機械的奧妙 社會文化、工藝技術、科學原理 顏鴻森 成功大學講座 / 機械系教授 / 博物館館長 科技與社會導論 國立中央大學 2010 年 03 月 17 日

1. 機械的奧妙 社會文化、工藝技術、科學原理 顏鴻森 成功大學講座/機械系教授/博物館館長 科技與社會導論 國立中央大學 2010年03月17日

2. 社會、技術、科學 人們生活在一個自己所發明製造出之器物的世界。 人與人相互間有關聯 –社會Society 人與發明製造出的器物有關聯 - 技術Technology 人與發明製造器物的知識有所關聯- 科學Science 科學(Science) 探索與發現自然界的真理、增進人類的知識。 技術(Technology) 藉特定用途器物、產品、系統、或程序等的發明， 來改善人們的生活。

3. Year Inventors/Scientists Age 1769 Cugnot, Nicolas-Joseph (1725-1804) 44/79 1800 Volta, Alessandro (1752-1827) 48/75 1803 Trevithick, Richard (1771-1833) 32/62 1807 Fulton, Robert (1765-1815) 42/50 1828 Green, George (1793-1841) 35/48 1859 Lenoir, Etienne (1822-1900) 37/78 1862 Maxwell, James Clerk (1831-1879) 31/48 1877 Otto, Nikolaus August (1832-1891) 45/59 1885 Benz, Karl (1844-1929) 41/85 1898 Renault, Louis (1877-1944) 21/67 1896 Olds, Ransom Eli (1864-1950) 32/86 1896 Ford, Henry (1863-1947) 33/84

4. 機械的奧妙 ＊天底下的人造物品皆是經由某種機械所製造出來。 ＊ 自古以來人類發明各種器具、機械來達成特定目的。 ◎本講演從社會文化、工藝技術、科學原理的面向， 說明機械工藝的歷史發展 介紹工業革命與機械工程的關係 闡述機械工業的特質 探討機械科技對社會文明的影響 並論及機械科技與人本社會的奧密所在。

5. 機械工藝的歷史發展 ＊人類發明機械的動機是基於生活上的需要。 ＊有了各式各樣的器具、器械、機器、或機械， 就能增加生產力，就影響到生活方式。 ＊隨著機械發明的進展，社會組織也隨著演進。 ＊十五世紀以前古機械的發展，主要是 以工藝技術為主，並無近代科學的基礎。

6. 機械工藝的歷史發展 (Stone Age - 2500 BC) ＊無論在那一個民族， 機械的發明與發展都是先由幾種簡單機械開始。 ＊這時期的初期，機械主要是簡單工具，人們根據經驗將天然材料如石塊、木棒、蚌殼、獸骨等，經敲砸、修整、磨製、鑽孔成為如石刀、石斧等粗制工具，以人力為原動力，利用這些省力或便於用力工具，來達成人們直接用手作不到的工作。 ＊後來逐漸發展成原始織機與制陶轉輪等簡單機器，用以從事農業、漁獵、紡織、建築等工作。 ＊當時人們已能利用槓桿、尖劈、慣性、彈力、熱漲冷縮等原理。

7. 器具、器械、機器(械)-社會文化、工藝技術、科學原理器具、器械、機器(械)-社會文化、工藝技術、科學原理

8. 機械工藝的歷史發展 (2500 BC - 550 BC) ＊隨著需求增加，人們根據多年累積經驗及逐步發展的工藝技術，將簡單工具與簡單機械結合為比較複雜的機械，以便達到較為複雜的目的，例如剪刀是由尖劈與槓桿合併組成。 ＊當時的機械，除了使用木材外、銅和鐵已廣泛應用。 ＊這個時期的機械，亦由簡單的轆轤、桔槔、滑輪、絞車、弓箭發展到車、兵器等複雜機器。

9. 器具、器械、機器(械)社會文化、工藝技術、科學原理器具、器械、機器(械)社會文化、工藝技術、科學原理 權衡、槓桿、機器(械) 衡：槓桿 權：法碼 本：抗力臂 標：施力臂 木衡銅權 (~300 BC) 長沙左家公山 《墨經‧說下第四十三》 「 ‧‧衡，加重於其一旁必捶，權重相若也。相衡，則本短標長。兩加焉，重相若，則標必下，標得權也‧‧」 《呂氏春秋》 『黃帝使伶倫取竹于崑崙之山解谷， 為黃鐘之律，而造權衡度量。』(2,599698 BC)

