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發明原理pdf

發布時間:2021-12-25 20:03:11

1. 技術的本質:技術是什麼,它是如何進化的 PDF電子

技術無處不在。技術改變生活。技術推動經濟增長。技術劃分歷史時代。關於技術,我們知道很多。關於技術,我們知之甚少。我們關於技術的認識水平,大致相當於進化論出現之前的生物學。十八世紀法國博物學家居維葉曾經自豪地說:「今天,比較解剖學到達了完美的頂點。單看一根骨頭,就有可能確定其在生物分類中的『綱』,有時甚至能確定它的『屬』。」居維葉沒有誇張,當時的生物學家確實對動物家族之間的關系了如指掌,但他們不了解進化論,他們不知道,所有這些動物,都是從哪裡起源的。


歷史學家、經濟學家和社會學家能如數家珍一般詳細討論某一種具體的技術對人類社會各個方面帶來的深遠影響,但他們說不清楚技術的來源和進化。對技術最為熟悉的工程師們則對這一問題毫不感興趣。有一次,經濟學家布萊恩.阿瑟問著名的技術專家沃爾特.文森蒂(Walter Vincenti),為什麼那麼多絕頂的工程師,沒有一個人嘗試過建立一個關於技術的基礎理論。文森蒂毫不遲疑地回答:「工程師們只喜歡那些他們能解決的問題。」


布萊恩.阿瑟(Brain Arthur)決定自己動手,探索一個關於技術的基礎理論。阿瑟的研究以叛經離道著稱。所有的經濟學家都說規模收益遞減,他非要寫了一篇論述規模收益遞增的論文,結果,他被斯坦福大學放逐,流落到研究復雜科學的聖塔菲研究所。


在《技術的本質》一書中,阿瑟聲稱,技術像生物一樣,也是有基因、能突變,不斷進化的。所有的技術,都脫胎於之前的技術,就像所有現存的生物,都能追根溯源地找到原始的祖先一樣。


阿瑟試圖找到各種千差萬別的技術內在的一致性。依舊用生物學打比方,從外表來看,脊椎動物差異極大,斑馬和蝙蝠之間看起來毫無相似之處,但它們但骨骼結構卻是高度相似的,它們都有心臟、肝臟、腎臟和神經系統,都是左右對稱,都建立在細胞的基礎之上。如果我們「解剖」技術,就會發現所有的技術都是一種組合。無論多麼復雜的技術,都可以拆成若干模塊,模塊中又有零部件,這樣不斷地深挖下去,就會發現,復雜精妙的技術最終都是平凡的零部件的組合。


為什麼技術要採取模塊化的方式呢?赫伯特.西蒙(Herbert Simon)曾經講過一個關於製表匠的寓言。假設每隻手錶都有1000個零件,第一個製表匠一個零件一個零件的安裝,若干他出了一個小錯,或是工作被打斷,就得從頭再來;第二個製表匠則把手錶分為10個模塊,每個模塊中又有10個小模塊,每個小模塊中有10個零部件,那麼,即使他裝錯了,或是工作被打斷,損失的只是工作的一小部分。更重要的是,模塊化的技術更適合進一步的創新:我們可以嘗試把一個模塊更新,或是對不同的模塊進行新的組合。


那麼,所有的這些技術,都是從哪裡來的?阿瑟提出,技術乃是對「現象」的捕捉。這聽起來頗為異端,技術不是受科學的指導,是科學的應用版嗎?其實,科學和技術盡管聯系緊密,但二者並非一體。直到20世紀初期以前,大部分技術發明都不需要科學的幫助。原始人看到剝落的燧石中,有尖銳的石片,可以方便地切割動物的肉和皮毛,就發明了石刀、石斧。熱衷於煉金術和煉丹術的人們反復嘗試,居然誤打誤撞地發現了很多化學技術。直到近期,技術發明才不得不大量從科學那裡「借貸」,比如屬於量子效應的核磁共振、隧道效應或受激效應,都是從科學理論中搬過來的。


即使是這些更加精密的技術,其本質也是對某種「現象」的捕捉和編碼。技術人員和科學家不同,他們關心的是如何應用。看到物體的擺動,他們意識到可以利用這一「現象」做出時鍾;了解到多普勒效應,他們會聯繫到可以利用這一「現象」測汽車超速。隨著大量的「現象」被捕捉和編碼,工程師們的工具箱里就更加玲琅滿目。工程師們的工具箱里裝滿了他們已經學會的各種技術,這些技術構成了工程師們的「域」,也就是他們的活動范圍。


