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发明原理pdf

发布时间:2021-12-25 20:03:11

1. 技术的本质:技术是什么,它是如何进化的 PDF电子

技术无处不在。技术改变生活。技术推动经济增长。技术划分历史时代。关于技术,我们知道很多。关于技术,我们知之甚少。我们关于技术的认识水平,大致相当于进化论出现之前的生物学。十八世纪法国博物学家居维叶曾经自豪地说:“今天,比较解剖学到达了完美的顶点。单看一根骨头,就有可能确定其在生物分类中的‘纲’,有时甚至能确定它的‘属’。”居维叶没有夸张,当时的生物学家确实对动物家族之间的关系了如指掌,但他们不了解进化论,他们不知道,所有这些动物,都是从哪里起源的。


历史学家、经济学家和社会学家能如数家珍一般详细讨论某一种具体的技术对人类社会各个方面带来的深远影响,但他们说不清楚技术的来源和进化。对技术最为熟悉的工程师们则对这一问题毫不感兴趣。有一次,经济学家布莱恩.阿瑟问著名的技术专家沃尔特.文森蒂(Walter Vincenti),为什么那么多绝顶的工程师,没有一个人尝试过建立一个关于技术的基础理论。文森蒂毫不迟疑地回答:“工程师们只喜欢那些他们能解决的问题。”


布莱恩.阿瑟(Brain Arthur)决定自己动手,探索一个关于技术的基础理论。阿瑟的研究以叛经离道著称。所有的经济学家都说规模收益递减,他非要写了一篇论述规模收益递增的论文,结果,他被斯坦福大学放逐,流落到研究复杂科学的圣塔菲研究所。


在《技术的本质》一书中,阿瑟声称,技术像生物一样,也是有基因、能突变,不断进化的。所有的技术,都脱胎于之前的技术,就像所有现存的生物,都能追根溯源地找到原始的祖先一样。


阿瑟试图找到各种千差万别的技术内在的一致性。依旧用生物学打比方,从外表来看,脊椎动物差异极大,斑马和蝙蝠之间看起来毫无相似之处,但它们但骨骼结构却是高度相似的,它们都有心脏、肝脏、肾脏和神经系统,都是左右对称,都建立在细胞的基础之上。如果我们“解剖”技术,就会发现所有的技术都是一种组合。无论多么复杂的技术,都可以拆成若干模块,模块中又有零部件,这样不断地深挖下去,就会发现,复杂精妙的技术最终都是平凡的零部件的组合。


为什么技术要采取模块化的方式呢?赫伯特.西蒙(Herbert Simon)曾经讲过一个关于制表匠的寓言。假设每只手表都有1000个零件,第一个制表匠一个零件一个零件的安装,若干他出了一个小错,或是工作被打断,就得从头再来;第二个制表匠则把手表分为10个模块,每个模块中又有10个小模块,每个小模块中有10个零部件,那么,即使他装错了,或是工作被打断,损失的只是工作的一小部分。更重要的是,模块化的技术更适合进一步的创新:我们可以尝试把一个模块更新,或是对不同的模块进行新的组合。


那么,所有的这些技术,都是从哪里来的?阿瑟提出,技术乃是对“现象”的捕捉。这听起来颇为异端,技术不是受科学的指导,是科学的应用版吗?其实,科学和技术尽管联系紧密,但二者并非一体。直到20世纪初期以前,大部分技术发明都不需要科学的帮助。原始人看到剥落的燧石中,有尖锐的石片,可以方便地切割动物的肉和皮毛,就发明了石刀、石斧。热衷于炼金术和炼丹术的人们反复尝试,居然误打误撞地发现了很多化学技术。直到近期,技术发明才不得不大量从科学那里“借贷”,比如属于量子效应的核磁共振、隧道效应或受激效应,都是从科学理论中搬过来的。


即使是这些更加精密的技术,其本质也是对某种“现象”的捕捉和编码。技术人员和科学家不同,他们关心的是如何应用。看到物体的摆动,他们意识到可以利用这一“现象”做出时钟;了解到多普勒效应,他们会联系到可以利用这一“现象”测汽车超速。随着大量的“现象”被捕捉和编码,工程师们的工具箱里就更加玲琅满目。工程师们的工具箱里装满了他们已经学会的各种技术,这些技术构成了工程师们的“域”,也就是他们的活动范围。