10. 機械工藝的歷史發展 (550 BC - 1368~1644 AD) ＊秦漢時，古中國的機械發展趨於成熟。 ＊金屬材料的冶煉、鑄造、及鍛造水平都很高，尤其是治鐵技術發展迅速。 ＊有連桿、齒輪、繩帶、及鏈條傳動，亦有齒輪系傳動與自動控制系統。 ＊農具、紡織機械、車、船有改進發展。 ＊由秦始皇陵銅車馬可看出，冷熱加工技術十分精湛高超。 ＊東漢的水排(水力鼓風設備)由水輪、繩帶與連桿傳動、及鼓風器組成，具備近代機器的原動機、傳動機構、及工作機。

11. 張衡 候風地動儀132 AD 器具、器械、機器(械)社會文化、工藝技術、科學原理 蘇頌 水運儀象臺 1088 AD

12. 知識、哲學、科學 ＊知識 人類 (具好奇心的動物)：知識 文字 (~3500BC)：知識記錄 ＊哲學家 (熱愛知識的人) Thales (625-546 BC)：第一個研究者 哲學家：研究、討論、發表自然界與人類的問題。 ＊自然哲學家-科學家 Hippcrates (460-377 BC) ：實用哲學家-西医之父 Aristotéls (384-322 BC) ：開啟自然研究-科學 Archimedes (287-212 BC) ：物理學、数學；阿基米德螺旋 ＊知識承載：教會、大學 (中世紀歐洲)教會(承載知識和思想)：牧師、修士(女) (12世紀歐洲)大學 ：哲學、數學、煉金術、天文學、神學

13. 文藝復興、科學革命 ＊哲學家與自然科學家 Leonardo da Vinci (1452~1519)：藝術家、發明家、工程師 Nicolaus Copernicus (1473~1543)：日心說 Galileo Galilei (1564~1642)：改進望遠鏡、建立近代力學 Francis Bacon (1561~1626)：古典經驗論始祖 René Descartes (1596~1650)：演繹推理先驅《方法論》 ＊自然科學家 Issac Newton (1643-1727 )：力學、微積分 ◎ 哲學與自然科學分流(17世紀末) 哲學：政治、道德、宗教、… 自然科學：數學、物理學、生物學、天文學、…

14. 機械工藝、機械科技 ＊從十五世紀的達文西(1452-1519)開始， 人們發展出現代科學，包括生命科學、醫藥、 數學、物理、化學、地球科學、天文學、…等， 大大影響了工程產品的技術與發明， 尤其是數學，成為研究物理世界有用的工具。 ＊十七世紀末期 Isaac Newton (1642-1727) 和 Gottfried Leibniz (1646-1716) 所發明的微積分， 廣泛應用在解決各種現實世界的物理問題上。 ＊George Boole (1815-1864) 證明邏輯論述能用數學符號表示， 他所發展出來的布林代數在經過一個世紀以後， 成為發展電腦科學的基本工具之一。

15. 器具、器械、機器(械)社會文化、工藝技術、科學原理器具、器械、機器(械)社會文化、工藝技術、科學原理

16. 機器(械)的定義 - 用力寡而見功多 《莊子外篇天地第十二》 『子貢南遊于楚，反于晉。 過漢陰，見一丈人，方將為圃畦。 鑿隧而入井，抱甕而出灌。 搰搰然用力甚多而見功寡。 子貢曰，有械于此，一日浸百畦， 用力甚寡而見功多，夫子不欲乎？ 為圃者仰而視之曰﹕奈何？曰﹕ 鑿木為機，后重前輕，挈水若抽， 數如泆湯，其名為桔槔。』 為圃者忿然作色而笑曰： 吾聞之吾師，有機械者必有機事，有機事者必有機心。 機心存餘胸中，則純白不備，純白不備則神生不定， 神生不定者道之所不載也。吾非不知，羞而不為也。

