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讓火槍發揮戰力,法寶藏在細節裡——《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事》

PanSci
・2020/11/14 ・2655字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 文/ Witold Rybczynski 摘自《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事》 第三章〈槍機、槍托和槍管〉
  • 【科科愛讀書】武器常常推動科技發明,文藝復興時,最前衛武器革新是槍砲,15世紀末,青銅砲筒能裝於輪砲架上,機動性受到重視,並帶動火槍的改良。本文介紹火槍的改良,其中,螺絲釘扮演關鍵角色。

鑄造大砲前的小試身手:火槍

在鑄造整座大砲之前,鑄造場先用小型輕便的武器作實驗。這種「手上型大砲」目前現存的最古實例,是一座三十公分長的青銅砲筒,製於十四世紀中葉的瑞典。

十七世紀初的火槍手。圖/Wikipedia

該砲筒連接於一筆直的木製槍托上,砲手若不是以手肘緊夾著槍托,就是將之扛在肩上,像是扛著現代的反坦克砲一樣。義大利人將這種新武器叫做 arcobugia(字面意思是「中空的十字弓」)。身為製砲先驅的西班牙人則叫做 arcabuz,也就是法文和英文 arquebus(火槍)的由來。

使用火槍的高難度,恐先傷到自己人

發射火槍的技巧相當難以拿捏。從槍口裝入彈藥之後,槍手必須單手平衡這個笨重的武器,另一隻手則將一根悶燒的火柴指向火門或火藥池。即使使用了叉狀支架或三腳架,瞄準仍然相當困難。

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除此之外,由於提早引爆所帶來的風險,將手靠近引藥本是件危險的事。一群一邊揮舞著點燃的火柴、一邊在火藥池上猛倒火藥的火槍兵,對自己所造成的傷害,可能和對敵人造成的傷害一樣多。

中世紀歐洲貴族各自據地為王,以城堡為中心建立統治,彼此征戰不斷,武器改因此重要。圖/Needpix

解決引爆問題的方法約於十五世紀早期開始發展:

槍托上加裝了一根持拿火柴的彎曲金屬臂。在早期的版本裡,射擊手以手迴旋該金屬臂,慢慢地將火柴移至火門;到後來,這項動作以一彈簧操作的機械裝置完成,即所謂的火繩。持火柴的臂狀物先以扳機扣住,然後在按下一個按鈕之際,彈簧將之帶到火藥池。在更進一步的改良下,一個形似槓桿的扳機(改造自十字弓的一項配備)受壓後,緩慢地將火柴降低至火藥池中。至此,射擊手的雙手都能得空,可用來穩定槍身和瞄準。現代槍砲自此誕生─ 槍機、槍托和槍管,從頭到尾,一樣也不缺

16世紀,日本製造的種子島火繩槍。圖/wikipedia

由下而上傳播,晉升紳士的武器

火槍很快地流行起來,一四七一年間,勃艮地公爵(編按:勃艮地為中世紀晚期的一個歐洲王國,位於今日法國東部及荷比盧地區)的軍隊總計擁有 1250 名披掛盔甲的騎士、1250 名長矛兵、5000 名弓箭手,以及 1250 名火槍兵。 到了一五二七年,在法國一支為數八百人的遠征軍中,半數以上的士兵為火槍兵, 射擊手是當時常見的士兵。

科技上的創新,往往自富至貧、涓滴下傳,槍砲則以相反的方向演進。貴族階層蔑視頭一批火槍,認為它們操作不易,對狩獵而言太不精確。直到十六世紀晚期,槍才成為紳士的武器

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我前往紐約市大都會美術館的武器與盔甲陳列室一睹這些早期槍砲的風采。在一個玻璃櫃中,我發現了一把一五七〇年代在義大利生產的火繩槍,槍身長約一公尺,有一個形狀奇特的彎曲木製槍托,看起來像是一只草地曲棍球球桿。這類俗稱沛徹諾(petronel)的槍枝是法國人發展出來的,其法文名稱叫做胸槍(poitrinal),因為槍托的形狀是為了在發射時,將槍托靠在胸(poitrine)上而設計。

1570年由義大利製造的沛徹諾槍。圖/紐約大都會博物館官網

沛徹諾槍的好景不常,正如一位懷疑其功效的英國士兵所指出:「幾乎無人能忍受其後座力」,這些槍枝遂被具有所謂西班牙槍托的槍枝取代,發射時將槍托抵在肩上。

藏身華美雕刻之中,小螺絲釘穩住槍機

大都會美術館中的沛徹諾槍裝飾得十分華麗繁複,顯然是供狩獵之用。其鋼製的槍管和槍機上有雕刻,槍托上則鑲嵌著骨雕。當我仔細觀察這些裝飾時,槍機吸引了我的目光,兩顆螺絲的有槽螺絲頭明顯可見。槍機是用螺絲——肯定是螺絲——固定在槍托上的。

