Vol.43 機械錶(六) - 可互換零件－Adagio 華順文化

ADAGIO 華順文化微雜誌第四十三期

機械錶 (六) – 可互換零件

I.前言

瑞士錶產業曾經兩度面臨國際競爭者挑戰，第一次是1880年代美國的『可互換零件(Interchangeable parts)』制度，第二次是1970年代的日本石英電子錶。兩次都把瑞士錶廠徹底摧毀，但是瑞士錶商沒有因此喪志，他們虛心向對手學習，從破產廢墟中重整並重新出發。『可互換零件』制度是第二次工業革命的重要成就，最早由法國率先提出，但是相關技術挑戰很大很大，最終由美國完成，因此也稱『美國製造系統(American system of manufacturing)』，美國因為發展出這套系統，從此確認其製造業霸權地位。

十六世紀，藝術家既是槍匠(Gunsmith)、鐘錶匠(Watchmaker)、鎖匠(Locksmith)也是珠寶匠(Jeweler)，他們的共同點都是精於金屬加工。槍匠(Gunsmith)負責修理、改裝、設計或製造槍支等專業工作，該職業與軍械師(Armorer)略有不同，軍械師通常只負責更換標準槍枝中的磨損部件。槍匠對槍枝進行修改或打造，需要非常高水平的工藝，同時也需具備頂級機械及木工技能。某些頂級的槍匠還可以在槍枝上進行裝飾性雕刻。為了從事這行業，槍匠甚至於必須具備數學、彈道學、化學和材料方面的知識，熟悉各種機械工具和測量設備的使用和應用。

德國賓士汽車創始人之一的戴姆勒(Gottlieb Wilhelm Daimler)，中學畢業後在製槍工匠萊瑟爾(Hermann Raithel)的工坊裡學習製槍工藝，這是父母為戴姆勒在家鄉爭取到的第一份工作，1852年戴姆勒成為合格製槍師傅，並完成了一把雕刻了細緻紋路的雙管手槍。同年，18歲的戴姆勒決定從事機械製造，他放棄了槍械製造，並離開了家鄉，進入兩年制的斯圖嘉工業技術學院就讀，並於1853年進入Rollé und Schwilque公司擔任助理工程師，三年後Rollé und Schwilque公司開始生產蒸汽火車頭，22歲的戴姆勒因為表現出色成了生產線主管。戴姆勒因工作緣故，有了學習蒸汽機與內燃機原理的機會，在瞭解內燃機的潛力後，深信蒸汽機終將被內燃機所取代，用於輕工業的小型、廉價、簡單的內燃機是當下德意志地區最熱門、也是最先進科技。

Fig.1 槍匠 (1613年)

十八世紀以前，長短槍械都是由槍匠(Gunsmith)以獨特的方式一次製造一把。如果槍枝部件需要更換，則整個槍枝要麼送到專業槍械製造商處進行定制維修，要麼被丟棄並更換一把新槍。這時期的作戰士兵一旦發生槍械故障，只能等待同袍陣亡或受傷後騰出槍枝來，或將手上故障槍枝隻上刺刀，進行近距搏鬥。槍是如此，鐘錶也是如此，鐘錶壞了，只能送回原製錶師那裡重新量身打造新零件。

Fig.2 燧發槍機構 (Flintlock mechanism)

天然燧石用力敲擊會產生火花，據信在1610 ~ 1615年間，法國槍匠、鎖匠和鐘錶匠Marin le Bourgeoys發明了燧發槍(Flintlock)，該設計在擊錘的鉗口上夾一塊燧石，傳火孔邊設有一擊砧，射擊時，扣下扳機後，在彈簧的作用下，燧石會用力打在火門邊上的曲柄(Frizzen)，曲柄冒出火星引燃火藥室內的火藥發生爆炸，爆炸產生高壓二氧化碳，將槍管內的小鋼球擊發出去，燧石點火的概念類似打火機。與其前身的火繩槍相比，燧發槍大大簡化了射擊流程，提高了發火率和射擊精度，使用上更方便，而且成本也較低，有利於大量製造。17世紀中葉，很多歐洲軍隊普遍裝備燧發槍，一直到1848年，足足裝備了200多年。燧發槍雖然好用，但是零件卻是槍匠一把一把打造，每把槍的零件尺寸不一，不能互換，維護成本相當高。

