【思想与探索|武际可】谈谈工匠精神

风流知音(FLOWS:Physics & beyond)【思想与探索|武际可】谈谈工匠精神 CFDST(2018)1034

谈谈工匠精神

武际可

北京大学力学系，教授

当下，人们经常谈论工匠精神。一般人理解工匠精神是对工作认真负责和精益求精的态度。其实要从更宽广的意义上理解工匠精神需要从科学技术史的角度来认识。

在十七到十九世纪这二、三百年中，工匠精神曾经在人类史上放射出耀眼的光芒，成为推动人类历史向前一个方面的主力。

人们说，近代科学是古希腊的思辨哲学与文艺复兴之后欧洲学者的实验与观察精神相结合的产物；而近代技术则是近代科学与欧洲的工匠精神相结合的升华。

上面前半句话，一般比较熟悉科学发展史的都是容易理解的，而后半句话我们需要在这里多说几句。

首先，我们来看几位典型工匠的业绩。

值得提的第一位，应当是英国木匠的儿子自己也是木匠出身的工匠约翰·哈里森（John Harrison，1693—1776）。

1707年,英国的海军舰队中发生了一次惨祸,损失巨大,原因是船舶位置确定出了差错。1714年，英国国会悬赏二万英镑：谁要是能够找到在海中精确测定经度的方法，他就可以得到这笔奖金，条件是在到达西印度的6个星期的航行后，误差不得大于30英里。实际上，当时天文观测的仪器已经可以十分精确地测定天上星球的位置了，对于船舶所在地的纬度，可以直接由观测星球得到。对于所在地的经度，由于星球在天上随时间在均匀地移动只靠观测星球还不能确定，为了解决这个问题，许多著名的学者和天文学家都卷入其中。问题归结于能否制造一架精确的可以携带的钟，航行中把通过天文观测获得的当地的时间与出发地的时间做对比就可以得到准确的经度。这种钟称为天文钟。在此之前，虽然已经有了惠更斯发明的摆钟，那已经是惠更斯的力学知识与原理设计，与委托制作的匠人相结合的产物，但它还不能适应航行中的颠簸条件。约翰·哈里逊（John Harrison,1693－1776）于1735年创制的天文钟。经过航行试验，误差为3°。后来，经过反复改进，他的第四型天文钟于1761年，在到牙麦加的9个星期航行中，时间误差仅有5秒，这相当于测位置时的经度误差不超过2'。后来在1762到1764年的两次试航中都完全满足了悬赏的要求。但是议会只给了他一半的奖金。说是另一半要在船队有了关于精确度的新的证明之后才授予。哈里逊后来的岁月一直为此而烦恼，一直到1773年才迟迟得到另一半。哈里逊的先后4只航海用天文钟现在还陈列在伦敦的航海博物馆内。

哈里逊自己是木工，而且靠自学精通数学与钟表制做。在1713－1726年之间，他就制做了许多相当精确的钟表，这些钟表已经有补偿温度变化引起误差的功能。

从此钟表可以造得更轻巧，可以适应颠簸环境下工作和可以随身携带的怀表与手表的出现。紧跟着，产生了航海、教堂、家庭摆设、个人佩戴等广泛的市场需求。

钟表的发展和改进可以说揭开了现代技术的序幕，它的影响是深远的。由于对它大量需求，需要加工大量的钟表另配件，于是**产生了现代机床与现代金属加工技术。

另一方面，钟表的发展又为欧洲的现代技术发展培训了人才。蒸汽机的发明者英国人瓦特（1736－1819），纺织机的发明者英国人阿克赖特（1732－1792），蒸汽机为动力的轮船的发明者美国人富尔顿（1765－1815），蒸汽机车的发明者英国人斯梯文森（1781－1848）等，他们青少年时代都曾经当过修表学徒或制做匠，他们可以通过钟表学习机械传动和有关的力学知识，注意他们都是一批工匠，他们都没有读大学的经历，因为在他们那个时候大学的工科还没有产生，修表几乎是获得与工程有关的知识唯一最好的途径，或者需要向有关的力学专家请教，这就是科学与工匠的真正结合。

