《轉動世界的小發明》:十六世紀時,螺絲的唯一毛病是它們比鐵釘貴太多了

《轉動世界的小發明》:十六世紀時,螺絲的唯一毛病是它們比鐵釘貴太多了
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我們想讓你知道的是

美國總統傑佛遜的奴隸就曾在其宅邸蒙提切羅以此法製造鐵釘。整個過程費時不到一分鐘,尤其是經驗老到的「釘匠」,做來更是不費吹灰之力。在那時,製造一枚螺絲卻複雜得多。

文:黎辛斯基(Witold Rybczynski)

在尋找有史以來第一把螺絲起子的同時,我也培養出對螺絲的興趣。當阿古利可拉就製作風箱的方式比較螺絲與鐵釘時,他表示:「毫無疑問地,它(螺絲)的優點遠大於它(鐵釘)。」 事實上,熟鐵釘是個相當了不起的固定物,它和現代鋼釘的外形幾乎迥然不同。現代釘子圓而尖銳,是塞入木材纖維中的,這樣的釘子在打入軟木(雲杉木、松木和樅木)時還算有效,但通常會使硬木(槭木、樺木和橡木)裂開;其次,即使是軟木,它能抓住一根圓釘子的力量仍然很弱,因為釘子只是被兩側纖維的壓力夾在定位。

而在另一方面,熟鐵釘的截面是正方形或長方形,有著手工銼出的鑿子頭;當鑿子頭逆紋打入木料中時,是直接切進木材纖維而不是硬塞進去,就跟鐵軌上的道釘一樣。這樣的釘子就算是打入最硬的木材也不會讓木材裂開,而且它們幾乎是進得去、出不來,這一點是我把一根熟鐵船釘的複製品釘入木板時得到的發現。

然而,熟鐵釘也並非無所不能,如果把它們打入一片薄薄的木頭(如一扇門),其固定力便會大幅減弱,而且凸出的釘尖必須敲彎才能保持穩固。最有效、也最容易製造的熟鐵釘,是當其尺寸相當大的時候(至少二至五公分長)。在諸如將皮革固定於風箱板上,或將火繩連結至槍托上等一些小規模的應用中,最早的螺絲之所以會取代釘子,正是這個緣故。即使是一根短小的螺絲,固定力也非常大。和釘子或長釘不同的是,螺絲並不是靠摩擦力來固定,而是靠一種機械上的束縛:尖銳螺紋和木材纖維彼此之間的相互穿入。這種束縛的力道之強,使得若要移除一根拴入得當的螺絲,唯一的方法是破壞周圍的木材。

十六世紀時,螺絲的唯一毛病是它們比鐵釘貴太多了。當時的鐵匠能相當迅速地生產鐵釘,一根紅熱的鍛鐵條在手,削方、牽引、將鐵條推拔至一尖端,再將重新加熱的鐵釘推入鍛頭工具,然後用一把沉重的鐵鎚將釘頭敲打成形。此程序是古羅馬人發明的,直到十九世紀,仍然還沒被淘汰;美國總統傑佛遜的奴隸就曾在其宅邸蒙提切羅以此法製造鐵釘。整個過程費時不到一分鐘,尤其是經驗老到的「釘匠」,做來更是不費吹灰之力。在那時,製造一枚螺絲卻複雜得多,胚料鍛鍊、拔尖和敲頭的過程和釘子相差無幾,但釘子是做成方形,螺絲卻是做成圓形;然後用弓鋸在螺絲頭上把槽切開,最後再以手工的方式辛苦地將螺紋銼出來。

槍砲匠自己製作他們所需要的螺絲,就和甲冑工匠製造自己的螺栓和翼形螺帽一樣。那麼鐘錶匠呢?樓鐘在歐洲出現的時間,可上溯至十四世紀。在我們所知甚詳的樓鐘裡,最古老的為義大利人德丹第所製。這是一座極端複雜的天文鐘,鐘身有七面,顯示七個古代行星的位置:太陽、月亮、水星、金星、火星、木星和土星;除此之外,一只旋轉刻度盤指示著宗教的節日,另外一個則顯示一天的日光時數。德丹第以手工製造所有的青銅、黃銅和紅銅零件,他前後花了十六年的時間,才在一三六二年完成這座鐘。儘管原物在十六世紀時毀於一場大火,它的發明者卻留下詳細的製作程序,於是,兩件成功運轉的複製品於一九六二年在倫敦完成。

其中之一目前屬於美國國家歷史博物館,而我在蒙特婁的一項臨時展覽中趕上了親眼目睹它的機會。這座精緻的七面樓鐘約一公尺高,大齒輪以懸吊式重錘驅動。我仔細觀察它的機動結構,就我肉眼所見,是以榫與榫眼完成這件事,是從木工中改良一個小細節而完成,凸出的榫上有供楔形金屬塊打入的槽孔;這些楔形金屬塊的大小由微如針狀至三公分長不等。鐘上想必有上百個這樣的附件,但我連一根螺絲也沒看到。