1765 年法國皇帝下令由Jean-Baptiste Vaquette de Gribeauval將軍負責推動槍械及大砲『可互換零件』的系統改革。1785年美國傑佛遜(Thomas Jefferson)擔任駐法大使時，對於法國皇家陸軍推動的武器改革計畫相當驚艷，然而不幸，1789年巴黎爆發法國大革命，皇帝被送上斷頭臺，改革隨後不了了之，擔心受迫害的貴族軍官逃到美國，並將『可互換零件』的觀念帶進美國陸軍。法軍推動『可互換零件』系統希望看到的成果是，製造一批數量相當的槍枝至少20把以上，然後任意將這20把槍枝的零件互換，槍枝必須能正常操作。三、四百年來，歐洲的槍枝都是槍匠一把一把，藉由手工打造，就像製作藝術品一樣，每件尺寸都不盡相同。要達到『可互換零件』要求，勢必得透過機器設備輔助生產，如此零件彼此間的公差才能縮小，然而這會讓很多槍匠失去工作機會，因此法國槍匠對於改革計畫普遍表現出抵抗與消極。

美國是個由清教徒所建立的新國家，包袱少，加上手藝者在歐洲本來就是清教徒的比例高過天主教徒，因此『可互換零件』系統傳進美國後，馬上在獲得推動。之後許多創新和改進的設備紛紛出爐，例如滑座車床(Slide rest lathe)、螺紋車床(Screw-cutting lathe)、六角車床(Turret lathe)、銑床(Milling machine)和金屬刨床(Metal planer)，1850年，這些精密金屬工具機一一被製造出來。此外，用於將工件固定的裝置及用於檢查加工成品精度的量塊(blocks)和量規(gauges)也被創造出來。

Fig.3 Elisha Root為Colt槍械公司開發的銑床(1850)

美國第一任總統華盛頓(George Washington)，1777年在馬薩諸塞州的春田市(Springfield)，這個古老清教徒集結地進行勘察。當時華盛頓正在尋找一處遠離英國皇家海軍的地方來儲存美國軍隊的武器。春田市位於康乃迪克河的Enfield Falls瀑布以北，英國軍艦無法溯河抵達這裡，因此成了儲存美國武器的最佳地點。因為政府堆動『可互換零件』系統的相關製造，因此從康乃迪克河(Connecticut River)下游的哈特福市(Hartford)到春田市(Springfield)，這段河谷陸續成立了許多美國日後非常知名的槍械工廠，精密工具機製造廠及精密零件加工廠，因此該地區也被暱稱為『槍谷(Gun valley)』，得利於槍枝製造的邊際效應外溢，該地區很容易取各種精密零件，因此在康乃迪克河(Connecticut River)左岸，也形成了鐘錶聚落。從波士頓到紐約車程約348公里，相當於高雄到板橋距離，一百多前這個跟臺灣面積大小差不多的區域便成了世界最先進的精密製造中心，日後把瑞士錶廠全部打趴。從1850 ~ 1910年一戰爆發前的六十年間，美國生產的優質工具機以創新之姿，銷往歐洲及亞洲的日本，同時也將『美國製造系統(American system of manufacturing)』的觀念帶往全世界。

Fig.4 藍色的是槍械製造聚落，紅色是鐘錶製造聚落

然而，歷史機運給了瑞士錶廠喘息空間，1930年代的美國經濟大蕭條讓不少美國人失業，美國高度規模化生產導致鐘錶產能過剩，大眾化的鐘錶找不到消費者，但是針對上層客戶的精品不是美國錶廠的強項，美國不少錶廠因為失去這個全世界最大市場而倒閉。反觀，原本苦苦掙扎的瑞士中小規模錶廠反而生存下來，在1920 ~ 1930年代，瑞士發明防水與自動上鍊技術來提升手錶的技術含量，並以多樣化設計加諸文化宣傳的新奇感，爭取經濟能力上層的消費者青睞，勉強安然度過經濟大蕭條，1939年歐戰爆發，瑞士因為中立立場沒有捲入戰爭，在其他國家錶廠都被政府徵召從事軍需生產之際，瑞士錶廠低調奪回全球市佔。

