“书虫”的工程师之旅

书虫劳谦

        最近2个月来，“书虫”受邀在朋友的一家公司做业余的培训师，培训的专题为《工程师之旅--基础阶》---工程素养、技能训练营，课程主要有以下模块组成：

1. 工程师的前世今生
      

wnh728

工程师真行，产品丰富多彩，谢谢！！

书虫劳谦

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       谢谢您的关注，问候一下！
       发这个帖子“书虫”主要想将近几个月编写的一份关于工程师素养、技能培训的教材与家人们分享一下，并期待方家的指点或引导！
       这个培训教材的主要意图或编写路径是：

       1. 就工程师知识结构及应用方面，发掘并整理出我们已有的经验。
       2. 引导学员就个别主题作深入的分享与讨论。
       3. 我们会一起积极去实践，并尝试触及学员们的核心需求，以提高个体、团队的工作与学习能力为最终目标。

工程师能力模型：

书虫劳谦

        远古时代的许多奇淫巧计到后来都演化成一门具体的学科：比如炼丹练出了火药，炼金成了无机化学的源头，占卜师则创立了天文学。

        又如楼上的“八卦图”，中国远古时代的智慧杰作，古人通过“取象比类，运数比类”逐步形成了“象数”思维模式，通过一个很简洁的“八卦”图便构建起一个同步性、全息性的一组动态结构（最直接的运用就是：象事知器、占事知来---占卜术）。
      就这样：
      1. 数字产生
      2. 图形形成
      3. 数形统一，出现了两位制记数系统。（很遗憾却是在西方诞生了计算机）
      4. 明示了圆的等分，出现了周期律概念。
      5. 显现了近代天文学（如曲成万物而不遗-宇宙是没有直线的）、物理学的萌芽。
      6.出现了人类哲学的一些基本概念（如、变与通，殊途同归，危者使平、易者使倾等）

      我们从“象数法”联想起“归纳法”与“演绎法”。在公司里质量部的AQL水平抽检就是典型的“归纳法”应用，而在传统机器制造公司导入“精益生产”的一些适用的工具则便是“演绎法”。

        而下图新疆伊犁的一座小县城则是“八卦”思想一次的完美“工程实践”体验：

书虫劳谦

       伟大的阿基米德（前287-212年），在叙拉古国的西西里岛，先后发现了杠杆原理，浮力定律（静力学的胚胎），充满实践能力的他也像我们战国时期的鲁班一样帮助国王设计制作了攻城拔寨的云梯与投石器，但他不仅是位出色的工匠，更凭着他发现的那些伟大的定律理论与实践成果，成了史前位数不多的大科学家与工程师。

       而我们在战国时期，也出现了像鲁班（公输般）与墨子（翟）般的大工匠，一生倡导兼爱、尚贤、节用的墨翟还发明了染布工艺，据说他还发现了小孔成像与微分原理，可惜被他那光辉的“止楚攻宋”大手笔给淹没了。
       难道，人类东西方的科学工程思维难道从一开始就走上了分岔口？

    再说都江堰，该水利工程在四川都江堰市城西，是全世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。2200多年来，至今仍然连续使用，仍发挥巨大效益，都江堰渠首工程主要有鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶口进水口三大部分构成，科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题，消除了水患，使川西平原成为“水旱从人”的“天府之国”。目前灌溉面积已达40余县，1998年超过一千万亩。

      记得，“书虫”在讲解都江堰的工程背景时，专门介绍了当年秦穆公的政治谋略--“秦欲得蜀望楚，楚亡则天下并矣”，并着重剖析了：流体力学、测量学、项目管理、系统科学与道法自然的科学精神。

      其中讲到宝瓶口与飞沙堰时，“书虫”还特意在白板上勾勒了我们液压原理里的两大阀--节流阀与溢流阀：

      哇塞，2000多年前的李冰先生早已深谙液压之道！敬仰之至！

书虫劳谦

改变世界的工程师与发明

蒸汽机发明
动力革命

内燃机发明

运输革命

电气运用

能源革命

       16世纪肇始于意大利的科学革命（Scientific Revolution），最终由牛顿接过了伽利略的接力棒，在政治革新、社会经济及资源条件的共同作用催化下，引爆了英国工业革命（industrial Revolution），并在此后的一个多世纪传遍整个欧美大陆。这不仅体现在人类对新产品的发明与新能源的运用上，更是对科学思维模式以及先进生产组织、管理方式发明的一次集中展示。

书虫劳谦

      谢谢hsiruolf 的鼓励与关注！

      说起工业革命为何就发端肇始于英国，而不是在法国或德国呢？当“书虫”在课堂上提出这个问题时，底下的学员们便窃窃私语起来。
      后经各小组讨论总结，初步答案如下：
      1. 英国科技发展基础当时在欧洲是领先的，他们拥有牛顿。
      2. 新航路的开辟，使欧洲的商贸中心由地中海转移到了大西洋沿岸，英国地理位置好。
      3. 英国早年的圈地运动，羊毛产量高，故精纺羊毛业基础厚，有工业化革命的需求。
      4. 英国城市化改革早，当时自耕农已消失。
      。。。