17. 機 件 Joints 接頭 拘束運動? Yes 機 構 動力源 控制 輸出有效功? Yes 機 器 機器的定義 - 用力寡而見功多 機器( Machine)則是按照一定的工作目的，由一個或數個機構(Mechanism)組合而成，賦予輸入能量及加上控制裝置，來產生有效的機械功或轉換機械能，以為吾人所用者。

18. 原動機Power Machinery 肌力 簡單機械 水力 水車技術 熱力 熱機技術 電力 電動機技術

19. 工具機Machine Tools

20. 工作機械Working Machines 天底下的人造物品皆是經由某種機械所製造出來。 注射器包裝機 潔淨室彩色濾光片玻璃基板傳送 幹細胞切割設備

21. 機械的奧妙 ＊天底下的人造物品皆是經由某種機械所製造出來。 ＊ 自古以來人類發明各種器具與機械來達成特定目的。 ◎ 本講演從社會文化、工藝技術、科學原理的面向， 說明機械工藝的歷史發展， 介紹工業革命與機械工程的關係， 闡述機械工業的特質， 探討機械科技對社會文明的影響 ， 串聯古早發明與近代創作的因果關係， 並論及機械科技與人本社會的奧密所在。

22. 工業革命 (~1780~1880)- 科學、技術、工藝 ＊機械革命 取代了人力、畜力、自然力 改變了生產與銷售貨品的方式 改變了傳統的社會型態與結構 ＊蒸汽機 (1769) 火車 (1803) 、商用鐵道 (1825, England) 蒸汽機船 (1807) ＊內燃機(1876) 汽車 (1885, Karl Benz )

23. 工業革命 (~1780~1880)- 蒸汽機Steam Engines ＊ 18世紀中葉，蒸汽動力開始在英國用於 礦井提水、紡織機驅動等， 提高生產力，引起工業革命。 ＊蒸汽機使英國的紡織品產量， 在 20多年內 (1766-1789) 增長了5倍， 為市場提供了大量消費商品， 加速資金的積累， 並對 運輸業提出了迫切要求。

24. 蒸汽機Steam Engines - 火車Locomotive 19世紀中葉，蒸汽動力裝置開始應用於 火車 和 船舶 ，使人類的交通運輸工具發生了一次飛躍。 ◎火車 Locomotive1803, Richard Trevithick (1771-1833) ◎商用鐵道1825 England 1896 USA The time required for a trip across the country was reduced from a few months to a few days.

25. 蒸汽機Steam Engines - 蒸汽機船 Steam Boats ＊1776年開始實驗在 船舶 上 用蒸汽機為推進動力。 ＊1807年Robert Fulton (1765- 1815) 製成第一艘實用的蒸汽機船 。 ＊蒸汽機在船舶上作為推進動力歷百餘年之久。 ◎ As steamboats became larger and faster, they were able to cross longer distances. ◎ The countries that were most powerful quickly came to dominate the world economy. ◎ Great Britain increased its hold on countries in Africa and Asia. Many times, countries were taken by force as steamboats were able to carry not only people and good, but also cannons and other weapons.

26. 內燃機機International Combustion Engines (1876) 1859 Jean-Joseph-Etienne Lenoir(1822-1900) 1877 Nikolaus August Otto(1832-1891) 熱力學Thermodynamics 數 學Mathematics 微積分 Calculus Engines Engineers / EngineeringNear Engines Craftsmen Technicians Engineers Scientists

27. 汽車Automobiles– 內燃機 ＊1862 J.J. E. Lenoir (1822-1900) 40 歲 ＊1885 Karl Benz (1844-1929) 41 歲 ＊1891 Panhard - Levassor ＊1898 Louis Renault (1877-1944) 21 歲 ＊1896 Ransom Eli Olds (1864-1950) 32 歲 ＊1896 Henry Ford (1863-1947) 33 歲 Model T(1920s)

28. 其它動力機械 • 19世紀末，出現了汽輪機，它比蒸汽機熱效率高、單機功率更大，更適宜於驅動發電機，因而得到迅速發展，使人類進入電氣時代。 • 1970年代，蒸汽動力裝置的單機功率已1300兆瓦，熱效率達40％，利用它 發電的成本也不斷降低。 • 1950年代開始，利用 核能的蒸汽動力裝置有很大的發展。 • 隨著新能源的開發，太陽能、地熱、海水溫差等動力裝置相繼出現。 JT-9D引擎(華航)