戰爭期間美國鐘錶廠紛紛生產當時大量需求的軍用錶、軍用儀錶、航海鐘、航空設備、引信、保險絲等其他與手錶毫不相干的軍需產品。即使二戰結束後，美國錶廠也沒有馬上完全回歸民用，因為緊接著到來的就是冷戰和美國捲入的一系列的地區戰爭，美國鐘錶行業其實也回不去了。美國『可互換零件』系統的成功是人類跌跌撞撞好幾百年才辦到的，回顧這條路徑，蒸汽機的發明是起點，電動馬達的發明是中繼，精密工具的問世才是終點。這些故事很精彩，我們打算分幾集，詳細從蒸汽機的發明一路介紹到精密工具機的問世。

II.工業革命

在資本主義社會，科技進步始終來自市場需求，有才華的工程師為了追求財富，與管理資金的金融家合作，冒險進行新技術嘗試，有成功並名留青史的案例，但更多的是失敗而且被遺忘。鐵(iron)的硬度比銅高，更適合作為刀具武器，而且鐵比同體積的銅來得輕，因此距今三千多年前鐵迅速取代銅，人類從此進入鐵器時代。

人類早期的煉鐵方法是採用『塊煉鐵』工法，即在較低的冶煉溫度下，將鐵礦砂從固態還原成有很多孔隙的海綿鐵(Sponge iron)，見Fig.5，再經鍛打將海綿鐵的體積縮小、密度提高，最終變成鐵塊。海綿鐵雜質多，含碳量低，只能鍛打，不能鑄。經加熱鍛打擠出雜質後，可改善其機械特性，因而可被製成鐵鍋、鐵桶甚至於大砲，這樣的方法稱為塊鍊鐵鍛件。此外，在反覆加熱過程中，塊鍊鐵同炭火接觸，因此化學元素碳得以滲入鐵塊而且使材料變硬，這種含碳的硬鐵稱之為鋼(Steel)。人類知道鋼的時間很早，早期日本武士刀就是這種透過把鐵鍛打成鋼的方法所製造。這種打鐵舖通常以家庭手工方式經營，見Fig.6。後來才進步到比較類似現代工廠規模的高爐鍊鐵法(Blast furnace)，見Fig.7。從人力成本觀點來思考，高爐鍊鐵工法人力成本約末只有傳統工法的七分之一。西元1491年高爐煉鐵法從比利時傳進了英國。

Fig.5 中世紀傳統『塊煉鐵』工法

Fig.6 海綿鐵與鍛鐵(打鐵)

Fig.7 高爐煉鐵法

人類有很長一段時間，生火煮飯或取暖都是仰賴木頭或木炭，不僅如此，木炭也是煉鐵不可或缺的燃料，而且煉鐵過程加入少量的木炭可以增加鐵的硬度，成為鋼。隨著鐵器冶煉技術的進步，作為煉鐵的高爐一座接一座地蓋，冶煉一噸的鋼鐵需要十萬英畝的森林，因為煉鐵業的迅速發展，導致歐洲各地森林面積快速減少，不僅如此，這時期的戰爭大量使用鋼鐵製作槍砲，更加速人類社會對鋼鐵的消費依賴。到了英國伊莉莎白時代，政府不得不出面限制煉鐵高爐數目，因為木材與木炭價格上漲，導致煉鐵業步入蕭條，1720年英國只剩六十座煉鐵高爐廠，1750年英國超過80%的鐵來自森林資源豐富的瑞典。

煤(Coal)是古代樹木傾倒後埋入地底，經過長時間高壓及高溫度條件下所形成的物質，算是植物的化石，因此煤主要成分與木炭相同，都是化學元素碳。但是相比於木炭，煤因為含有泥土較不容易燃燒，需要對爐子大量吹入空氣才能幫助煤燒得完全。此外，煤因為長期埋在地底，混有其他元素雜質例如硫和磷，這導致使用煤替代木炭混入煉鐵爐時，不但生鐵硬度沒有提高反而下降。1709年，英國人Abraham Darby把煤礦透過加熱蒸餾去除雜質後，變成焦煤(Coke)，焦煤含高純度的化學元素碳，不但可以作為燃料，亦可成為煉鐵製程的添加劑。