大部分技术工作都是“日常标准工程”,即按照已经有的技术模版,不断“复制”出解决各种问题的新版本。技术人员应用科学思想就像政客们使用已故的政治哲学家们的思想一样,他们日复一日地使用这些思想,但对其起源的细节却知之甚少。无非是照章办事、比葫芦画瓢而已,最多是在应用于不同问题的时候,会有些小小的改动。但是,不要小看这些微小的变革,积少成多,这些不起眼的创新最后能导致巨大的变化。正如牛顿爵士所说的,顿悟来自于“连续不断的思考”。


当然,这不是否认重大的技术突破,但是,如果你仔细去观察,重大的技术突破并非来自天才观点的横空出世。大部分技术的重大突破来自于对已有技术的重新组合,或是从其它的“域”里寻找新的工具。技术创新中应用的原理大多来自于已有的其它设备、方法,其它领域的理论,发明的核心就是“挪用”(appropriation),一种自觉不自觉的借鉴。正如熊彼特所说的,创新就是新的组合。创新就是“混搭”,是把看起来没有联系的事物联系起来,以一种出其不意的组合重新展示给人们。所有的素材其实都在你的手边,而创新就是大胆地跨界、大胆地模仿:从来就没有什么新技术,也不靠专家院士。


当一个绝妙的点子突然出现之后,技术创新并非能马上实现。从想出一个好的主意,到真正把主意变成现实,还有一段迢迢长路。首先,你可能想到了关键问题的解决方案,但牵一发而动全身,如果你的主部件变动了,那么其它配套的部件也要调整,这又会带来一系列派生的小问题,你必须不断地循环往复、调试修改,直至完成整个系统的重组;其次,技术转化工作可能需要另一个不同的团队。


比如,弗莱明发现了青霉素,但将青霉素现象转化成可治疗的方案,需要对青霉素中的活性成分进行隔离和纯化,需要弄清楚它的化学结构,需要经过临床试验检验其疗效,还需要进行生产方式的开发。这已经远远超过了弗莱明的能力范围。完成这些工作的是牛津邓恩病理学院的霍华德.弗洛里(Howard Florey) 和恩斯特.柴恩 (Ernst Chain)领导的生化学家团队。13年后,弗莱明的发现才转化成盘尼西林。


技术的演进中充满了不确定性。好的技术被广泛应用,往往要拖延很长时间。经济史学家保罗·大卫(Paul David)的研究指出,美国的工厂花了40年的时间才实现了电气化。并非是因为技术不成熟,而是因为配套的技术没有跟上。过去的厂房是按照蒸汽机的要求建造的。电气工程师不懂建筑,建筑师不了解电气化,等到整个经济体系都慢慢适应过来,需要一个漫长的过程。


不成熟的技术却有可能长存。保罗·大卫的另一项研究指出,现有的“QWERTY”通用键盘,其实并非是最优的布局,应为占英语单词70%的字母是“DHIATENSOR”。但在一次打字比赛中,使用“QWERTY”键盘打字机的打字员胜出,这个偶然性的事件确立了键盘的标准。阿瑟也讲了核反应堆的故事。


核反应堆需要不断冷却,同时需要用慢化剂控制中子的能量水平。有三种选择方案,分别是同时用重水做冷却和慢化,同时用轻水做冷却和慢化,或是用气体(通常是氦气或二氧化碳)进行冷却,用石墨处理慢化。加拿大最初使用的是重水方案,英国一直尝试气体—石墨方案,但并不成功,到1949年苏联爆炸了第一颗原子弹之后,美国急于确立自己的核优势,因此匆忙下令将原本用于航空母舰的反应堆重新设计成供陆地使用。海上反应堆采用的是轻水模式,于是陆地上的反应堆也采用了这种被很多专家认为在经济上和技术上都较弱的设计方案。


技术可能会突然爆发,汹涌而来。技术创新的步伐并非是匀速的,有时候跑得快,有时候跑得慢。当技术大潮到来的时候,不是经济适应技术,而是经济“遭遇”了技术。新一轮技术浪潮会让原有的生产模式土崩瓦解,社会组织发生天翻地覆的变化。蒸汽机的出现改变了原有的纺织业,农户不再在家织作,而是到工厂里做工,成了工人。互联网时代又可能会再次颠覆工业化革命以来的企业组织、用工制度,甚至教育体制。