       而“书虫”后来又补充说道：
       1. 从政治背景，查理一世的横征暴敛已激起了天怒人怨，最后自己上了断头台，政治上君权神授已阻碍了资本主义发展。
       2. 从资源角度，英国的煤炭资源极为丰富，但人工劳动力成本却很高。故急需机器化的动力革命。
       3. 从人力资源上，当时的工业启蒙在英国已得到充分的发育，英国已拥有庞大的技术工人与技师队伍，行会制被工厂制代
           替。
       4. 从技术配备上，当时格拉斯哥大学的仪器修理工---瓦特适时改良了纽可门蒸汽机（1769年）

书虫劳谦

       接楼上的话题，让我们来谈谈蒸汽机的改良过程，解析一下瓦特改良蒸汽机中的几个细节：

    1763年，格拉斯哥大学购买了一台旧的纽可门蒸汽机，让瓦特负责修好，以备学生做实验用。“机械熟练”的瓦特很快就完成了这台蒸汽机的修理工作，并实际进行了运转试验。

    在设备的合格验证过程中，他注意到这台号称“世界科技结晶”的发动机效率其实很低，发动机做完2～3个行程后就会停止“歇息”，很不尽人意。所以机器修好后，他“好奇心大发”，决心“折腾一番”改进这台纽可门蒸汽机。

    在这轮“探索”中，他首先研究了蒸汽机的动作方式。同时就这一“新课题”向布莱克教授请教比热和潜热理论，用玻璃瓶、竹筒等机器简陋的器具，做在各种压力下，使水沸腾时产生多少热量的实验；还就从固定容量的水中产生的蒸汽，在大气压下的容积问题，进行了多次实验，以研究蒸汽的密度，压力和温度之间的关系。

    他经过实验发现，蒸汽的容积约为水容积的1800倍，从中找到了纽可门蒸汽机耗煤量大的原因所在：原来蒸汽机能量的来源，并不是蒸汽机本身而是蒸汽中的热。纽可门蒸汽机的活塞每充打一次，汽缸里的蒸气须要靠冷却来凝聚，然后为了下一次冲击，须再把汽缸加热，结果浪费很多热量和时间。很显然，纽可门用蒸汽加热汽缸，再用水冷却，是不合理、不科学的。

    于是瓦特就设想出：蒸气可否通过一个阀门引进到一个单独的经常保持冷却的冷凝室（首次出现了缸外冷却的概念），同时使主要的汽缸依旧保持热度的办法（使气缸保持恒温工作，这样大大提高了热效率）。-----分离式冷凝器的原型。按照设计，冷凝器与汽缸之间有一个调节阀门相连，使他们既能连通又能分开。这样，既能把做工后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸内产生同样的真空，避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消耗。

        从1765-1768年，瓦特几度负债，在屡败屡战中终于成功研制出第一台分离式冷凝器，并申请了专利。

        此外，瓦特通过离心调速器的负反馈来控制进气阀门（节气阀），以保证蒸汽机的稳定，这次尝试是机械工业关于“自动控制”的最早尝试。
        

     一直到1781年，瓦特终于研究出了5种将往复运动转变成旋转运动的方法，其中最著名的“行星齿轮机构”，把在一条直线上前后移动的活塞连到一个轮子上，这样可以转动磨石，或开动棉纱厂的机器（加上惯性飞轮）。

     1782年，瓦特把阀门安装得使蒸气的压力既可用来使活塞既能向前，又能向后推动（有点像我们小时候农村家里灶前用的风箱--气缸的单向做功变成两头受气)。蒸汽机因而可以经过传动装置带动一切机器运转，从而为整个工业和交通运输业提供了一种可靠的“万能动力机”--1785年起开始应用于纺织机械。

         此外，约翰 威尔金森新发明的镗床为气缸体的加工立下汗马功劳，同时瓦特开始在锅炉上开始使用压力表（计量科学）

书虫劳谦

    在瓦特改良蒸汽机并启动工业革命的前夜，其实在欧洲已出现了较为普遍的工业启蒙运动，许多工程技术人员的脑海中已开始构建一种新的充满科学性的世界观，开始尝试用抽象分析与系统研究来获取知识，更经典的是开始用数学公式表达不同事物间的逻辑关系。科学开始成为一种社会建制，“研究—发明—生产力”新型的创新制度与体系开始创立。

    比如：发明泵式鼓风机的 约翰. 斯米顿（他还定义了“土木工程”这个词汇）, 曾首创过“单部件微调法”。

    一套复杂的机器中，若要改良某一部件的设计结构或运转速率的同时，其它零部件需保持原状。

   这个道理今天看来司空见惯，但在300多年前可是伟大的工业改良方法论。

    当然，这跟整个英国国民素养的提升是很有关系的。公元1500年，仅6%的英国人能写出自己的名字，而到1800年则上升到53%，并自觉开始运用算术、几何、记账等各类科学工具。

书虫劳谦

        雨后春笋般的技术发明与创造！