大部分技術工作都是「日常標准工程」,即按照已經有的技術模版,不斷「復制」出解決各種問題的新版本。技術人員應用科學思想就像政客們使用已故的政治哲學家們的思想一樣,他們日復一日地使用這些思想,但對其起源的細節卻知之甚少。無非是照章辦事、比葫蘆畫瓢而已,最多是在應用於不同問題的時候,會有些小小的改動。但是,不要小看這些微小的變革,積少成多,這些不起眼的創新最後能導致巨大的變化。正如牛頓爵士所說的,頓悟來自於「連續不斷的思考」。


當然,這不是否認重大的技術突破,但是,如果你仔細去觀察,重大的技術突破並非來自天才觀點的橫空出世。大部分技術的重大突破來自於對已有技術的重新組合,或是從其它的「域」里尋找新的工具。技術創新中應用的原理大多來自於已有的其它設備、方法,其它領域的理論,發明的核心就是「挪用」(appropriation),一種自覺不自覺的借鑒。正如熊彼特所說的,創新就是新的組合。創新就是「混搭」,是把看起來沒有聯系的事物聯系起來,以一種出其不意的組合重新展示給人們。所有的素材其實都在你的手邊,而創新就是大膽地跨界、大膽地模仿:從來就沒有什麼新技術,也不靠專家院士。


當一個絕妙的點子突然出現之後,技術創新並非能馬上實現。從想出一個好的主意,到真正把主意變成現實,還有一段迢迢長路。首先,你可能想到了關鍵問題的解決方案,但牽一發而動全身,如果你的主部件變動了,那麼其它配套的部件也要調整,這又會帶來一系列派生的小問題,你必須不斷地循環往復、調試修改,直至完成整個系統的重組;其次,技術轉化工作可能需要另一個不同的團隊。


比如,弗萊明發現了青黴素,但將青黴素現象轉化成可治療的方案,需要對青黴素中的活性成分進行隔離和純化,需要弄清楚它的化學結構,需要經過臨床試驗檢驗其療效,還需要進行生產方式的開發。這已經遠遠超過了弗萊明的能力范圍。完成這些工作的是牛津鄧恩病理學院的霍華德.弗洛里(Howard Florey) 和恩斯特.柴恩 (Ernst Chain)領導的生化學家團隊。13年後,弗萊明的發現才轉化成盤尼西林。


技術的演進中充滿了不確定性。好的技術被廣泛應用,往往要拖延很長時間。經濟史學家保羅·大衛(Paul David)的研究指出,美國的工廠花了40年的時間才實現了電氣化。並非是因為技術不成熟,而是因為配套的技術沒有跟上。過去的廠房是按照蒸汽機的要求建造的。電氣工程師不懂建築,建築師不了解電氣化,等到整個經濟體系都慢慢適應過來,需要一個漫長的過程。


不成熟的技術卻有可能長存。保羅·大衛的另一項研究指出,現有的「QWERTY」通用鍵盤,其實並非是最優的布局,應為佔英語單詞70%的字母是「DHIATENSOR」。但在一次打字比賽中,使用「QWERTY」鍵盤打字機的打字員勝出,這個偶然性的事件確立了鍵盤的標准。阿瑟也講了核反應堆的故事。


核反應堆需要不斷冷卻,同時需要用慢化劑控制中子的能量水平。有三種選擇方案,分別是同時用重水做冷卻和慢化,同時用輕水做冷卻和慢化,或是用氣體(通常是氦氣或二氧化碳)進行冷卻,用石墨處理慢化。加拿大最初使用的是重水方案,英國一直嘗試氣體—石墨方案,但並不成功,到1949年蘇聯爆炸了第一顆原子彈之後,美國急於確立自己的核優勢,因此匆忙下令將原本用於航空母艦的反應堆重新設計成供陸地使用。海上反應堆採用的是輕水模式,於是陸地上的反應堆也採用了這種被很多專家認為在經濟上和技術上都較弱的設計方案。


技術可能會突然爆發,洶涌而來。技術創新的步伐並非是勻速的,有時候跑得快,有時候跑得慢。當技術大潮到來的時候,不是經濟適應技術,而是經濟「遭遇」了技術。新一輪技術浪潮會讓原有的生產模式土崩瓦解,社會組織發生天翻地覆的變化。蒸汽機的出現改變了原有的紡織業,農戶不再在家織作,而是到工廠里做工,成了工人。互聯網時代又可能會再次顛覆工業化革命以來的企業組織、用工制度,甚至教育體制。