技术永远都不完美,永远都在重构。技术是杂交的,不是纯种的;技术是峰回路转,不是金光大道;技术是随和迁就的,不是特立独行的;技术是有趣的,也是无聊的;技术既是残缺不全的,又是雷同冗杂的;技术吵吵闹闹,熙熙攘攘,凌乱无章,无视一切。技术是一个复杂体系,是一个演进的过程。技术不是古板、冰冷的机械,而是生机勃勃的有机体。你侧耳倾听,才能听到它的婉转轻啼。


来源何帆研究札记、金融时报

2. 有没有比较全的世界发明大全及其故事的电子书

1、牛顿——万有引力的发现
人们都知道从苹果落地中牛顿发现了万有引力定律的故事,其实那不过是法国启蒙思想家伏尔泰为宣传自然科学而编的故事。
在牛顿之前,人们已经知道有两种“力”:地面上的物体都受重力的作用,天上的月球和地球之间以及行星和太阳之间都存在引力。这两种力究竟是性质不同的两种力?还是同一种力的不同表现?牛顿在剑桥大学读书时就考虑起这个问题了。
牛顿23岁时,鼠疫流行于伦敦。剑桥大学为预防学生受传染,通告学生休学回家避疫,学校暂时关闭。牛顿回到故乡林肯郡乡下。他仍没有间断学习和对引力问题的思考。
那时,乡下的孩子们常常用投石器打几个转转,之后,把石头抛得很远。他们还可以把一桶牛奶用力从头上转过,而牛奶不洒出来。
这一现像激发了牛顿关于引力的想像:“什么力使投石器里面的石头,水桶里的牛奶不掉下来呢?”这个问题使他想到开普勒和伽利略的思想。他从浩瀚的宇宙太空,周行不息的行星,广寒的月球,直至庞大的地球,进而想到这些庞然大物之间力的相互作用。这对牛顿抓紧这些神奇的思想不放,一头扎进“引力”的计算和验证中了。牛顿计划用这个原理验证太阳系各行星的行动规律。他首先推求月球和地球距离,由于引用的资料数据不正确,计算的结果错了。因为依理推算月球围绕地球转,每分钟的向心加速度应是16英尺,但据推算仅得13.9英尺。在失败的困境中,牛顿没有灰心,反而以更大的努力进行辛勤的研究。
1671年,新测量的地球半径值公布了。牛顿利用这一数据重新检验了自己的理论,同时,还利用他自己发明的微积分处理了月一地关系中不能把地球看作质点时,重力加速度的计算问题。有了这两项改进,牛顿得到了两个完全一致的加速度值。这使他认为,重力和引力具有相同的本质。他又把基于地面物体运动的三条定律(即牛顿三大定律)用于行星运动,同样得出满意的正确结论。
牛顿整整经过了7个春秋寒暑,到他30岁时终于把举世闻名的“万有引力定律”全面证明出来,奠定了理论天文学、天体力学的基础。
万有引力定律的发现,宣告了天上地面的万物都遵循同一规律运动,彻底否定了亚里士多德以来宗教势力宣扬的天上地下不同的思想,这是人类认识史上的一次飞跃。
瓦特
2、瓦特——发明蒸汽机
瓦特(1736~1819),英国著名的发明家,生于英国造船中心格拉斯哥附近的格林诺克小镇。他的父亲当过造船工人,祖父叔父都是机械工人,由于家庭的影响,瓦特从小就熟悉了许多机械原理和制作技术。
瓦特是一个智慧非凡的孩子,他勤奋好学,勇于探索,对发明创造最感兴趣。有一天父亲的朋友前来做客,正好看到小瓦特坐在炉子旁边发呆,手里拿着笔和纸,地上有许多画过的图。他好心地说:“小瓦特应该上学了,别光在家用玩耍来打发宝贵的时光了。”父亲莞尔一笑,说:“谢谢你,我的朋友。不过,你还是看看我的儿子在玩什么吧……”原来,小瓦特在设计各种各样的玩具,还画了许多图样,这年小瓦特才刚好 6 岁整,客人吃惊地说:“这孩子真了不起!”