Fig.8 水車與鼓風爐

當時，樹木生長速度著實趕不上砍伐速度，英國因森林面積大減而導致木炭價格飛漲，聰明商人開始把腦筋動到蘊藏豐富的煤礦頭上。煉鐵商在河道旁建起一座又一座的高爐，利用水力推動風箱，把更多空氣打進爐內，提高焦煤燃燒效率，同時使用焦煤取代木炭成為鐵砂添加劑。因為焦煤的使用，使得英國鋼鐵產量大增而且成本降低，不到50年時間，英國從大量進口鋼鐵國家，搖身一變成為鋼鐵出口全世界排名第一的國家。英國鋼鐵產量增加及價格下降，使得鋼鐵已經豐富到足以用於一般建設，例如橋樑、馬車、船舶到房屋，廉價的鋼鐵全面取代已經枯竭的木材，建立在煤與鐵的『工業時代』正式來臨。

這時期的高爐煉鐵工廠主要設立於河道旁，為的是仰賴水力推動風箱，然而一旦河道進入枯水期，工廠就得被迫停工，另外，採煤的礦場因為礦脈位於地底下，而且經常與地下水源疊層交織，所以採礦同時必須先抽乾坑道內的地下水，作業才能繼續。因此無論是高爐煉鐵工廠亦或是煤礦場都迫切需要一款可以提供24小時動力的機器抽水機。英國第一批企業家因為使用焦煤煉鐵賺到錢，開採煤礦的企業家也賺到錢，接下來即將登場的第二批企業家，他們即將因為製造蒸汽機，也賺到錢。

III.蒸汽機

蒸汽機也稱為『外燃機』。17世紀後期，機械的相關技術與知識不斷進步，煤和金屬礦的需求量逐年增加，依靠人力和畜力已不可能進一步提高產量。當時英國的紡織、磨粉等產業多半將工廠設在河邊，以便利用水輪來驅動機械運轉。18世紀初出現了紐科門型蒸汽抽水機(Newcomen engine)，用以驅動礦井的排水泵，將坑道的地下水抽出。但這種蒸汽機的燃料消耗巨大，所以只適用於煤礦場附近。

Fig.9 ~ Fig.11是紐科門蒸汽抽水機(Newcomen engine)的工作原理，說明如下：在Fig.9中，利用煤炭燒火加熱鍋爐內的水，水沸騰後變成蒸汽，S1閥門關閉，S2閥門打開，S3閥門關閉。鍋爐(A)內的水蒸汽進入活塞室(B)，活塞室內因為水蒸汽的進入，氣壓變大，因而壓迫活塞(D)往上運動，然後透過連動槓桿機構的設計巧思，把空的汲水桶(F)放入礦井中。

Fig.9 紐科門蒸汽動力抽水機，蒸汽加壓

在Fig.10中，S1閥門打開，S2閥門關閉，S3閥門打開。冷卻水(C)對活塞室進行噴水，活塞室內的蒸汽逐漸冷凝成水霧狀並從S3閥門排出，氣壓降低，活塞下降，並且把裝滿水的汲水桶往上升。

Fig.10 紐科門蒸汽動力抽水機，冷凝

在Fig.11中，S1閥門打開，S2閥門關閉，S3閥門打開。活塞室的蒸汽全部冷凝成溫水並從S3閥門排出，氣壓降到最低，活塞也下降到最低，汲水桶倒掉從礦井中抽上的地下水。

Fig.11 紐科門蒸汽動力抽水機，排出溫水

英國人紐科門(Thomas Newcomen)於1712年發明紐科門蒸汽抽水機，礙於當時的機械加工技術，紐科門蒸汽機的活塞室因精度不夠，有很嚴重的漏氣問題，因此約末只有0.5%的轉換效率，換言之，假設煤炭燃燒產生100焦耳能量，只有0.5焦耳能量被使用在抽水功能。但當時普遍採用獸力汲水，效率更低，因此紐科門蒸汽抽水機的問世算是很大進步了。紐科門蒸汽抽水機的買主幾乎都是煤礦主或高爐煉鐵廠，煤礦主把開採到的煤分類，優質煤賣掉，劣質煤留下來自己用，給紐科門蒸汽抽水機當燃料。從商業角度來論，紐科門蒸汽抽水機其實很成功，設計架構整整賣了七十年沒有更動，Thomas Newcomen賺進大把鈔票，是第一位因蒸汽機致富的英國企業家。