我国清代的经学大师阮元（1764－1849）曾经在他写的《自鸣钟说》一文中说：“西洋之制器也，其精者曰重学（即今翻译的力学），重学者以重轻为学术，凡奇器皆出乎此。”“而作重学以为用也，曰轮、曰螺。是以自鸣钟之理则重学也，其用则轮也螺也。”在19世纪初，阮元便看到力学对西方机械工业的重大作用，不能不说是超过常人见识的。所以可以说，现代钟表的出现是精确的力学科学知识与匠人精准的技艺相结合的产物。而钟表也是造成全世界普遍影响的第一种近代技术创新。

约翰·哈里森像

哈里森所制造的H1型航海钟

哈里森制造H4型航海钟

哈里森制造的H5型航海钟

第二位我们要介绍的匠人是瓦特（JamesWatt,1736－1819）。

瓦特像

蒸汽机不是瓦特的发明，瓦特的贡献是对蒸汽机进行了一系列改进。其中最重要的改进有两项，一项是发明了冷凝器大大提高了蒸汽机的效率，另一项是发明了离心调速器使蒸汽机速度可自由控制。在瓦特的改进之后蒸汽机才真正在工业上被普遍使用。

   英国人瓦特的父亲作过木匠，由于父亲的影响，他从小熟悉一些机械知识与工具的使用。瓦特幼年时体弱多病，不能上学，由他母亲教他读书写字。18岁后他到伦敦一家钟表店当学徒，在业余时间还努力学习。

1756年瓦特返回家乡苏格兰, 打算自己开业制造机器。但是由于他当学徒的年限不够，按照当地政府的规定，不能独立开业。于是他只好在格拉斯哥大学谋得一个修理与制做教学仪器的工作。

1763年，格拉斯哥大学的一位教授委托瓦特修理纽可曼蒸汽机的模型，瓦特当时对蒸汽机所知不多，他便边学边修，并且对蒸汽机产生了浓厚的兴趣。蒸汽机的模型很快就修好了，他从此与蒸汽机结下了不解之缘。他进一步的研究发现，纽可曼的蒸汽机效率很低，耗费蒸汽太多。为了解决这个问题，瓦特对不同气压之下的水的沸腾现象进行了大量研究。他发现水在大气压之下变为蒸汽时，体积扩大了1800倍。进一步的研究发现，纽可曼的蒸汽机效率之所以低是由于在用水去冷却汽缸时，汽缸的温度变冷了，这样汽缸又要消耗过多的蒸汽去再加热。

瓦特的蒸汽机

1765年5月瓦特提出了使蒸汽从汽缸排入另一容器的想法，这个容器后来被称为冷凝器。经过反复试验与改进，他的装有冷凝器的蒸汽机在1769年制成了，并在同年的4月25日提出了专利。新的蒸汽机效率提高了很多。

调速器示意图

瓦特的另一项重要发明是在蒸汽机上安装了离心调速器，这大约是1782年前后的事情。这种调速器的构造是利用蒸汽机带动一根竖直的轴转动，这根轴的顶端有两根铰接的等长细杆，细杆另一端各有一个金属球。当蒸汽机转动过快时，竖轴也转动加快，两个金属小球在离心力作用下，由于转动快而升高，这时通过与小球连接的连杆便将蒸汽阀门关小，从而蒸汽机的转速也便可以降低。反之，若蒸汽机的转速过慢，则竖轴转动慢了，小球的位置也便下降，这时连杆便将阀门开大，从而使蒸汽机转速加快。离心调速器是一个基于力学原理的发明，他是蒸汽机所以能普及应用的关键, 也是人类自动调节与自动控制的开始。由于人们能够自由地控制蒸汽机的速度，才使蒸汽机应用于纺织、火车、轮船、机械加工等行业，才使人类大量使用自然原动力成为可能，这才有产业革命的第二阶段。