29. 動力機械的發展 1832 1882 水力 水車 水渦輪 蒸汽機 汽輪機（蒸汽渦輪） 熱力 內燃機 燃料渦輪 電力 電動機 1937 1876 西元前 1769 1835

30. 機械的奧妙 ＊天底下的人造物品皆是經由某種機械所製造出來。 ＊ 自古以來人類發明各種器具與機械來達成特定目的。 ◎ 本講演從社會文化、工藝技術、科學原理的面向， 說明機械工藝的歷史發展， 介紹工業革命與機械工程的關係， 闡述機械工業的特質， 探討機械科技對社會文明的影響 ， 串聯古早發明與近代創作的因果關係， 並論及機械科技與人本社會的奧密所在。

31. 工業大國機械工業 英國十八世紀 煤礦開採與蒸汽機成功改良成為工業大國 美國十九世紀 內戰需求奠定工業基礎 日本明治維新 引進西方科技建立自己工業 研 究 發 展 設 計 製 造 銷 售 服 務

32. 台灣產業發展 ＊ 1950年代 民生工業(農漁紡織) 啟萌，穩定經濟生活基礎。 ＊ 1960年代 外銷導向 (勞力密集)輕工業政策，養成加工技術。 ＊ 1970~80年代 十大建設與化學工業的推動，紮下工業發展根基。 ＊ 1990年代 策略性與高科技產業的推動(資訊半導體產業) 。 ＊ 2000年代 知識密集產業的推動(知識經濟服務業) 。

33. 台灣(機械)工業特質 • 歷史不長 • 小型企業 • 出口導向 • 製造銷售本質 學術界 學術界/企業界企業界 企業界 企業界 企業界 研 究 發 展 設 計 製 造 銷 售 服 務 報告論文原型產品製造藍圖商用產品營業收入公司聲譽

34. 底盤骨架 機械工業特質 ＊產品壽命週期長 ＊產品功能漸進改善 ＊講求連續性與經驗傳承 ＊高度依賴專業人才與人力 DOT Motorcycle, 1924 (Manchester Industrial Museum)

35. 產品壽命 -電子產業、機械產業、生醫產業

36. 安全距離警示 防盜/多媒體 引擎/變速箱控制 雨滴感測 車內無線通訊 -微型高頻發射器 通訊/路況/導航 排氣污染感測器 道路偏離感測 視線死角警示 主動式 安全防撞 頭燈自動配光 光感知/雷達 變換車道輔助系統 電子收付費 氣氛/空調 溫度，壓力 防滑主動懸吊 內外安全視訊 自動煞車 抬頭顯示與夜視 智慧車輛- 控制、通訊、資訊、感測、網路 …

37. 機械的奧妙 ＊天底下的人造物品皆是經由某種機械所製造出來。 ＊ 自古以來人類發明各種器具與機械來達成特定目的。 ◎ 本講演從社會文化、工藝技術、科學原理的面向， 說明機械工藝的歷史發展， 介紹工業革命與機械工程的關係， 闡述機械工業的特質， 探討機械科技對社會文明的影響 ， 串聯古早發明與近代創作的因果關係， 並論及機械科技與人本社會的奧密所在。

38. Social Impact-Entrepreneurship(1800s) ＊A system in which an individual anticipates trends in business and invests time, energy, and money in the hope of accumulating a large fortune. ＊The foundation of capitalism that encourages competition and a free economic market. ◎ Some inventors amassed fortunes Isaac Singer (1811-1875) Alexander Graham Bell (1847-1922) ◎ Some inventors died in debt Charles Goodyear (1847-1922)

39. Social Impact-Stock Market(19th century) ＊The cost of many innovations was enormous, such as railroads, subways, and telegraph lines. ＊No single individuals could afford to accomplish. ＊A stock market was created for people to pool money to support new projects. ＊People expected a return on their investments. ＊This system of pooled resources, risk, and profit dominates the economies of most countries now.

