與蘇格拉底的對話
虛擬教室
工程、物理與數學的三角關係
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第三期 出版日:二零零四年十月
工程、物理與數學的三角關係

當電流通過一根導體會產生光和熱是一物理現象,把這個道理弄成一個電燈泡,使之更有效率和耐用、小巧和便宜則成為一個工程問題!

一般工程學都離不開物理和數學,因為它們是了解和分析自然定律的基礎。但是,能讓這些學問提升至一個實用的層次,就有賴工程師和研究人員的創意和努力了。

試以電話為例。聲音引起空氣壓力的改變,帶動「咪高風」內的線圈在磁場中振動,最後轉化成相對應的電流強度。「咪高風」的設計主要涉及流體動力學和電磁學工程。加上其他要求如體積少,敏感度高和低失真等,便考起很多工程人員的功夫。

電子與電路的相互作用,又是另一個物理效應。電子在電路內作有秩序的運動,把訊號運往目的地,以完成傳送的任務。但要利用這一基本原理來建造有效和完善的通訊系統,便是一個頗為複雜的工程難題!當中需要許多創意、設計和豐富的工程知識是不難想像的。

一個普及的通訊系統(如固網電話)擁有上千萬個用戶,若要把它們都連接起來,成本便是天文數字吧。更有效的方法是在適當的位置放上「開關」,讓有限數目的「連線」和「開關」把多個用戶聯結起來就更合乎經濟效益。可是這樣的一個設計,在同一時間內只能提供服務給有限數目的用戶。因此,接著要解決的就是如何去平衡成本和服務質素。「開關」與「連線」愈多,可靠性愈高,但成本也相應增加。準確的評估和計劃就有賴統計學,電腦模擬及實驗的幫助了。

電腦的廣泛用途已不用多解釋吧。它的背後不單是一塊塊的集成電路和軟件程式,更是一套邏輯代數。電腦是用來解決難題的,無論是工程運算,人工智能等,都是隨�韝@些規則(algorithm)進行,這些法則都可找專門的數學來驗證。電腦和數學在今天己是平衡地發展,以互補不足。電腦應用在醫學上的例子彼彼皆是,如要「實時」觀看三維空間圖像,就有必要在很短時間內處理龐大的數據庫,那便要借助更高速的電腦硬件和更聰明的運算法。

在生活的層次,人們經常要把貨品從原產地送往不同分銷處。貨物的分類,存放和運輸,以更快更便宜和安全的方法來處理,便是一門物流管理工程。當中要用上電腦作資料的分析,電子器材作貨品的監管,以及工程分析作流程及數量的優化等。

從以上可見,工程、物理和數學之間存在�韝d絲萬縷的關係。因此,為使人類的生活得以改善,工程人員所要付出的努力、面對的挑戰、和要掌握的知識與技術,是何等的深和廣呢!

鄭國強教授

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