技術永遠都不完美,永遠都在重構。技術是雜交的,不是純種的;技術是峰迴路轉,不是金光大道;技術是隨和遷就的,不是特立獨行的;技術是有趣的,也是無聊的;技術既是殘缺不全的,又是雷同冗雜的;技術吵吵鬧鬧,熙熙攘攘,凌亂無章,無視一切。技術是一個復雜體系,是一個演進的過程。技術不是古板、冰冷的機械,而是生機勃勃的有機體。你側耳傾聽,才能聽到它的婉轉輕啼。


來源何帆研究札記、金融時報

2. 有沒有比較全的世界發明大全及其故事的電子書

1、牛頓——萬有引力的發現
人們都知道從蘋果落地中牛頓發現了萬有引力定律的故事,其實那不過是法國啟蒙思想家伏爾泰為宣傳自然科學而編的故事。
在牛頓之前,人們已經知道有兩種「力」:地面上的物體都受重力的作用,天上的月球和地球之間以及行星和太陽之間都存在引力。這兩種力究竟是性質不同的兩種力?還是同一種力的不同表現?牛頓在劍橋大學讀書時就考慮起這個問題了。
牛頓23歲時,鼠疫流行於倫敦。劍橋大學為預防學生受傳染,通告學生休學回家避疫,學校暫時關閉。牛頓回到故鄉林肯郡鄉下。他仍沒有間斷學習和對引力問題的思考。
那時,鄉下的孩子們常常用投石器打幾個轉轉,之後,把石頭拋得很遠。他們還可以把一桶牛奶用力從頭上轉過,而牛奶不灑出來。
這一現像激發了牛頓關於引力的想像:「什麼力使投石器裡面的石頭,水桶里的牛奶不掉下來呢?」這個問題使他想到開普勒和伽利略的思想。他從浩瀚的宇宙太空,周行不息的行星,廣寒的月球,直至龐大的地球,進而想到這些龐然大物之間力的相互作用。這對牛頓抓緊這些神奇的思想不放,一頭扎進「引力」的計算和驗證中了。牛頓計劃用這個原理驗證太陽系各行星的行動規律。他首先推求月球和地球距離,由於引用的資料數據不正確,計算的結果錯了。因為依理推算月球圍繞地球轉,每分鍾的向心加速度應是16英尺,但據推算僅得13.9英尺。在失敗的困境中,牛頓沒有灰心,反而以更大的努力進行辛勤的研究。
1671年,新測量的地球半徑值公布了。牛頓利用這一數據重新檢驗了自己的理論,同時,還利用他自己發明的微積分處理了月一地關系中不能把地球看作質點時,重力加速度的計算問題。有了這兩項改進,牛頓得到了兩個完全一致的加速度值。這使他認為,重力和引力具有相同的本質。他又把基於地面物體運動的三條定律(即牛頓三大定律)用於行星運動,同樣得出滿意的正確結論。
牛頓整整經過了7個春秋寒暑,到他30歲時終於把舉世聞名的「萬有引力定律」全面證明出來,奠定了理論天文學、天體力學的基礎。
萬有引力定律的發現,宣告了天上地面的萬物都遵循同一規律運動,徹底否定了亞里士多德以來宗教勢力宣揚的天上地下不同的思想,這是人類認識史上的一次飛躍。
瓦特
2、瓦特——發明蒸汽機
瓦特(1736~1819),英國著名的發明家,生於英國造船中心格拉斯哥附近的格林諾克小鎮。他的父親當過造船工人,祖父叔父都是機械工人,由於家庭的影響,瓦特從小就熟悉了許多機械原理和製作技術。
瓦特是一個智慧非凡的孩子,他勤奮好學,勇於探索,對發明創造最感興趣。有一天父親的朋友前來做客,正好看到小瓦特坐在爐子旁邊發呆,手裡拿著筆和紙,地上有許多畫過的圖。他好心地說:「小瓦特應該上學了,別光在家用玩耍來打發寶貴的時光了。」父親莞爾一笑,說:「謝謝你,我的朋友。不過,你還是看看我的兒子在玩什麼吧……」原來,小瓦特在設計各種各樣的玩具,還畫了許多圖樣,這年小瓦特才剛好 6 歲整,客人吃驚地說:「這孩子真了不起!」