Fig.12 瓦特改良紐科門蒸汽機

蘇格蘭人瓦特(James Watt)是一名蒸汽機修理技師，在大學裡當技師，專門修理紐科門蒸汽機，瓦特在維修機器過程，發現紐科門蒸汽機構造中的冷凝是個很大的問題，在紐科門的架構中，噴冷水對蒸汽進行冷凝的過程，既把蒸汽降溫同時也把活塞室壁也一併降溫，這意謂下一步驟，要讓鍋爐蒸汽進入活塞室時，必須耗費更多能量在活塞室壁的加熱上，才能產生足夠蒸汽壓力去推動活塞，這無形中浪費了很多燃料及時間。

在Fig.12中，瓦特的改良之道是增加一個冷卻室(G)，把活塞室與冷卻室分開，當活塞下降過程，S3閥門打開，把蒸汽排進冷卻室然後在冷卻室內噴冷水，對蒸汽進行降溫冷凝，並把冷凝後的溫水排出，因此活塞室壁幾乎還維持水蒸汽的溫度，沒有下降太多。瓦特的構想理論上看似可行，但實際運作卻問題連連，而且瓦特也沒有太多錢來落實自己的構想，此外，瓦特的設計用了更多蒸汽管線及閥門，因此蒸汽漏氣的情況也更為嚴重，實際運作的效率沒有比紐科門蒸汽機進步太多，成本還提高不少呢! 接下來，一台有意義的精密工具機就要躍上人類舞台了，那就是『鏜床(Boring machine)』。

IV.鏜床(Boring machine)

製作砲管的金屬材料最初使用青銅（銅和錫的混合物），後來被鑄鐵取代，鑄鐵具有優越的硬度及較低的成本。1543年，一位英國牧師在國王亨利八世委託下完成一種鐵炮的鑄造方法。與青銅大砲不同，鐵砲容易發生內部腐蝕，而且鐵砲發生膛炸時相當危險，它不會像青銅砲那樣只是撕裂，而是像炸彈一樣炸成碎片，這是因為鐵的材質硬且脆。但是鐵砲具有壓倒性價格優勢，成本僅為青銅砲三分之一，見Fig.13。鐵砲及鐵槍鑄造技術在15 ~ 16世紀逐漸成熟。鑄造火砲過程，首先得用耐火黏土製作砲管模具，包括與砲管一樣長但直徑略小於砲管的黏土內柱，見Fig.14。砲管的黏土模與鑄鐵很容易因化學反應兒產生氣泡，拆模後造成砲管內存在局部海綿狀孔隙。

Fig.13 鑄造加農砲

Fig.14 製造加農砲所使用的黏土模具

此外，砲管內也可能因熱脹冷縮而鑄造得不夠筆直，因此拆模後尚需鏜孔加工，見Fig.15。左邊是鏜刀右邊是拆模後的砲管，一開始是刀具轉動，砲管不動，但是因刀具的長臂緣故，因此砲管會出現撓度偏差(Deflection)，影響管壁準直並導致砲管圓徑發生偏心。約翰威爾金森(John Wilkinson)，一位精明英國實業家，在工業革命期間經營鑄鐵工廠並生產鑄鐵製品，是精密鏜床的發明者。一開始約翰威爾金森(John Wilkinson)與父親一起在鑄造廠工作，是父親鑄造廠的合夥人。1761年，他買下伯沙姆鋼鐵廠(Bersham Ironworks)並讓這裡成為他的最大事業。1774 年，威爾金森獲得了一項專利技術，用於對實心鑄鐵進行鏜孔，見Fig.16。刀具不轉，改成實心砲管轉動，因為砲管是實心鑄造，不會有海綿孔隙問題，而且鑄造過程溫度均勻，因此材料整體品質及穩定性提升不少。