放大觀察,精美的細部雕刻中藏有螺絲釘固定槍托和槍機的痕跡。圖/紐約大都會博物館官網

之所以捨鐵釘而用螺絲,可能是為了確保槍機不會受連續發射的影響,因振動而鬆開來

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追本溯源,手稿中的古老身影

這項應用一定產生得相當早,絕對在一五七〇年代之前。由於大都會美術館中沒有更古老的火繩槍,我便去查閱一本有名的參考書《波拉德氏槍砲史》。我找到一幅於一五〇五年在紐倫堡繪就的火繩槍詳圖。 其可動零件以鉚釘固定,但整個機械裝置則以四根螺絲拴在槍托上,和那把沛徹諾槍如出一轍。

在這幅分解圖中,可看見這四根螺釘的全貌:它們有著圓而帶槽的螺絲頭,帶螺紋的螺身則逐漸變窄,直至尖銳的末端。在《波拉德氏槍砲史》一書中,關於火繩槍最古老的描繪來自於一份十五世紀德國的手稿。粗短的槍管嵌入木製槍托中,由槍托末端稍呈傾斜的情況看來,一般人已逐漸了解將後座力的部分衝擊轉換成垂直運動的原理。這幅精確明白的圖畫顯示了槍的右邊;同樣地,槍機以兩顆有槽螺絲固定於槍托上。

這份手稿的年份是一四七五年,約與《中世紀居家書》的時間相當。 在這裡,我終於找到了早期螺絲的普遍應用

——本書摘自《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事》,邦城文化事業貓頭鷹出版,2020年09月30日。

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阿基米德的小發明,是螺絲界的一大步!——《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事》
PanSci
・2020/11/13 ・2301字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 583 ・九年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

散佈地中海各地的發明——水螺絲

水螺絲由一根直徑約三十公分、長三至四.五公尺、裝入防水木管中的巨大螺釘組成。兩端開放的木管以低角度傾斜安裝,下端則沒入水中;當一人在木管外周的防滑釘上行走,進而帶動整個裝備旋轉之際,由木管下端進入的水,便由螺絲的螺旋形分隔(也就是螺紋)向上移動,而自頂端浮現。

水螺絲的轉動緩慢,能力卻相當大(角度愈低,流動量便愈大),有人估計它的機械效率可高達百分之六十,與後來提升水位的裝置如水車及水桶運送帶相較,還略勝一籌。

後人繪製的阿基米德式螺旋抽水裝置。圖/Wikimedia common

水螺絲最早的記載,出現於西元前第二世紀,眾學者均將這項發明歸功於阿基米德。據戴奧多羅斯記載,阿基米德發明水螺絲時,還是個在亞歷山大城求學的年輕人。

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這點很合理。這項裝備對於埃及的農業灌溉而言非常理想,水螺絲和大水車不同,它能夠輕易地隨處移動;它所提升的水位並不高,但應付平坦的三角洲卻綽綽有餘;而其沒有活動零件的簡單設計,則能抵抗淤泥充塞的尼羅河河水引起的堵塞。

水螺絲的科技,由埃及散布至地中海各地。水螺絲用於灌溉,但也有其他的應用,據說阿基米德曾經利用水螺絲,倒光了國王亥厄洛一艘大船底部的汙水。古羅馬人也利用水螺絲,提升市政給水系統的水位,以及為礦坑抽水。二十世紀早期,在古羅馬位於西班牙的銅礦中發現了一些保存完善的木製水螺絲。

這些長達三.五公尺、直徑約三十公分的管子,以塗有瀝青的布料包裹,並以繩索鞏固;在其內部,螺旋形的分隔則以壓成薄片的木板製成,膠著後以銅釘固定。四根像這樣的水螺絲聯合起來,能將水位垂直提升約六公尺的高度。

古羅馬水系統也利用水螺絲供給市政用水。圖/BBC

戴奧多羅斯描述:「藉著不斷地輪流打水,它們將水自礦坑口吐出,從而排乾礦坑中的水;由於這工具的設計是如此別出心裁,大量的水得以奇妙而不費吹灰之力地射出。」自從戴奧多羅斯將水螺絲與其他提升水位的古老設備,如複雜的水桶運送帶和水車等相比較之後,便對水螺絲的簡明和有效留下深刻的印象。

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鼓形水車是一種相當普通的水車,為一只直徑三至四.五公尺的大型中空輪,裡頭分隔成八個餅形的隔間。隨著水車轉動之際,水流進位置最低、沒入水中的隔間,而當該隔間抵達最高位置時,便自其流出。有人提議說,鼓形水車很可能是阿基米德靈感的來源。

