前言

　　环顾四周，无论你坐在哪儿，你周围的东西都与工程学有关。比如你正坐着的普通办公椅，在它的制造过程中，工程学扮演了重要的角色。工程师设计和制造了椅子的面料、面料下面的泡沫、椅子的骨架、塑料扶手、使椅子可以上下移动前后倾斜的机械装置，还有座椅的底盘和转轮。

　　如果你坐在一间屋子里，墙上的油画是与工程学相关的，油画后面的墙板也是。墙板中的石膏也许来自某座电厂，工程师设计的脱硫塔在除去电厂烟囱中的硫时会将其转化为石膏，另一名工程师也许设计了利用这些石膏制造墙板的工厂。在房间中，你呼吸的空气经过空调中过滤器的净化，在恒温器的调节下保持适当的温度。空调中风扇的动力来自于电网，电网又与电厂相连，而这座电厂可能恰恰就生产了那些石膏。这一切都与工程学有关。

　　你周围也许会有大量的电子产品，它们都是由各行各业的工程师制造的。例如，放在桌子上的智能手机或平板电脑，挂在墙上的高清电视。这些电子产品的出现要归功于电子工程师、软件工程师、工业工程师和机械工程师。

　　走到户外，你会看见公路上挤满了汽车，可能头顶还有一架时速550英里（885千米）的客机飞过。路面之下有污水管、总水管、雨水沟、电视电话线和燃气管道。所有这一切，当然，也都与工程学有关。

　　还有无线电波。你根本看不到它，却有数千种不同的无线电信号环绕着你，这些信号的产生也离不开工程师。你所在地区的每一座广播电台、无线电台、电视台，此时此刻都正在以不同频率的无线电波在你周围传递着信息。移动电话会时刻与本地信号塔保持通信，智能手机通常有多个分立的无线电系统，用于接听电话、连接Wi-Fi和蓝牙。你可以通过无线电波连接到周围的Wi-Fi热点和蓝牙设备，就像平板电脑、笔记本和台式机使用Wi-Fi一样。我们的头顶上还有数以百计的卫星，传递着GPS信号、卫星电视信号、铱星电话信号和气象卫星信号等。此外还有更多的无线电系统：消防和警用系统、水表、温度和雨水传感器、开启车库门的远程控制设备和开启车门的密钥卡。每每想到这些你都会感到不可思议，这一切都离不开工程师。工程师把它们带入了我们的生活，还有一个防止这些无线电信号相互干扰的调控结构。

　　工程师是一群不可思议的人，他们使我们的世界变得现代化。在美国，大约有200万在职工程师。他们大部分的工作不会出现在公众的视野中，也没有吹嘘和炫耀。但如果没有他们，我们会回到石器时代。

　　我们将一起在工程学的世界中进行一场迷人的旅行。这次旅行有助于回答下面这个问题：工程学究竟是什么？兰登书屋出版的《韦氏词典》对工程学是这样定义的：“对像物理和化学这样的理论学科进行实际应用的艺术或科学，如制造发动机，建造桥梁、建筑物、矿井、船舶和化工厂。”

　　在《梅里埃姆—韦伯斯特大学词典》中有另一种定义：“利用自然界的物质属性和能源，做出有益于人类的自然科学和数学的应用。”

　　另一种了解工程学的方法是想一想你能够在工厂和大学中找到的所有与工程学有关的学科。例如，在北卡罗莱纳州州立大学这样的学校中，我们可以在工程学院中发现如下这些分支：

　　生物和农业工程（BAE）集成制造系统工程（IMSEI）

　　生物医学工程（BME）材料科学工程（MSE）

　　化学和分子生物工程（CBE）机械与航空工程（MAE）

　　土木、建筑和环境工程（CCEE）计算机科学（CSC）

　　电子电气工程（ECE）核能工程（NE）

　　工业和系统工程（ISE）运筹学（OR）

　　森林生物材料（FB）纺织工程、化学和科学（TECS）

　　除此之外还有一些特殊领域，比如，石油工程师要负责石油钻井和精炼，纳米工程师在纳米技术领域工作，等等。

　　读到这些定义和学科列表时，我们渐渐认识到工程师为社会所做的贡献。举个例子，设计桥梁的工程师需要学习数学和软件工具，进行最佳实践，还要学习设计桥梁的规则和如何建造安全可靠、持久耐用的桥梁。生活中随处可见他们的作品，旧金山的金门大桥和法国的米洛高架桥都被认为是工程学中的杰作。然而，工程师有时也会犯下严重的错误，比如说塔科马海峡大桥。工程师从这些错误中学到了宝贵的经验，将其编纂成书，并应用于之后的桥梁工程中。工程学是一种职业，工程技术在从业人员相互不断的交流和学习中得以进步。

　　在工程学中，有些东西十分简单，比如汽车的车轮轮毂就是一整块铸铝，用来承载汽车质量以及转弯、刹车时产生的力。一些东西可能很复杂，比如汽车本身，或是飞机，它们都由数千个部件组成。也有一些工程系统，如防抱死刹车系统或安全气囊系统，由连接在一起的不同部分组成，可以完成一项任务或解决某些问题。