根據《布瑞登氏古董鐘錶及其製造者》這本出版於一八九九年的鐘錶史權威作品記載,「一五五○年之前的鐘,完全不知道螺絲的存在。」 螺絲之所以會被引進,是由於較小而輕的家用鐘、特別是錶的需求之故。根據此書,「即使是最早期的錶,通常至少也有一根螺絲。這些螺絲有著圓頂的螺絲頭,頭上的槽呈V字型,螺紋粗糙而不規則。」到了十六世紀中葉之前,螺絲的應用已囊括錶內的小型螺絲和螺栓、槍砲的大型螺絲,以及盔甲中的重型螺栓。

然而,一直要再過兩百年之後,市場的需求才成長到足夠支持螺絲工業發展的地步。《百科全書》中提到,鄰近法國里昂的佛瑞地區長於製造螺絲,長度自一公分至十公分或十三公分不等。這些螺絲仍然十分昂貴,以至於它們是論「個」出售的。據《百科全書》表示,這些螺絲頭分有槽和正方形兩類。

在英國,螺絲的製造集中於英格蘭中部,組織方式類似家庭工業。當地的鐵匠大量製造帶頭的鍛鋼胚料,然後送至所謂的螺絲塑形人家中;螺絲塑形人和其家人以及一、兩位助手就在家裡工作。第一個步驟是用弓鋸在螺絲頭頂開槽,也就是刻痕,這還算是簡單的。接下來,螺紋(也就是蝸桿)得用手工的方式銼出來。有的螺絲塑形人使用心軸(一種原始粗糙的車床),一手搖動曲柄,另一手來來回回地操縱沉重的刀具。不論方法為何,這是一項緩慢而辛苦的工作,而由於蝸桿是用肉眼切出來的,所以螺絲上的螺紋自是既有瑕疵、又過於粗淺。

根據一位曾在當時目睹螺絲塑形人工作的觀察者所言:「這些過程昂貴和乏味的特性,使螺絲不可能具備與鐵釘競爭的能力,銷售量也因而十分有限。其品質也非常差,要用這樣的方法來生產切削得宜的螺紋,根本是件不可能的事。」

馬克森和《百科全書》都提到,鎖匠用螺絲將鎖固定於門上。我也碰到一些記載,描述十八世紀木匠使用螺絲來鎖上鉸鏈,特別是樣式稀奇的丁字鉸鏈。丁字鉸鏈外型類似一個├,其垂直的部分固定於門框側柱上,水平的部分則固定在門上。在當時,用於輕型碗櫥門和窗板的丁字鉸鏈是用螺絲而非鐵釘固定在門框上。另一方面,笨重的門則掛在傳統的帶條鉸鏈上;帶條鉸鏈延伸至整個門寬,釘入鐵釘後再將釘尖敲彎固定住。

現在仍有人使用帶條鉸鏈和丁字鉸鏈,但現代最普遍的門鉸鏈顯然非對接鉸鏈莫屬;對接鉸鏈並非安裝在表面上,而是銜入大門最厚的一端。對接鉸鏈外型美觀宜人,因為當門關上時,幾乎完全看不到鉸鏈的存在。它們在法國的使用最早可追溯至十六世紀(拉梅利有圖示),但屬於奢侈品,以手工方式用黃銅或鋼鐵製作。一七七五年間,兩個英國人就量產鑄鐵對接鉸鏈的設計取得了專利。

比帶條鉸鏈便宜的鑄鐵對接鉸鏈有一個缺點:它們不能用釘子釘住,隨著門重複開關,釘子會自行鬆脫,而由於釘子在大門最厚的一端,所以無法將釘尖敲彎,因此對接鉸鏈必須用螺絲拴上。

無巧不巧地,在對接鉸鏈普及化的同時,一種品質良好而價錢合理的螺絲製造技巧正在日漸精進。數年前,來自英格蘭中部斯塔福郡的懷俄特兄弟,決定著手改進螺絲的製造方式。一七六○年間,他們取得了「一種到目前為止,切削鐵螺絲(俗稱木螺釘)的最佳方式」 之專利。

他們的方法涉及三階段不同的作業,首先,當經鍛造的熟鐵胚料固定於旋轉的心軸上時,以銼刀將埋頭修整成形。其次,在停止心軸轉動之後,以一迴轉式鋸條在螺絲頭上開槽。最後,將胚料置於另一架心軸上,為其切削螺紋;這也是整個過程中最具創意的部分。他們捨棄了以人手來引導刀具,而改將刀具連接至一沿循導螺桿螺紋的槽針上;換句話說,這是個自動化的作業。這麼一來,螺絲塑形人可以在六或七「秒」鐘之內,製造出一枚螺絲,不用花上數分鐘的時間,而且產品的品質也好得多。