鼓式水車。圖/wikipedia

實際上,如果把鼓形水車的形狀拉長一點,並使其沿著中軸旋轉,它便會產生一條圓柱螺旋線。這種三維外推法雖然一點兒都不顯然可見,但對一位熟練的數學家而言,卻非難事。將水螺絲的發明歸於阿基米德的假設,還有另一則有趣事實可供佐證。

想像力真的是一種超能力

在所有的希臘及拉丁文學中,唯一一件關於水螺絲的詳細敘述(作者是維特魯維亞),明確地描述一根具有「八個」螺旋形隔間的水螺絲;而如果水螺絲是自鼓形水車得到靈感,就正該是這個數字。 維特魯維亞描述的應該是最早的水螺絲;後來的古羅馬工程師,一旦發現八個隔間並沒有任何的機械利益,還增添不少成本時,便將隔間數目降低至二或三個。

不論阿基米德的靈感是否來自鼓形水車,水螺絲是由於人類想像力才得以實現的又一則機械發明實例,和科技演進無關。想像力是個善變的東西,以古代的中國人為例,他們並不知道水螺絲的存在;事實上他們連螺絲都沒聽過,螺絲是他們不曾自行發明的唯一一項機械裝置。

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1620 年費第 (Domenico Fetti) 畫作《沉思的阿基米德》。圖/Wikimedia common

另一方面,當古羅馬人發明木螺鑽時,他們已經知道螺絲的存在,卻從未了解相同的原理可以解決一則重大的鑽孔問題:深孔極易被木屑堵塞。一直到十九世紀早期,所謂的螺旋鑽才得以發明;隨著鑽錐的轉動,螺旋狀的鑽柄會自行清除木屑。

水螺絲不僅是一台簡單而別出心裁的機器,就我們所知,它也是人類歷史上首度登場的螺旋線。螺絲的發現代表一種奇蹟;原本就只有像阿基米德這樣的數學天才才能描述螺旋線的幾何結構,也只有像他這樣的機械天才,才能為這不尋常的形狀想出一個實際的應用。

如果他還是個在亞歷山大求學的年輕人時就發明了水螺絲,後來並(如我私心所想一般)將螺旋線的概念改良應用於無限螺桿之上,那我們一定要在他許多傑出的成就上面,再添加一則小小的、卻不盡然微不足道的榮銜:螺絲之父。

——本文摘自泛科學2020年11月選書《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事》,2020年 9月,貓頭鷹
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二十世紀最大的小發明,如何拴緊全世界——《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事》
PanSci
・2020/11/12 ・2708字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

早期的螺絲,工匠們都拒用!

第一批由工廠製造的螺絲則完全不是這麼一回事。首先,雖然手工螺絲是有尖頭的,工廠製造的螺絲卻只有鈍頭,而且無法自行起動,必須先為它鑽個導孔。問題出在製造的過程。

鈍頭螺絲壓根兒沒法銼出一個尖頭來,螺紋本身也必須停止在尖端;但當時的車床沒有切削推拔螺紋的能力,螺絲製造商曾試著改變刀具下刀的角度,結果是螺絲的全長都得經過推拔。然而,這類螺絲的固定力很差,所以木匠都拒絕使用,當時所需要的是一台能同時在螺絲本體(圓柱狀)以及螺旋尖端(錐狀),切出連續螺紋的機器。

歷經幾十年的螺絲演進

一位有發明天分的美國技工找到了解決之道。美國最早的螺絲工廠於一八一○年成立於羅德島州,用的是經過改良的英國機器。該州首府普洛威頓斯成為美國螺絲工業的中心,於一八三○年代中期之前,其產品需求量日益激增。自一八三七年起,有一連串的專利都與具螺旋尖端螺絲的製造問題相關,但經過十年以上的試誤學習之後,才終於找出解決之道。

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當時美國工廠經過十幾年的不斷嘗試,才逐漸找出解決方法。圖/Wikimedia common

一八四二年,一名為新英格蘭螺絲公司工作、來自普洛威頓斯的技工惠波,發明了一種完全由機器自動製造螺絲的方法,七年之後,他有了新的突破,遂成功取得尖頭螺絲生產方法的專利。

斯隆設計出一個稍微不同的方法,而其專利則成為大企業美國螺絲公司的主力;另一位新英格蘭人羅捷斯則解決了將有螺紋的核心推拔至平滑頸幹的問題。諸如此類的改進,將美國螺絲業者穩定地推上了領導者的寶座,到了該世紀末,螺絲已演變至其最終的形式,美國的生產方法也已主宰全球。