又有一次,家裡人全出去了,只留下瓦特一個看門。他獃獃地看著爐子上燒水的茶壺。水快燒開了,壺蓋被蒸汽頂起來,一上一下地掀動著……他想:這蒸汽的力量好大啊。如果能製造一個更大的爐子,再用大鍋爐燒開水,那產生的水蒸汽肯定會比這個大幾十倍、幾百倍。用它來做各種機械的動力,不是可以代替許多人力嗎?這就是後來人們傳說中的「瓦特發明蒸汽機」的故事。小瓦特是這樣設想過,只不過真正試制蒸汽機,卻是後來的事情。
小瓦特為搞發明創造,發憤學習科學知識。他 13 歲開始學習幾何學;15歲讀完了《物理學原理》;17 歲開始當學徒工。此後,他才真正投入了蒸汽機的研製和發明,一發而不可收。
1757 年瓦特到格拉斯哥大學當教學儀器修理工。那裡既有完備的實驗設施和各種儀器,又有許多著名學者和專家,這些都給瓦特提供了極其有利的條件。學校還專門為他創辦了實驗車間。1769 年,瓦特在大量試驗的基礎上,經過了無數次失敗,終於製成了一台單動式蒸汽機,並且獲得了第一台蒸汽機的專利權。1782 年瓦特又研製成功一種新式雙向蒸汽機,並且可以廣泛地應用在各種機器上;1788 年,英國政府正式授予瓦特製造蒸汽機的專利證書;從 1775 年到 1800 年,瓦特和波爾頓合辦的蘇霍工廠,就製造出 183 台蒸汽機,全用於紡織業、冶金業和采礦業,到了 19 世紀 30 年代,蒸汽機推向了全世界,從此人類社會進入了「蒸汽時代」。造福於人類的發明家——瓦特永遠被後人敬仰。
富爾頓
3、富爾頓——輪船的首創者
富爾頓(1765~1815),美國著名工程師。1807 年,他利用英國機器製成了世界上第一個蒸汽機輪船「克萊蒙脫號」,是世界上輪船的首創者。他為世界人類航海事業的發展作出了卓越的貢獻。
富爾頓出生於美國一個貧苦的農民家庭,從小讀書很少,父母沒有錢供他去學堂學習,他後來取得的成就,全憑個人的奮斗。小富爾頓從小就愛幻想,譬如,當他幫助大人幹完農活之後,常常一個人坐在農家閣樓上,在帶有木格條的小窗戶中,向田野望去,看蔚藍色的天空,苦思冥想,一坐幾個鍾頭。
有一天,天氣晴朗,河水清澈。小富爾頓和鄰居大叔一起駕著小船到河的上游去找活干。他們開始悠閑地撐著篙,逆流而上。小富爾頓到離開自己村莊的外地去,心情格外高興,情不自禁地唱著美國鄉村的民謠。河水的「嘩嘩」聲和小富爾頓的悠揚、婉轉的歌聲交織在一起,令人心醉。早晨的太陽愈升愈高了,陽光灑在水波中,像碎銀灑在綠色的緞帶上。突然,水流湍急,小船在河中打轉,富爾頓和鄰居大叔拚命地撐篙,汗水濕透了他們的衣服,但船僅能艱難地移動。小富爾頓心裡想:撐篙太費力了,假如有一種東西能讓船自動行走,該多麼好啊!他想像的翅膀在河中飛翔,他好像看見在河中出現了一隻自動行駛的船。他的神思又回到現實中來,對鄰居大叔說:「大叔,撐篙又費勁,又緩慢,如果有一種東西能讓船自動行走,該多麼好啊!」
鄰居大叔正用力撐著篙,聽了小富爾頓的話,情不自禁地笑了。他用手背擦擦自己臉上的汗水,笑著說:「假如有一種東西能讓船自動行走,那這樣東西是什麼呢?」
「是啊,這東西是什麼呢?」小富爾頓的臉剎那間紅了起來,他用勁地撐了一下篙,低下了頭,又陷入了沉思。
自此以後,「怎樣使船自動行走?」就成了小富爾頓苦思冥想的中心問題。致使他長大以後,努力奮斗,終於成為製造人類第一隻蒸汽機輪船—— 「克萊蒙脫號」的著名科學家。
貝爾
4、貝爾——電話發明家
貝爾(1847~1922),美籍英國電話發明家。22 歲時,任美國波士頓大學的語音學教授。