又有一次,家里人全出去了,只留下瓦特一个看门。他呆呆地看着炉子上烧水的茶壶。水快烧开了,壶盖被蒸汽顶起来,一上一下地掀动着……他想:这蒸汽的力量好大啊。如果能制造一个更大的炉子,再用大锅炉烧开水,那产生的水蒸汽肯定会比这个大几十倍、几百倍。用它来做各种机械的动力,不是可以代替许多人力吗?这就是后来人们传说中的“瓦特发明蒸汽机”的故事。小瓦特是这样设想过,只不过真正试制蒸汽机,却是后来的事情。
小瓦特为搞发明创造,发愤学习科学知识。他 13 岁开始学习几何学;15岁读完了《物理学原理》;17 岁开始当学徒工。此后,他才真正投入了蒸汽机的研制和发明,一发而不可收。
1757 年瓦特到格拉斯哥大学当教学仪器修理工。那里既有完备的实验设施和各种仪器,又有许多著名学者和专家,这些都给瓦特提供了极其有利的条件。学校还专门为他创办了实验车间。1769 年,瓦特在大量试验的基础上,经过了无数次失败,终于制成了一台单动式蒸汽机,并且获得了第一台蒸汽机的专利权。1782 年瓦特又研制成功一种新式双向蒸汽机,并且可以广泛地应用在各种机器上;1788 年,英国政府正式授予瓦特制造蒸汽机的专利证书;从 1775 年到 1800 年,瓦特和波尔顿合办的苏霍工厂,就制造出 183 台蒸汽机,全用于纺织业、冶金业和采矿业,到了 19 世纪 30 年代,蒸汽机推向了全世界,从此人类社会进入了“蒸汽时代”。造福于人类的发明家——瓦特永远被后人敬仰。
富尔顿
3、富尔顿——轮船的首创者
富尔顿(1765~1815),美国著名工程师。1807 年,他利用英国机器制成了世界上第一个蒸汽机轮船“克莱蒙脱号”,是世界上轮船的首创者。他为世界人类航海事业的发展作出了卓越的贡献。
富尔顿出生于美国一个贫苦的农民家庭,从小读书很少,父母没有钱供他去学堂学习,他后来取得的成就,全凭个人的奋斗。小富尔顿从小就爱幻想,譬如,当他帮助大人干完农活之后,常常一个人坐在农家阁楼上,在带有木格条的小窗户中,向田野望去,看蔚蓝色的天空,苦思冥想,一坐几个钟头。
有一天,天气晴朗,河水清澈。小富尔顿和邻居大叔一起驾着小船到河的上游去找活干。他们开始悠闲地撑着篙,逆流而上。小富尔顿到离开自己村庄的外地去,心情格外高兴,情不自禁地唱着美国乡村的民谣。河水的“哗哗”声和小富尔顿的悠扬、婉转的歌声交织在一起,令人心醉。早晨的太阳愈升愈高了,阳光洒在水波中,像碎银洒在绿色的缎带上。突然,水流湍急,小船在河中打转,富尔顿和邻居大叔拼命地撑篙,汗水湿透了他们的衣服,但船仅能艰难地移动。小富尔顿心里想:撑篙太费力了,假如有一种东西能让船自动行走,该多么好啊!他想象的翅膀在河中飞翔,他好像看见在河中出现了一只自动行驶的船。他的神思又回到现实中来,对邻居大叔说:“大叔,撑篙又费劲,又缓慢,如果有一种东西能让船自动行走,该多么好啊!”
邻居大叔正用力撑着篙,听了小富尔顿的话,情不自禁地笑了。他用手背擦擦自己脸上的汗水,笑着说:“假如有一种东西能让船自动行走,那这样东西是什么呢?”
“是啊,这东西是什么呢?”小富尔顿的脸刹那间红了起来,他用劲地撑了一下篙,低下了头,又陷入了沉思。
自此以后,“怎样使船自动行走?”就成了小富尔顿苦思冥想的中心问题。致使他长大以后,努力奋斗,终于成为制造人类第一只蒸汽机轮船—— “克莱蒙脱号”的著名科学家。
贝尔
4、贝尔——电话发明家
贝尔(1847~1922),美籍英国电话发明家。22 岁时,任美国波士顿大学的语音学教授。