為了將伯明罕北方一座廢棄不用的水力玉米磨坊變成全世界第一家螺絲工廠,懷俄特兄弟花了十六年的時間籌措資金。然後不知為了什麼緣故,他們的公司倒閉了,也許這對兄弟不會做生意,又或許只是時機尚未成熟。數年後,該工廠的新業主利用對接鉸鏈的普及而為螺絲製造出來的新需求,將螺絲製造轉變成一則非凡的成功故事。他們的三十名員工每天可生產一萬六千枚螺絲。

機器製造的螺絲不僅生產快速,螺絲的品質更是好得多,既好又便宜。一八○○年,英國的螺絲售價一打還不到兩便士,到後來,螺絲工廠的水力為蒸汽動力所取代,一連串的改善措施更進一步改良了製造過程,在接下來的五十年裡,螺絲售價幾乎折半;再過了二十年,價錢又減了一半。便宜的螺絲找到了現成的市場。

事實證明,它們不僅適用於固定對接鉸鏈,只要是有牢牢固定薄木板的需要,就造船、家具製作、櫥櫃木工和車身設計製造等各項應用而言,螺絲的用處都相當大。需求增加之後,生產量也跟著暴漲;英國的螺絲工廠原本在一八○○年的年生產總額還不到十萬根螺絲,六年後的生產總額卻幾乎達到七百萬。

仔細觀察一根現代的螺絲,它真是一個了不起的小東西,尖銳如針的螺旋尖端是螺紋的起點,該點平緩地逐漸變粗,推入核心為圓柱狀的螺絲本體。在螺絲頭附近,其核心演變成平滑的頸幹,而螺紋則逐漸消失,以至全無蹤影。逐漸消失是個相當重要的步驟,因為螺紋的驟然終結可能減低螺絲的強度。

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。

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。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。

書籍介紹

本文摘錄自《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事(增訂中文版獨家收錄〈機械發明天才小史〉)》,貓頭鷹出版

作者:黎辛斯基(Witold Rybczynski)
譯者:吳光亞

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最偉大的小工具,缺了它,什麼都轉不動!

你知道天文學家看向天體的望遠鏡、航海探險家冒險新航程所需的六分儀、毛滋禮打造出50年無人能開啟的銀行保險箱、古騰堡的活字印刷機,這些或大或小的成就與發明,都有一個共同的核心嗎?那就是「螺絲釘」。

本書是微物史大師黎辛斯基神來之作!破天荒用推理小說筆法,推敲出螺絲釘與螺絲起子的起源,並將手工具的演變與影響娓娓道來。

一個邀約成就一本奇書
故事要從20世紀末說起,為了迎接千禧年,各大媒體紛紛推出慶祝活動,紐約時報雜誌部設計了「千年之最」專題,向各界專家、學者邀稿。由於黎辛斯基剛剛完成「純手工建造一棟房子」給自己和家人居住,所以獲邀書寫「千年來最佳手工具」這個題目。沒想到,就此展開一場奇旅,探究被忽視卻影響人類文明發展的領域,同時完成了一本奇妙的小書。

人體的延伸,文明的助力
手工具可說是人體真正的延伸,演化歷程經過反覆嘗試、淬煉。有的一誕生就幾乎沒改變過,有的必須成對運用。可以研究探討的對象似乎很多,直到太太說道:「我的抽屜隨時都擺一支螺絲起子。」這才確立了寫作主題。推理小說般的書寫歷程於焉展開……

「尤利卡!尤利卡!」(我找到了!)
為了追尋螺絲起子的起源,作者遍覽各國工具書,如大英百科全書、牛津大字典、法國全世界第一套百科全書(35大卷)等,到處參觀乏人問津的古文物展覽,造訪偏鄉宛如吸血鬼城堡的冷門博物館。終於在十五世紀的德國騎士城堡63張羊皮手稿看到腳鐐手銬用上了螺絲釘!十六世紀的手搖磨麵機也有,古希臘、古羅馬都有蛛絲馬跡。時間還可以往前推嗎?作者努力不懈地繼續追下去,終於追至西元前二世紀,終於找到答案,也推敲出影響人類文明發展的小小螺絲釘是誰發明的。

發明乃科學之詩,唯有詩人方能創作
作者將深藏於浩瀚書海或嚴封在冰冷展示櫃中的機械發明故事,用流暢、優美又幽默的筆法,娓娓道來。除了推理出螺絲釘這小小工具的源起、變化與影響,更重要的,他還寫下鮮為世人關注的機械發明天才的生命故事。雖然機械天才往往不似藝術天才受到大家的重視,但他們擁有的才能絲毫不遜色,創造過程同樣充滿熱血與對精準度的執著。誠如蒸汽機先鋒巴塔耶曾感嘆:「發明不正是科學之詩嗎?所有偉大的發現,都帶有不可磨滅的詩思記號。只有成為詩人之後,才能創造。」

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Photo Credit: 貓頭鷹出版

責任編輯:潘柏翰
核稿編輯:翁世航


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