离心调速器从18世纪一直到19世纪中叶都使用得很好。到了19世纪中叶以后，由于蒸汽机的速度提高了，就出现了调速器不稳定的情况。这个问题最早引起英国人麦克斯韦（James Clerk Maxwell, 1831－1879）在1868年曾经研究过这个问题,并得到了一个稳定性的条件；在1876年俄国人维式涅格拉德斯基（Иван Алексеевич Вышнеградский，1831－1895）又研究了这个问题，得到了以包含物理参数的不等式表示的稳定性条件。这些工作是关于运动稳定性的最早的研究。

瓦特的改进蒸汽机的普及速度是很快的，到1790年老式的纽可曼蒸汽机已经看不见了，到1790年大约有500台蒸汽机在英国工作。经过了大约不到100年，到了1868年，仅仅在英国就有75,000台蒸汽机之多。1805年，在美国蒸汽机被装上了汽车作为动力。1807年，美国的富尔顿（Robert Fulton,1765－1815）发明以蒸汽机为动力的轮船。1825年斯梯文森（George Stephenson, 1781－1848）造成了可以在轨道上行驶的蒸汽机车。1800年英国的特里维希克（Richard Trevithik,1771－1833）发明了高压蒸汽机。1801年美国人埃文思（Oliver Evens,1755?－1819）造出了真正合用的高压蒸汽机。

瓦特因为改进与提高蒸汽机效率的需要，研究了功率的单位。1783年，他对一匹健壮的马进行了实测，确定它在一秒钟内能将150磅的重物提高约不到4英尺。因此他把一马力规定为550英尺磅。他是最早引进功率概念的人，后人为了纪念他，将公制的功率单位称为瓦特（每秒钟一焦耳）。

应当说，瓦特改进蒸汽机的成功，除了他自己的勤奋之外，他幸运地遇到了热情赞助者也是重要条件。在格拉斯哥大学时，他结识了当时在大学当教授的布拉克（Joseph Black,1728－1799）。布拉克是一位很有名的化学家与物理学家，在物理学上，他从1764年开始对热现象进行了系统的研究。他最早发现了水在相变时，即当由冰化为水或由水化为汽时，要吸收大量的潜热，从而分清了温度与热量是两个不同的概念。瓦特从他那里不仅得到了学识上的帮助，他的热力学知识与力学知识为瓦特改进蒸汽机提供了理论基础，而且他借给瓦特一大笔钱，为瓦特的研究提供了经济支持。布拉克与瓦特的相遇正好又是一桩科学与匠人结合的典型，布拉克的热力学知识和瓦特的技艺相结合才诞生了现代意义上的蒸汽机。在瓦特的研究初具眉目时，瓦特又遇到了一位独具慧眼的商人波尔顿（MatthewBoulton,1789－1864）投资，1775年成立了波尔顿－瓦特公司专门生产蒸汽机，使得蒸汽机能够很快普及，这才有英国的后来影响世界产业革命。

第三位我们要介绍的是德国的工匠奥托（Nikolaus August Otto，1832-1891）。

奥托于1832年6月10日出生在德国霍兹豪森镇的一个工匠家庭里。他在襁褓时父亲就去世了。奥托读书时是一个出色的学生，但却在十六岁从中学辍学，一个时期时他在一个小镇上的一家杂货店工作，后来又成为一名推销员。从1861年到1864年，奥托陆续进行了多种内燃机制造技术的发明，并在德国以及其他一些国家和地区相继取得了发明专利。1872年，为了扩大内燃机的生产，奥托又在产业化的道路上迈进一步，继续与兰根合作，成立了德意志煤气内燃机股份有限公司，就任第一任经理。1877年8月4日，奥托取得了具有划时代意义的内燃机技术的专利权。同年，在法国巴黎举办的万国博览会上，奥托的四冲程循环内燃机获得了金奖。1891年1月26日于科隆去世。

