980年/體育場電視螢幕
西元1981年/大腳怪獸車
西元1981年/太空梭
西元1981年/V-22「魚鷹」旋翼機
西元1982年/人工心臟
西元1982年/釹磁鐵
西元1983年/無線射頻辨識標籤
西元1983年/F117匿蹤戰機
西元1983年/行動電話
西元1983年/吉姆利滑翔機
西元1983年/乙太網路
西元1984年/3D印表機
西元1984年/網域名稱系統
西元1984年/外科手術機器人
西元1984年/貨櫃海運
西元1984年/伊泰普水壩
西元1985年/巴斯郡抽蓄發電
西元1985年/國際熱核融合實驗反應器
西元1985年/虛擬實境
西元1986年/車諾比事故
西元1986年/阿帕契直升機
西元1990年/全球資訊網
西元1990年/哈伯太空望遠鏡
西元1991年/鋰離子電池
西元1991年/生物圈二號
西元1992年/省水型馬桶
西元1992年/暴雨管理
西元1993年/凱克望遠鏡
西元1993年/「毀滅戰士」遊戲引擎
西元1994年/英法海底隧道
西元1994年/數位相機
西元1994年/全球定位系統
西元1994年/關西國際機場
西元1995年/動畫電影《玩具總動員》
西元1996年/Ariel Atom賽車
西元1996年/高畫質電視
西元1997年/Prius油電混合動力車
西元1998年/國際太空站
西元1998年/大型強子對撞機
西元1998年/智慧電網
西元1998年/銥衛星系統
西元1999年/Wi-Fi
西元2001年/賽格威電動代步車
西元2003年/創新世紀
西元2004年/米約高架橋
西元2005年/布加迪威龍
西元2005年/喬治亞水族館
西元2006年/棕櫚群島
西元2006年/AMOLED螢幕
西元2007年/智慧型手機
西元2008年/四旋翼飛行器
西元2008年/碳封存
西元2008年/工程大挑戰
西元2008年/馬丁噴射背包
西元2008年/三峽大壩
西元2009年/美國國家點火裝置
西元2009年/耐震建築
西元2009年/美國總統座車
西元2010年/太陽動力號太陽能飛機
西元2010年/英國石油公司漏油事故
西元2010年/哈里發塔
西元2010年/哈利波特禁忌之旅
西元2010年/阿爾塔風能中心
西元2010年/平板電腦
西元2010年/X2和X3直升機
西元2011年/福島核災
西元2011年/無人自駕車
西元2011年/速成摩天大樓
西元2011年/超級電腦「華生」
西元2012年/好奇號火星車
西元2012年/人力直升機
西元2013年/北卡州立大學BookBot系統
西元2014年/伊萬帕太陽能發電系統
西元2016年/威尼斯防洪系統
約西元2020年/真空管列車
約西元2024年/複製人腦
約西元2030年/火星殖民地
約西元3000年/尚未設計出來的東西

序文/前言

自序:

他序:

前言:

編者序:

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。

導讀/推薦

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精采試閱

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。
 
西元前3300年
 
狩獵採集工具
 
冰人奧茨(Ötzi,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。
 
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。

 

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。
 
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。
 
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。
 
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。

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。
 
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。
 
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。
 
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。
 
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。