自十五世紀以來,螺絲一向有著正方形、八角形或有槽的螺絲頭;前者以扳手轉動,後者則以螺絲起子轉動。溝槽的起源不難理解,正方頭必須非常精確才能與扳手配合;溝槽則是個能以手工大略銼出或切出的形狀。有槽螺絲也可埋頭旋入鑽孔中不至於凸出表面;這正是連結對接鉸鏈必須的一點。埋頭螺釘一旦於十九世紀早期普及之後,有槽螺絲頭(還有平刃式螺絲起子)就成了標準規範。

1870 年,製作螺絲的車床。圖/Wikimedia common

所以,儘管螺絲至此已全由機器製造,傳統式的溝槽卻得以留存下來。但有槽螺絲也有數項缺點。

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螺絲起子很容易就自溝槽滑脫,結果經常是對需要固定的物件、操作者的手指——甚或兩者——造成損傷。溝槽僅能微弱地抓住螺絲,而在試著上緊一枚新螺絲或鬆開一枚舊螺絲時,磨壞溝槽也是司空見慣的事。

最後,有些不便的情況,如在摺梯上試圖保持平衡、在狹窄空間工作的同時,往往必須以單手拴上螺絲。這對有槽螺絲而言幾乎是不可能辦到的。螺絲搖晃不定,再一滑,掉到地上後又滾開,修理工氣得破口詛咒(也不是頭一回了)這令人發狂工具的始作俑者。

美國螺絲業者完全了解這些缺失。在一八六○和一八九○年之間,有一大堆的專利申請:磁性螺絲起子、收納螺絲的器具、不完全延伸整個螺絲頭的溝槽、雙溝槽,以及各式各樣的正方形、三角形和六角形的凹頭或凹洞等等,其中以最後一項最具潛力。

當時美國業者為解決這些螺絲使用上的缺失,申請了一大堆專利。圖/Pixabay

以凹洞代替溝槽,能把螺絲起子緊緊握牢,螺絲起子就不會自溝槽滑脫。然而困難又一次出在製造過程上,螺絲頭是經由機器在一根冰冷的鋼條上打印成型,若要印出一個深度足以握緊螺絲起子的凹洞,往往不是減弱螺絲的強度,就是會使螺絲頭變形。

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取得專利的強力推銷員——羅伯森

二十七歲的加拿大人羅伯森發現了解決的方法。羅伯森是費城一家工具公司所謂的強力推銷員,一個在加拿大東部的街角和鄉間市集販賣他所有商品的旅行推銷員。他把空閒的時間花在自己的工作室裡,嘗試著各種機械發明。他宣傳自己發明的「羅伯森氏二十世紀扳手曲柄鑽」——一個集曲柄鑽、猴頭扳手、螺絲起子、檯鉗和鉚釘製造器於一身的組合工具。

他擁有一種改良式拔塞鑽、一種新型的袖釦,甚至改良式捕鼠器的專利,卻只是白費力氣而已。一九○七年,他取得了凹頭螺釘的專利。羅伯森後來說,他在蒙特婁為一群站在人行道旁觀望的行人展示一只彈簧式螺絲起子時,因為螺絲起子的刃部自溝槽滑脫傷了手,因而讓他得到凹頭螺絲的靈感。他這項發明的祕密在於凹洞精確的形狀:具去角緣的正方形、稍呈錐形的四邊,以及金字塔型的底部。

羅伯森在一次推銷過程中被螺絲起子的刃部弄傷手,而有了靈感。圖/giphy

「很早之前就有人發現利用這種打印方式,根據指定的角度分毫不差地製造,冷金屬會流向四周而非被逼至刀具的前頭,結果是有益地緊密結合金屬原子,使其強度增加,卻絲毫不需浪費或切除所處理的金屬,這和一般有槽螺絲的製造迥然不同。」他相當自負地解釋。

身為一個熱心的推銷者,羅伯森找到了金錢上的後援,說服了位於安大略省的小鎮米爾頓,許他一筆免稅貸款以及其他特權,並成立了他自己的螺絲工廠。「大財富來自於小發明,」他向有可能投資的人士鼓吹,「很多人都認為,這是二十世紀目前最大的小發明。」

事實上,正方形的凹洞真的是個很大的進步,這種特殊的方頭螺絲有適貼的配合(羅伯森聲稱,其精確度達千分之三公分),而且螺絲起子從來不會滑脫。對工匠們尤其是製造家具和船隻的人而言,能自定中心並以單手拴入的螺絲所帶來的便利,真是讓人額手稱慶。

——本文摘自泛科學2020年11月選書《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事》,2020年 9月,貓頭鷹

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