奥托像

奥托发明出四冲程引擎还不到十五年的时间里，有两位发明家卡尔·本兹和戈特利布·戴姆勒各自都制造出实用而畅销的汽车，后来美国的福特也是利用内燃机制造汽车获得成功。从那时以来许多其它类型的引擎也用来驱动汽车。在过去一个世纪里制造出的数以亿万计的汽车中有百分之九十九是使用四冲程内燃机。柴油机使用的四冲程基本上与奥托冲程相似，但是输入燃料的间隔不同，它是一种有独到之处的内燃机，用来驱动许多卡车、公共汽车和轮船。一直到1939年喷气发动机问世前，所有的飞机都是用的内燃机。

提到内燃机的发明，也是经过了是百年的不断改进的历史。1670年，荷兰的物理学家、数学家和天文学家惠更斯发明了采用火药在气缸内燃烧膨胀推动活塞做功的机械，即“内燃机”。用火药作燃料的火药发动机是现代内燃机原理的萌芽。1801年，法国化学家菲利普.勒本，采用煤干馏得到的煤气和氢气作燃料，制成了将煤气和氢气与空气混合后点燃产生膨胀力推动活塞的发动机，这项发明被誉为内燃机发展史上开拓性的一步。1862年，法国电器工程师莱诺创制成功了二冲程卧式内燃机。1862年法国科学家德罗夏在卡诺（法国）热力学研究的基础上，提出了四冲程内燃机工作原理，最后德国发明家奥托在1876年设计制成了第一台四冲程内燃机，才得到很快的推广。这又是一段科学家和工匠连续传承相结合的历史。

最后我们需要介绍的是美国的两位工匠发明家莱特兄弟。

飞机的发明与发展是力学渐渐渗入技术的结果，是从盲目走向自觉的过程。19世纪末不少人都想制造飞机，当时滑翔机已有相当的进步，凡是致力于改进滑翔机的人，很自然的想法是在滑翔机上安装上动力。但是那时只有蒸汽机这种过重的发动机。

莱脱兄弟像

   于是有一些人从事研究内燃机，如德国的利林塔尔与皮尔彻在1896年与1899年，先后在滑翔机上安装上内燃机进行试验。不幸他们二人先后都因为事故而牺牲。同时美国也有人进行类似的试验，结果也以失败而告终。

美国在俄亥俄州开自行车修理店的莱特兄弟为德国的利林塔尔的牺牲精神所鼓舞，决心试制飞机。他们首先从制造滑翔机开始，从1899年开始，逐渐改进。1899年，他们写信给斯密森研究院索取有关航空资料，他们研究前人的经验，其中包括达·芬奇、乔治·凯利、兰利教授、马克辛（机枪的发明者）、查纽特、帕森斯、托马斯·爱迪生、利林塔尔、阿代尔、等等的事迹与经验。1901年莱特兄弟（哥哥 Wilbur Wright，1867－1912,弟弟OrvilleWright，1871－1948）为了实验和改进机翼，建造了风洞，他们研究与比较了200种以上的机翼形状。到1902年秋，已经积累了上千次滑翔经验，掌握了飞行的理论与技术。

莱特兄弟试飞

   最后，他们决心制造装有发动机与螺旋桨的飞机。经过艰苦的研究，终于制成了4缸8马力的内燃发动机，并且用枞木制造了螺旋桨。1903年12月17日在北卡罗来纳州的刺鬼山海岸（Kill Devil Hills beach），对他们制成的“飞行者”1号进行了试飞。经过4次试飞，最好的成绩是在空中飞行59秒，飞行距离259.7米的记录。那次试飞，他们发了50封邀请信，结果只来了5个人，报界对此反映冷淡。到1905年，美国著名的科学普及杂志《科学的美国人》说这次试验只不过是一个骗局。可是，就在这一年，莱特兄弟的第三个改型飞机在10月5日那天，一次飞行了38.6千米，在空中持续飞行38分又3秒钟。