　　更大的工程学系统会被看成是某种系统结构。计算机工程师经常使用“计算机系统结构”一词表示许多的部分以及这些部分间的相互关系。想一想阿波罗登月计划，数以百万计的人员和部件聚集在一起，形成了一个围绕登月计划的系统结构。与之相关联的部分有很多：土星五号火箭、指令舱和服务舱、登月舱、宇航服、月球车，以及其他的一切。任何一个部分出现差错都有可能导致整个计划失败，并将宇航员置于危险的境地，就像阿波罗13号上演的那样。电网也有类似的系统结构，包括发电厂、传输网络和配电网络。手机系统的这类结构则包括了信号塔、手机和一个用于建立手机和信号塔之间联系的复杂的信号协议。

　　工程师的另一项重要任务是用量产降低成本，以及减少不必要的材料、时间和工序。这方面的一个例子是我们身上所穿的衣服。在过去，衣服是靠手工一点一点做出来的。人们种植棉花、锄地、收获棉铃、从纤维中剔除种子，全部手工完成。在此之后，他们将棉铃洗净、染色、粗梳、纺丝、在手织机上织布，然后用针线将布料缝合成衣。这样制作的衣服非常昂贵，因为每道工序都意味着数百小时的手工劳作。如今几乎每一道工序都完成了机械化，并有种类繁多的合成纤维可用，这使衣物变得十分廉价。同样的事情发生在每一类产品上，因此我们现在随身携带拥有高清屏幕和高性能照相机的智能手机，还可以连接到互联网，数百万台服务器可以为我们遇到的几乎所有问题提供答案。没有工程师，这一切都不会发生。

　　工程师和科学家有何区别？科学家的任务是探究宇宙的原理，他们研究并回答自然界的基本问题。例如，当科学家发现曲面玻璃会弯折光线时，他们会使用数学方程来描述这一性质。这一科学发现导致了透镜的出现，科学家或发明家会将透镜组装在一起造出显微镜或望远镜这类光学仪器。但接下来，当人们想以低廉的成本制造100万台望远镜，或是重达几吨且可自由转动的巨型望远镜时，就轮到工程师出场了。

　　科学家发现在铁中加适量的碳可以制造出钢铁，工程师则用这些钢铁制造桥梁、大厦、汽车和巨型油轮。如果钢铁太重或太脆，工程师还有许多其他材料可以使用：铝、钛、碳纤维、凯夫拉纤维、塑料等。

　　你会经常听人说到“这个设计真棒”或“这真是一台设计优良的设备”。这样的例子数不胜数，如：黑鸟侦察机（SR-71）、艾瑞欧原子车或是帕特农神庙。但一些更加简单的设计也值得这样的称赞，比如汽车变速器中的换挡器，或仅仅是一个制作精良的控制旋钮。人们发出赞叹，因为他们看到了极为优雅的设计，或是印象深刻的循环性和简约性，令人窒息的精致，抑或是形态与功能的完美结合。我们可以在工程学中发现美，就像我们可以在艺术与自然中发现美一样。

　　工程师创造新的技术令我们生活得更好；他们降低了生产成本，因此更多的人可以享受成果；他们造出令我们震惊的建筑，使我们因身为人类而备感自豪；我们的现代化生活也依赖于他们所制造的东西。工程师推动了社会的进步。

　　这本书记录了工程学发展历史上的里程碑—―是工程学真正意义上的一次庆典。我们从人类最早制造的与工程学相关的物品开始，以时间为主线，在一个又一个成就中观赏工程学的发展（沿途还会看到一些重大的错误—―即使工程师也会犯错误）。

　　我会给每座里程碑标上一个日期。这里所说的日期，是概念产生的那天？第一个专利？或“第一次飞行”？还是第一次向大众普及？我会保留一个小小的回旋余地，在梳理时间线时为每座里程碑选择一个“最佳”的日期。

　　我们应该把这些工程学成就和某一个具体的人联系在一起吗？大多数情况下我会避免这样做，主要因为工程学离不开团队。以蒸汽机为例，我们可以把蒸汽机的出现归功于某个人吗？如果有，是第一个使蒸汽从壶中喷出的古希腊人吗？第一个制造出实用性蒸汽机的人吗？还是第一个安全使用高压蒸汽的人？事实是，传统的蒸汽机在长达一个世纪的时间里为社会的进步做出了巨大的贡献，数以千计的工程师为蒸汽机的出现贡献力量。我不想在他们之中挑出某一个人，许多人都为同一个工程做出贡献，因此他们之中没有人是特殊的—― 这是大多数工程学成就的共同点。

　　最后，你会发现这条时间线集中在20世纪。为什么呢？因为20世纪是工程学的奇迹时代。20世纪之前，飞机还没有出现，但在这100年中，飞机从和人步行速度相当的摇摇晃晃的木制飞行器，变成了时速数千英里、可超越音速的铝制喷气机。许多其他技术也经历了重大变革：汽车、航天器、空调、计算机、网络、摩天大楼、电视、核原料等。这些技术都在20世纪出现，并以不可思议的速度发展。大多数上面所列的工程学科直到20世纪才出现—― 它们是因为技术发展而产生的交叉学科。

　　在这本书中，读者可以读到250个了不起的工程学实例，并窥见工程学中的艺术，从而对工程师为我们所做的一切心怀感激。让我们开始步入工程学的非凡世界吧。 工程学之书