Fig.15 鏜孔加工

Fig.16 約翰威爾金森的實心鏜孔加工技術

約翰威爾金森的工廠以水車為動力，見Fig.17，實心砲管被很謹慎地固定在基座上，並連動到水車的轉軸，鏜孔刀具固定不動。這項技術可使火砲的精度提高許多，砲膛直徑得以非常均勻，且不易爆炸。該專利於1779年被撤銷，原因是英國皇家海軍擔心這項技術涉及壟斷，會阻礙其他軍火武器商的競爭力，但約翰威爾金森仍是大砲主要製造商。約翰威爾金森的鏜孔加工技術讓火砲壽命可以增加很多，不僅如此火砲射擊命中率也因精度提高而增加許多。

Fig.17 約翰威爾金森的鏜床模型(摘自gettyimages)

地球上最先進的技術往往率先使用在武器製造，之後外溢效應才為民生所使用，過去如此現在依舊是如此。例如現代網際網路，其實最早是美國國防部為了防止核戰爆發後，政府指揮系統失靈而開發的，此外，現代無線通訊手機技術是1990年波斯灣戰爭時軍方所使用之衛星電話技術外溢給民間的結果，而現代汽車導航也是當時飛彈衛星定位技術釋放給民間使用的案例。1765年，瓦特(James Watt)提出改良紐科門蒸汽機構想時，沒有錢也沒有精密加工設備。一開始，瓦特使用一片鐵片，透過錘打鍛造成圓環狀，然後再將接縫處焊接，焊接成立體圓柱桶狀，見Fig.18。這樣的工法導致活塞室不是完美對稱的正圓，因此活塞運作時，有些地方間隙過大會造成漏氣，有些地方則間隙太小造成活塞磨損，因此蒸汽機運作時不斷漏出大量蒸汽，瓦特嘗試用各種方法來堵住漏氣，包括泡過亞麻仁油的皮革、麵粉、橡膠片，但是都徒勞無功。

Fig.18 瓦特最早採用鍛打與換焊接方式製造活塞桶

十年徒勞無功把瓦特的積蓄全部花光，所幸伯明罕一間鑄造廠老闆波爾頓(Matthew Boulton)大量在資金方面投資瓦特，讓瓦特得以繼續新蒸汽機的開發工作。巧合與幸運之神終究沒有遺棄瓦特，1776年，約翰威爾金森剛好想委託瓦特訂製一個由蒸汽機驅動的風箱(Bellows)，用於自己的鋼鐵廠，約翰威爾金森拜訪瓦特工廠後便一眼看出問題所在，之後一個200 cm長，直徑96.5 cm的實心汽缸被運往威爾金森的工廠，威爾金森用加工大砲的鏜床，協助瓦特製造一個完美圓對稱且精度非常高的活塞室，之後，一個比活塞室直徑稍小的活塞塗上潤滑油之後，無聲無息的滑入活塞室，並且順利從氣孔排出空氣後，現場響起一陣歡呼聲，瓦特成功了。同年，第一批瓦特蒸汽機成功應用於抽水泵上，比紐科門蒸汽抽水機節足足節省75%的燃料煤，轉換效率達到3%，而紐科門蒸汽機轉換效率才只有0.5%。之後5年，瓦特贏得了大量訂單並忙於奔波在各礦場間安裝這種新型蒸汽機水泵。瓦特成了因改良蒸汽機而發大財的企業家。

V.蒸汽機的外溢效應

蒸汽機是一部具備人工動力的人造機器，如果把它作為怪手(挖土機)的動力，那麼這部怪手的挖斗，剷土三次的剷土量可約末相當於成年男子使用圓鍬一個早上的剷土量，而且怪手即便工作一整天也不會覺得疲倦。這種人工動力的利益與時效無與倫比，這是一場人類追逐私利大競賽的起點，一開始動機或許是自私的，但結果卻影響深遠，並徹底改變人類的生活。物理學家、工程師與實業家無不卯足全力，期望開發出效能更高的蒸汽機，為了追逐私利，冶金技術、滑座車床(Slide rest lathe)、螺紋車床(Screw-cutting lathe)、六角車床(Turret lathe)、銑床(Milling machine)和金屬刨床(Metal planer)…等等工具機紛紛問世，其他還包括用於引導機床的夾具、用於檢查成品精度的量規(gauges)也紛紛被發明。