貝爾少年時代天資平平。上小學時,學習成績在班裡倒數一二名。他不但學習不好,而且淘氣、貪玩。書包里常常裝著老鼠、麻雀這類小動物。有一次,老師還在台上講課,貝爾書包里的老鼠鑽了出來,在教室里亂竄亂叫
引得同學們鬨堂大笑,亂成一團,老師狠狠地訓斥了他。
後來,父親把貝爾送到倫敦祖父那裡,由嚴厲的祖父直接管教。祖父是位嚴格而又倔強的老頭。但他知識淵博,教育耐心。很快,小貝爾喜歡起他的祖父,對學習有了興趣,道理明白了不少。
他變了,不僅學習成績好,有發明創造的熱情,而且品德優良,經常助人為樂。有一次,他看到一位孤獨老人用笨重的水磨在磨面,小貝爾很同情他,約了一群少年夥伴來幫忙。後來,小夥伴們嫌推磨太苦,紛紛不幹了,只有小貝爾一人堅持下來。
回到家裡,小貝爾想,怎樣才能使水磨省勁呢?為了設計新水磨,他翻閱了大量資料,設計圖畫了一張又一張。經過 1 個月的反復琢磨,草圖終於設計出來了。幾個工匠看了很稱贊。在工匠師傅的努力下,省力的水磨製成
了,鄉親們十分感激他,小貝爾也成了大家心目中的英雄。
小貝爾年少時,愛好演講。他父親是一位演講家,貝爾少年時代,就組織「少年技術協會」,每周演講一次。他很有演講才能,22 歲被美國波士頓大學聘請,當了語音學教授。父子二人成為美國饒有名氣的演講家。
1875 年 6 月 2 日,28 歲的貝爾經歷千萬次的失敗,終於製成了有線電話。這一天,他和華特生正在進行新的實驗。貝爾把一些部件放入硫酸里,不小心,硫酸滴到了他的腿上,他十分疼痛,無意地連聲呼救:「華特生,快來,我需要你!」聲音通過電線傳到了華特生的耳朵里。就這樣,人類第一部有線電話製造成功了。
阿基米德
5、阿基米德——洗澡發現了定律
阿基米德(約前 287~約前 212),古希臘物理學家和數學家。曾發現杠桿定律和阿基米德定律,終身從事物理和數學的研究。
阿基米德出生在古希臘的一個天文學家的家庭里,從小就受到全家人的寵愛。父親為了使他早日成才,在起名字上絞盡了腦汁,經過反復選擇,在他出生的第 10 天,取名阿基米德。希望這名字給他帶來幸福,並能成為一個真正的希臘人。
阿基米德的童年,是在保姆和奴隸們的照料下度過的。全家人對他要求很嚴,行走坐立、穿衣吃飯都有規矩,不準他淘氣,也不許他交壞朋友。他8 歲時進了學堂,每天天不亮就起床,在奴隸的陪伴下走很長的路到學校上課。阿基米德的家裡很富有,但他從不騎馬或坐車。
阿基米德學習非常刻苦,有時看書,一看就是一天。隨著阿基米德年齡的增長,他的許多與眾不同的地方開始顯露出來。他把大部分時間用在思考、探討、學習和寫作上,極少想自己的事。為了研究一個問題,常常忘記吃飯,忘記洗澡。連穿衣服、脫衣服這類事情,都得由別人幫助來做,只要他一思
考問題,就會忘掉自己的一切。
阿基米德對三角形、正方形、圓形的研究簡直著了魔,與它們形影不離,一天總畫呀畫呀,那麼聚精會神,專心致志,好像周圍的一切都不存在了。有一次,在他跨進浴盆洗澡時感覺到身子入水越深,水越往外溢,身子就越輕,突然,他興奮地大叫一聲,從浴盆里跳出來,一絲不掛地在大街上奔跑,一邊朝家跑嘴裡一邊喊:「我想出來了,我想出來了!」
人們望著這個赤身裸體奔跑著的怪人,非常驚異,他們哪裡會想到,阿基米德就在洗澡時,發現了一條重要的流體靜力學規律——「阿基米德定律」,即浸在液體里的物體受到向上的浮力,浮力的大小等於被物體所排開的液體的重量。

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