40. Social Impact-Society Restructure(19th century) • 各種科技產品的發明，使貿易全球化， 產品不會僅在一個城鎮、縣郡、或國家販賣。 • 當更多發明與自動過程創造出來之後， 更多的工廠會被建造， 這些工廠通常聚集在工業化的市中心， 更多工廠代表有更多工作機會， 人們開始搬離農場，離開家鄉，進入城市與鄉鎮。 • 當人口移動，新的科技被發明去幫助這些城市工人，例如：冷藏與鐵路可使得家庭有新鮮營養的食物， 地下鐵路、橋樑、及人造光使得城市更加適合居住。

41. 有些發明解決人類生存的基本問題： 保存食物使它安全快速食用， 作更好的衣服， 幾乎增加每一件工作的效率。 • 其它發明使我們生活更享受和方便，例如： 照相機、收音機、電影、電話、遊樂器、 個人電腦、高速鐵路等。 • 這些改變社會的發明，都與機械科技息息相關。

42. 機械的奧妙 ＊天底下的人造物品皆是經由某種機械所製造出來。 ＊ 自古以來人類發明各種器具與機械來達成特定目的。 ◎ 本講演從社會文化、工藝技術、科學原理的面向， 說明機械工藝的歷史發展， 介紹工業革命與機械工程的關係， 闡述機械工業的特質， 探討機械科技對社會文明的影響 ， 並論及機械科技與人本社會的奧密所在。

43. 機械的奧密 跨領域整合 -電機、電子、電腦 -資訊、通訊、網路 -材料、光學、生醫 -生命科學、物理、化學 人 People 要用 能用 好用 社會 Society 機械 Machinery

44. 安全距離警示 防盜/多媒體 引擎/變速箱控制 雨滴感測 車內無線通訊 -微型高頻發射器 通訊/路況/導航 排氣污染感測器 道路偏離感測 視線死角警示 主動式 安全防撞 頭燈自動配光 光感知/雷達 變換車道輔助系統 電子收付費 氣氛/空調 溫度，壓力 防滑主動懸吊 內外安全視訊 自動煞車 抬頭顯示與夜視 智慧車輛- 控制、通訊、資訊、感測、網路 …

45. 知識 技術 樣品 產品 商品 商業 • Henry Ford (1863-1947) • Assembly line method of production(1908)Model T(1920s)

46. Ford's Model T ＊Ford's Model T originated in an analysis of cost. ＊1905, should be available to the nation's lawyers, doctors, small businessmen, and farmers. ＊Making around $2500 a year, people would be willing to spend $500 on a car, provided that it met their needs and demands. 1908 $850 1914 $490 1924 $290 (1.0 M) 1926 $380 (1.5 M ) self-starter and balloon tires

47. Henry Ford, My Life and Work ＊I do not consider the machines which bear my name simply as machines. ＊If that was all there was to it, I would be doing something else. ＊I take them as concrete evidence of the working out of a theory of business which I hope is something more than a theory of business – a theory that looks forward toward making this world a better place in which to live.

48. 哲學、科學、科技-社會、技術、科學 《莊子外篇天地第十二》 『子貢南遊于楚，反于晉。 過漢陰，見一丈人，方將為圃畦。 鑿隧而入井，抱甕而出灌。 搰搰然用力甚多而見功寡。 子貢曰，有械于此，一日浸百畦， 用力甚寡而見功多，夫子不欲乎？ 為圃者仰而視之曰﹕奈何？曰﹕ 鑿木為機，后重前輕，挈水若抽， 數如泆湯，其名為桔槔。』 為圃者忿然作色而笑曰： 吾聞之吾師，有機械者必有機事，有機事者必有機心。 機心存餘胸中，則純白不備，純白不備則神生不定， 神生不定者道之所不載也。吾非不知，羞而不為也。

49. 結 語 • 天底下的人造物皆是由某種特定的機械所製造出來， 其根源在於機械科技的研究、發展、及設計， 其活力在於機械工業的深根。 • 與機械相關的科學、技術、工藝， 將隨著人類的進化， 無止境的不斷提昇， 如過去千百年一樣， 改變人類的社會、 改善人們的生活。

50. 汽輪機Steam Turbines Boeing 737 Jet Engine Thomas Savery(1698) ‘aeolipile’ (wind ball) Heron of Alexandria (~ 300 BC)