之后莱特兄弟以及世界上不少国家与个人进行了改进试验。1904年进行了“飞行者”2号试飞，总共飞行了105次，最长飞行记录是飞行了5分钟，距离为4.4公理。后来他们对飞机的操纵性能做了改进，1906年6月，制成了“飞行者”3号。经过50次试飞，在10月5日达到了持续飞行38分3秒、飞行距离38.6公理的记录。经过各种姿态的飞行试验，说明这架飞机已经具备实用性。

莱特发明的飞机虽然已经达到了实用阶段，但是要得到社会的承认与支持还经过了一段艰苦的努力。

莱特兄弟首先向美国陆军谈判，希望获得支持，但是陆军反应冷淡，说是要等到他们造出除驾驶员外能携带一名人员的条件下能够平飞时，才会考虑定购。后来他们又同英国人谈判也未有任何进展。在1906、1907这两年中，他们没有试验，而是转而改进发动机与螺旋桨。到1907年春，他们又制造了一架新飞机，由莱特兄长带到欧洲，商谈申报专利与生产问题，也没有得到什么结果。整个世界对他们数年的成功试飞没有什么反应。

1907年12月23日，美国政府愿意提供25000美元的资金，招标制造一架能载两人、飞行速度每小时64.4公里、飞行距离125公里的飞机。为了说服美国官方，1908年2月莱特兄弟进行了一次飞行表演，美国战争部同意到场观看。同年3月莱特与战争部签订制造飞机的协议。

1908年8月莱特弟弟在法国、1908年9月莱特兄长在美国进行了飞行表演。都相继取得了成功，这些成功的表演新闻界广为报导，这才使他们成为全世界注目的英雄。

莱特给斯密森学院的信

20世纪产生的航空事业，可以说是力学科学的产儿。它自始至终是在力学研究成果的指导和哺育下发展和成长的。一般人以为，既然莱特兄弟是卖自行车的，所以他们只是凭借他们与自行车有关的机械学的知识制造飞机的。其实不然，他们的成功一直伴随着对力学，特别是空气动力学的深入钻研。以下略微说一说这方面的事实。

为了获得有关空气动力学方面的知识，莱特兄弟向许多人写信求助。下面是莱特兄长1899年6月14日写给纽约斯密森学院的信，信中说：

亲爱的先生：

我必须谢谢你6月2日的来信，在其中你亲切地附上了一张选出的涉及航空的书目的单子。我还想感谢寄来的斯密森报告中的# 903, 93[....], 1134 与 1135等小册子。附上一美元的现钞，是打算预付你们寄给我兰利的《空气动力学中的实验》的。

忠实于你的

Wilbur Wright

从这封信里可以看出，莱特兄弟是很好学的。前面说过，兰利在当时至少是处于实验空气动力学的前沿。他们向他索要兰利的有关著作，并且进行了十分认真的实验。

莱特兄弟的风洞

纳特像

除了莱特兄弟好学，向一切从前的和当时的人学习以外，还应当特别提到的是有一位著名的工程师直接指导莱特的力学知识。这就是法裔工程师恰纳特（Octave Hanute，1832－1910），他与莱特兄弟的通信有数百封之多，大量谈及空气动力学问题。他是一位著名的铁路工程师，主持设计过复杂的铁路桥梁，采用新的材料进行施工。他对飞行一直保持浓厚的业余兴趣，而且他关于飞行的力学知识在19世纪80年代一直处于前缘。他与莱特兄弟一直保持通信，指导他们，并且亲自去过莱特兄弟的试验场地。在1886年8月于布法勒（Buffalo）他在美国第一次组织召开了关于航空研究可能性的讨论会。这也就是美国科学促进协会（American Association for the Advancement of Science (AAAS)）的第一个系列会议。之后他与他知道的任何有志于航空研究的人通信。1889年在多伦多又召开了AAAS 的会议，会上他正式将航空计划作为一个工程问题。在1893年他趁芝加哥世界博览会之机，在芝加哥组织召开了一次国际航空会议。许多对航空有兴趣的著名人物出席了会议，其中有斯密森学院的秘书兰利、发明家爱迪生等。之后于1894年他出版了《飞行力学进展》，后来这本书成为这方面的一本经典著作。 所以美国人罗杰劳纽斯（Roger D. Launius）说：“莱特兄弟教会了世界飞行，但是是谁教会了莱特兄弟去飞行的呢？从最广泛的意义上说是一位出生于法国，在芝加哥长大的工程师――恰纳特。”所以我们又可以说，莱特兄飞行的成功，是近代空气动力学与工匠技艺相结合的成功。