贝尔少年时代天资平平。上小学时,学习成绩在班里倒数一二名。他不但学习不好,而且淘气、贪玩。书包里常常装着老鼠、麻雀这类小动物。有一次,老师还在台上讲课,贝尔书包里的老鼠钻了出来,在教室里乱窜乱叫
引得同学们哄堂大笑,乱成一团,老师狠狠地训斥了他。
后来,父亲把贝尔送到伦敦祖父那里,由严厉的祖父直接管教。祖父是位严格而又倔强的老头。但他知识渊博,教育耐心。很快,小贝尔喜欢起他的祖父,对学习有了兴趣,道理明白了不少。
他变了,不仅学习成绩好,有发明创造的热情,而且品德优良,经常助人为乐。有一次,他看到一位孤独老人用笨重的水磨在磨面,小贝尔很同情他,约了一群少年伙伴来帮忙。后来,小伙伴们嫌推磨太苦,纷纷不干了,只有小贝尔一人坚持下来。
回到家里,小贝尔想,怎样才能使水磨省劲呢?为了设计新水磨,他翻阅了大量资料,设计图画了一张又一张。经过 1 个月的反复琢磨,草图终于设计出来了。几个工匠看了很称赞。在工匠师傅的努力下,省力的水磨制成
了,乡亲们十分感激他,小贝尔也成了大家心目中的英雄。
小贝尔年少时,爱好演讲。他父亲是一位演讲家,贝尔少年时代,就组织“少年技术协会”,每周演讲一次。他很有演讲才能,22 岁被美国波士顿大学聘请,当了语音学教授。父子二人成为美国饶有名气的演讲家。
1875 年 6 月 2 日,28 岁的贝尔经历千万次的失败,终于制成了有线电话。这一天,他和华特生正在进行新的实验。贝尔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,无意地连声呼救:“华特生,快来,我需要你!”声音通过电线传到了华特生的耳朵里。就这样,人类第一部有线电话制造成功了。
阿基米德
5、阿基米德——洗澡发现了定律
阿基米德(约前 287~约前 212),古希腊物理学家和数学家。曾发现杠杆定律和阿基米德定律,终身从事物理和数学的研究。
阿基米德出生在古希腊的一个天文学家的家庭里,从小就受到全家人的宠爱。父亲为了使他早日成才,在起名字上绞尽了脑汁,经过反复选择,在他出生的第 10 天,取名阿基米德。希望这名字给他带来幸福,并能成为一个真正的希腊人。
阿基米德的童年,是在保姆和奴隶们的照料下度过的。全家人对他要求很严,行走坐立、穿衣吃饭都有规矩,不准他淘气,也不许他交坏朋友。他8 岁时进了学堂,每天天不亮就起床,在奴隶的陪伴下走很长的路到学校上课。阿基米德的家里很富有,但他从不骑马或坐车。
阿基米德学习非常刻苦,有时看书,一看就是一天。随着阿基米德年龄的增长,他的许多与众不同的地方开始显露出来。他把大部分时间用在思考、探讨、学习和写作上,极少想自己的事。为了研究一个问题,常常忘记吃饭,忘记洗澡。连穿衣服、脱衣服这类事情,都得由别人帮助来做,只要他一思
考问题,就会忘掉自己的一切。
阿基米德对三角形、正方形、圆形的研究简直着了魔,与它们形影不离,一天总画呀画呀,那么聚精会神,专心致志,好像周围的一切都不存在了。有一次,在他跨进浴盆洗澡时感觉到身子入水越深,水越往外溢,身子就越轻,突然,他兴奋地大叫一声,从浴盆里跳出来,一丝不挂地在大街上奔跑,一边朝家跑嘴里一边喊:“我想出来了,我想出来了!”
人们望着这个赤身裸体奔跑着的怪人,非常惊异,他们哪里会想到,阿基米德就在洗澡时,发现了一条重要的流体静力学规律——“阿基米德定律”,即浸在液体里的物体受到向上的浮力,浮力的大小等于被物体所排开的液体的重量。

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