2、工程的成功與失敗取決於「黑盒子」。
Engineering succeeds and fails because of the black box.
工程學是一個包含多種專業的領域,由不同的個人與團隊著手處理同一計畫裡的不同面向。概念上,一個黑盒子包含了一門工程的專業知識與程序。在一個包含不同專業的設計團隊裡,來自某一專業的產出,會成為另一專業的處理對象。舉例來說,一個燃料系統的設計者,在「燃料系統黑盒子」內完成任務,並將其產出交予引擎設計者處理。引擎設計者在其黑盒子內產出設計,並交予自動排檔裝置設計者處理。如此完成跨領域專業的設計。
然而,設計的方案並不是如畫直線般地一氣呵成,團隊以複雜而相互連動的方式完成設計。因此,這種以黑盒子分工看待工程專業的方式,最好被視為暫時性的理想模型,這暫時性的理想模型會在設計過程中,因為產品的限制、發展潛能的顯現、或原型模型的測試結果而被調整、重新定義。如此,黑盒子分工的模型才能發揮最大效用。若我們將黑盒子分工的模型視為永遠不變、處理次序總是相同的話,終將導致計畫失敗。
3、工程的核心不是計算,而是解決問題。
The heart of engineering isn’t calculation; it’s problem solving.
學校可能側重於教導計算的方法。但計算並不是工程的階段目標或最終目的,計算只是用來找到問題解決方案的許多手段之一。藉由計算所找到的解決方案會帶來效用,且能被客觀量測進展。
13、A battery works because of corrosion.
電池能發揮功用是因為腐蝕作用。
在金屬表面,電子皆以極弱的鍵結拘束其中。當兩種金屬表面接觸時,金屬原子會相互搶奪電子。「貴」金屬(陽極〔cathode〕)會從更有「活性」的金屬(陰極〔anode〕)表面吸引電子。電子的移動會造成陰極腐蝕,並產生電流。碳鋅電池為常見的家用電池,其中鋅的活性大於碳,因而腐蝕並產生電流(在碳鋅電池中,碳被稱為類金屬〔metalloid〕,化學特性與金屬相似)。
14、物質的硬度不保證其壽命。
Harder materials don’t ensure longevity.
1915 年,一艘名為「海洋呼喚」(Sea Call)的船以蒙納(Monel)合金──一種相對新式且堅硬的鎳銅鐵合金──製造了出來。因為蒙納合金具有極強的抗鏽蝕性,且在潮濕環境仍能發揮功用,這艘「海洋呼喚」預期能夠使用很長一段時間。不幸的是,這艘 214 英呎長、34 英呎寬的船艦在使用六週就報廢了。蒙納合金製的船身完好無缺,但蒙納合金也造成船艦的鋼構與接合零件的鏽蝕速度,超過了與海水電解反應的速度。
16、為何舞動的葛提會崩塌?
Why Galloping Gertie collapsed
華盛頓州的塔可馬懸索橋(Tacoma Narrows suspension bridge)竣工時,是世界上第三大懸索橋,儘管在建設期間因不尋常的上下擺動而被稱為「舞動的葛提」(Galloping Gertie),塔可馬懸索橋仍在 1940 年開放使用。同年 11 月,當駕駛李歐納德・考斯沃(Leonard Coatsworth)與他的可卡犬托比(Tubby)獨自開過塔可馬橋時,橋開始劇烈地擺動。因為無法將車開過橋,也無法將托比帶出車外,考斯沃只能一個人徒步逃出。在幾次失敗的救援嘗試後,他的寵物狗、車與橋體最終一起落入了普捷灣(Puget Sound)中。
華盛頓州公路局得出的結論是:並不是像一般認為的那樣,橋的崩塌並非由特定頻率吹拂的風與橋之間的自然共振所引發,而是由於氣體動力顫動(aeroelastic flutter,因氣流而起的顫動)所造成的扭轉顫動(torsional flutter,重複性的扭轉)。2800 英呎長、39 英呎寬的吊索結構本來就不耐風吹,而橋的實心鋼板更只有 8 英呎寬,而橋原本計畫使用的是 25 英呎寬的強化桁架。
崩塌發生十年後,「堅毅葛提」(Sturdy Gertie)完成了,結合了原設計的斜坡與主結構,但加上了 33 英呎寬的強化桁架。
20、地面效應。
The ground effect.