我想，我们列举了上面四项重要发明：现代钟表、蒸汽机、内燃机和飞机，已经大致能够体味出科学和工匠精神结合产生对世界技术发展深刻影响的威力和引领世界现代技术潮流的风头，能够更具体地理解近代技术是近代科学与欧洲的工匠精神相结合的升华这一结论的深刻性了。这类例子我们可以还可以举许多，例如工匠毛兹利（Henry Maudslay，1771-1831）1797年制造出全金属、刀具可以滑动的车床。工匠纳斯密希(James Nasmyth 1808-1890)于1839年发明大型蒸汽锤。这种汽锤能够分级调节锤锻力。这些都是工业化早期的重要发明，后来还有轮船、火车、织布机、纺织机、缝纫机等等的重要发明，都是工匠的杰作。

最后，我想强调的是，工匠精神能够引领技术潮流，是有时代特点的。亦即在从17世纪末到20世纪初这段时期里出尽了风头。其原因是在于世界教育发展的特点。原来在18世纪末之前，世界上的大学教育并没有工科。工科教育是18世纪末从法国开始有并逐渐向世界其他国家普及的。那时大学的专业大致上分为哲学（一部分发展为后来的科学）、医学、法学和神学。大学哲学和医学培养出来的人，对于科学知识比较追求，而对技术却比较外行。因之，在已经积累了相当系统的科学知识，如何转化为技术，自然地落在一批对科学有追求兴趣的能工巧匠的肩上。我们所列举的这些发明家，一律没有受过大学教育的背景。美国的工科教育发展得很晚，直到十九世纪后半叶才有像样的工科教育，而且很不普及。所以像莱特兄弟那样的匠人，直到二十世纪初还是没有工科教育的背景。

进入二十世纪后，工科教育得到了普及，那些没有大学教育背景的匠人比起有工科教育背景的工程师对于近代技术来说，就相形见绌了。所以二十世纪后，谈到现代技术时总是和一串著名工程师的名字相连：如法国著名结构工程师埃菲尔（Gustave Eiffel ，1832-1923)、被誉为英国汽车三位杰出工程师之一的兰彻斯特（FrederickW. Lanchester，1868-1946）发明喷气发动机的弗朗克·惠特尔（Sir Frank  Whittle，1907-1996）、美国火箭与导弹的主要设计人布劳恩（Wernher vonBraun，1912-1977）、把加加林送上天的苏**工程师谢尔盖·科罗廖夫（1906-1066）、世界上第一台电子计算机制造者宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院的莫奇利（J. Mauchiy）和埃科特（P.Eckert）、世界第一颗原子弹总工程师罗伯特·奥本海默（J. Robert Oppenheimer，1904—1967）等等等等。虽然工匠精神在二十世纪不能说不起作用，但是毕竟当年领潮流的风采已经风光不再了。

工匠精神能够得到充分发扬，有一个重要的社会背景就是市场经济充分发育和专利制度的完善。工匠们生活在社会底层，比起在象牙之塔内的学者更容易感觉和认识市场的需求，而完善的专利制度，也使他们能够捍卫自己的利益。事实是有发明的工匠们都申报过专利，也大多有为捍卫自己利益而诉讼的历史。在市场经济的条件下，他们看起来是为自己的斤斤利益而奋斗，而客观上却为推动社会技术进步做出了杰出的贡献。

参考文献

[1]武际可，力学史，上海辞书出版社，2010

[2]武际可，漫谈技术，科学网

[3]Dava Sobel ，肖明波译， 经度——一个孤独的天才解决他所处时代最大难题的真实故事，上海人民出版社，2007

编辑：一溪清泉

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