此外，1670年，英國科學家牛頓(Isaac Newton)與法國科學家萊布尼茲(Gottfried Wilhelm Leibniz)幾乎同時候整理並發表微積分(Calculus)的概念，這讓機械工程設計有了更可依靠的數學基礎，很多非幾何形狀的設計不再是全憑直覺或經驗，而是可透過數學進一步獲得求證，並且優化設計。當大家對蒸汽機的發展遇到瓶頸，轉換效率遲遲無法提昇之際，法國物理學家卡諾(Nicolas Léonard Sadi Carnot)總結前人在熱力學方面斷斷續續的努力，並在1824年發表其偉大著作《關於火的動力(Reflections on the Motive Power of Fire)》這本書，把熱和動力聯繫在一起，他的研究為提高發動機轉換效率指明了正確方向。當時火車鍋爐雖然比紡織廠鍋爐小許多，但仍舊笨重不適合裝置在像馬車這麼小的交通工具上。市場上需要一種比蒸汽機更輕但出力更大的發明。因為卡諾理論的啟發，1860年比利時工程師勒努瓦(Étienne Lenoir)發明以煤氣(Coal gas)作為燃料的二行程內燃機。

Fig.19 蒸汽機與火車的動輪

1781年瓦特推出迴轉動力蒸汽機，見Fig.19，透過蒸汽推動活塞往復運動，經連杆和曲軸轉換成旋轉運動，擴大了蒸汽機的應用範圍，也促成火車的發明。因為蒸汽機的普及，使得需要成形和切削的金屬零件越來越多、體積越來越大，要求精度也越來越高。材料也從銅、鐵發展到以鋼為主。此外，由於工商社會發展，中產階級崛起，人民所得提升，對工業產品的消費也隨之增加，以往村落只有教堂有時鐘，隨時間推移及時鐘持續降價，逐漸演變成家家有時鐘，再變成人人有手錶。工業產品的需求增加，被迫要求工廠生產量提高的同時，品質與精密度卻不能打折，這就衍生出專門管理生產的一門新學問，『工業工程』，該學問涉及製造通用零件如螺絲、流水線分工、品質管理、物料管理及物料採購…等等。18世紀以前，工匠師傅全憑經驗、直覺及手藝進行機械加工，與科學幾乎很少發生聯繫。但是到18～19世紀，在新興資本主義經濟促進下，掌握科學知識的科學家們也開始注意到，大量製造同時還得兼顧品質，其實是一件難度很高的挑戰，而工匠師傅們也要需要學習科學知識，並且學會操作更先進的加工機器，如此才能滿足市場同時對品質及價格的雙重要求。

第一次工業革命，間接促成時鐘與懷錶的需求大增，工商社會對於時間規劃變得非常緊湊，火車行駛必須按時刻表準時開出，工廠上下班必須按規定時間運作，商人談生意必須準時抵達會談地點，工廠出貨時間必須遵守合約規定…等等。然而蒸汽機的問世並沒有促成鐘錶製造技術的明顯進步，原因是蒸汽機是一種大型構造的機器，轉速很難獲得細緻控制，也很難在極短時間內改變機器轉速，或讓機器轉速持續保持很穩定。19世紀由於物理學家對電學的探索快速前進，導致電動馬達及發電機的發明，電動馬達可以透過改變電流，精密且持續穩定地轉動，並且可快速切換轉速，這讓如懷錶、航海鐘、壓力計，甚至於光學儀器等精密細小零件的製造獲得機器輔助，並大幅降低成本。

19世紀末期，美國大型鐘錶廠紛紛把各種機械加工的機床動力，從手搖變成馬達，利用工廠內大型蒸汽機的轉輪驅動發電機進行發電，發電機產生大電流後謹慎分流，讓眾多小電流去驅動工廠內部，大大小小機台上的馬達，因此生產出來的鐘錶零件不但精密、誤差小而且價格低廉。接下來的文章，我們將要討論19世紀的電學發展及瑞士的鐘錶手工業發展，讓我們拭目以待。