賽車尾翼藉由在車尾引進下壓的力量來抵消浮力。然而,這樣的下壓力也會增加阻力,降低氣體動力的效率。
英國發明家科林・查普曼(Colin Chapman)找到了一種更有效率的設計。他在賽車底盤設計了一個前後貫通的氣道,氣道上方的形狀如同倒轉的翼型。這樣的設計與極低的離地間隙以及側板相互結合,經過車子底部的空氣會被導入一個狹窄的區域,加速空氣的流動。快速流動的空氣具有較低的氣壓,這使得汽車被「吸」在路上。這樣的地面效應(ground effect)設計後來被證實是有效的。在查普曼的團隊將設計引入 F1 賽車後,這樣的設計便被禁止了。
查普曼的設計有其優缺取捨:如果具有地面效應的車在高速行駛時受到撞擊,底盤的氣流可能被擾動,並災難性地失去控制。但查普曼發明的天才是不可否認的,他反轉了下壓力增加所造成的難解問題,他從反面思考問題,並創造了「地吸力」。
21、圓環交流道是最安全,也是最有效率的交叉口。
A roundabout is the safest, most efficient intersection.
以圓環交流道(roundabout)取代傳統十字路口的交叉口,交通的延遲減少了 89%、交通意外減少了 37% 到 80%、意外受傷率減少了 30% 到 75%,而致死率減少了 50% 到 70%。意外的減少,甚至能帶來八倍左右投資上的回饋。
一個德州大學的土木工程團隊,發現有閃光燈的十字路口是最危險的道路交叉口,其意外發生率是有紅綠燈十字路口的三倍,並是圓環交流道的五到六倍。
35、堪薩斯城凱悅酒店天橋坍塌事故。
Kansas City Hyatt walkway collapse.
1981 年 7 月 17 日,密蘇里州堪薩斯城,凱悅酒店兩座中庭內的天橋在舞會中坍塌了。這起意外造成一百一十四人死亡,超過兩百人受傷。
兩座天橋橫跨中庭的二樓與四樓,以鐵桿從屋頂垂吊下來。工程師計畫讓桿子一體成形地穿過天橋,上層的天橋由螺帽固定,而桿子同時穿過上下層的走道(見左圖的原設計概念)。
在建設過程中,工人發現裝設四層樓長的螺紋桿並將螺帽轉過兩層樓是有難度的。以兩組較短的鐵桿替代的計畫因此被提出了。其中一組會由屋頂吊下並固定四樓走道,另一組會從四樓將二樓走道吊起(見實際建造狀況)。工程師在未進行結構分析的情況下,核准了這項設計更動。
意外後的分析發現:這項更動使四樓的鋼樑承受了雙倍的載重。此外,設計裡的每條鋼樑也都並非單一結構,而是由兩條鋼樑平行焊接。當承重滿載,焊接處便斷裂,使得上層走道如「煎餅」般整層掉到下層走道。
52、很少有消費者會願意付錢購買完美的產品。
Few customers will pay for a perfectly engineered product.
相較於高品質產品,顧客會注意到、並願意花錢購買品質改進的低品質產品。低品質產品 10% 的進步,會創造比 10% 更多的「品質價值」(Value of Quality)──也就是使用者對品質的感受。然而隨著品質改進,其相應增加的價值會逐漸減少。如果 10% 的改進需要 10 美元的成本,20% 的改進成本則可能超過 20 美元。最終,品質改進所花費的成本,會遠多過消費者實際感受到的品質改進幅度。
理論上,「品質–成本」關係的最理想狀態,會在價值曲線與成本曲線的斜率相同時發生。在這個狀態下,產品的品質改進速度等同於製造商花費的成本。在這之後,製造商為每一丁點品質改進所花費的成本,會多過顧客感受到的品質改進。