阿基米德螺旋「後代」比拼:十字頭 vs. 方形頭

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螺絲釘在現代都市,可謂無處不在。釘上的螺旋紋路,從何而來?是誰如此聰慧,能取這種動植物身上的曲紋之意,化成器具?原來是古希臘著名數學家阿基米德(Archimedes)。

相傳阿基米德年輕時,曾到埃及亞歷山大港一遊,見當地農人以螺旋形工具將水抽到堤基另一邊,回家後參照其理,製成螺旋抽水機(screwpump)。此說雖有爭議,但或因阿基米德也是螺旋算術的專家,一螺旋線條的算術公式直接以阿基米德命名,所以阿基米德發明螺旋抽水機一說,已為公認。螺絲釘與螺絲帽的雛形,在古希臘時已有。而在羅馬帝國埃及省(Roman Egypt)亞歷山大城,數學家希羅(Hero of Alexandria)則以阿基米德的螺旋組件製成螺旋按壓機(screw press)及蝸桿傳動機械裝置(worm drive)。在古羅馬與古希臘之外,例如在古時中國,則不見有文獻記載螺旋形器具,所以種種螺旋形器具以及螺絲釘,都可謂是純正歐洲貨。

後人繪製的螺旋抽水裝置示意圖。

在歐洲中世紀時,螺旋按壓機在許多行業也常用。機器操作原理甚為簡單,只要將欲壓平之物,放在按壓機兩塊壓板之間,再轉動螺旋裝置,就能使機頂木板往下擠壓。機器內的螺旋形裝置,貌如粗大木製螺絲釘。橄欖農人、釀酒工人、織布工人也用按壓機製作各式產品。在 15 世紀時,古騰堡(Johannes Gutenberg)將按壓機改造成活字印刷機。印刷機是按壓機,而將印好文句裝幀成書時,也要有裝幀按壓機(bookbinding-press),所以當時的書籍,可謂「無壓不成書」。

到了約 16 世紀,螺旋形零件也見於兵器及盔甲內,而這些零件的形狀就如現今常見的螺絲釘,但這些「古老螺絲釘」全由工匠以手工製造,每個孔洞只能容一個螺絲釘,不如現代螺絲般能輕易互換。螺絲頭多數為方形或八角形,其表面或無坑槽,或只有一條直坑。旋緊螺絲的器具,則可有可無,不必螺絲批。

當時鐵匠甚少製作螺絲釘,因以手工製造螺絲釘,難有佳品。製造螺絲釘究竟有多難?若然刻齒紋時手不定,或車床(lathes)轉速稍有改變,螺絲釘即「走樣」。聽聞曾有貴族公子閒來無事,居然買車床回家,在庭園製作螺絲釘,以練習定力與專注力,由此可知,當時製螺絲釘難如練習打坐冥想。

「對摺門鉸」。

初時鐵匠認為螺絲釘沒有甚麼大用,鐵釘才是最好用。但是到了 18 世紀英國工業興起時,各大城市的人忽然紛紛要買螺絲釘來用,原因為何?只因新款門鉸在各國興起,而這種門鉸只可用螺絲釘。

此種新款門鉸,叫對摺門鉸(butt hinges),早在 16 世紀見於法國,初時只以人工製作,非常昂貴,後來有英國人製成此種門鉸的生產機器之後,價格大減,城市人紛紛改裝新門鉸。新款的對摺門鉸受人歡迎之處,在於門鉸藏在門邊與門框內,不見於門面,比舊款的十字形門鉸(strap hinges)或丁字形門鉸(garnet hinges)美觀得多。但這種門鉸只可以螺絲釘鑲緊於牆上,用鐵釘的話則容易鬆脫。故此,有商人建立工廠,製新機器,以大量生產螺絲釘。

改裝車床器械以自動生產螺絲,殊不容易,在英格蘭有商人蝕本收場。而在紐英倫(New England),則有商人研究有成,於 19 世紀中期大量生產出售。初時這些螺絲釘都是為對摺門鉸而製,所以多為平頭,釘頭內則有「一」字形坑槽。「一字頭」螺絲頭的坑槽兩側並無擋隔,扭螺絲時,螺絲批容易滑離釘頭(即英語謂「cam-out」)。有商人見此,就製造新款螺絲釘及螺絲批以爭生意。其中一人是 Peter Lymburner Robertson,另一人則為 Henry Frank Phillips

Robertson 的「方形頭」螺絲。 圖片來源:Saforrest/Wikimedia Commons

Robertson 在 20 世紀初製成新款螺絲之後,就建立公司與工廠做生意。這款螺絲釘頭的坑槽為正方形。可惜好景不常,公司成立後,第一次世界大戰爆發,歐洲大亂,生意非常差。福特汽車公司曾計劃以這種螺絲生產汽車,認為新螺絲比舊款「一字頭」螺絲為佳,但多次洽談之後,卻談不成合作的條件,結果一眾汽車公司隨福特棄用 Robertson 螺絲,復用舊款「一字頭」。Robertson 最終發不成大財,只能以這種螺絲在美國和加拿大做小生意。

Phillips 所製的螺絲,就是今日常見的「十字頭」。Phillips 並沒有投資設廠,而是獨訪各公司推銷自己的新發明。幾經周折,這種螺絲於 1936 年,由通用汽車公司(General Motors)生產,用以製造汽車。

曾有人為測試兩種螺絲的優劣,反覆以螺絲批將兩種螺絲扭入孔洞內,記錄螺絲批滑離釘頭的次數。測試者發覺,Robertson 的螺絲釘多數能與螺絲批牢牢相接,不易滑離,而「十字螺絲批」滑離螺絲釘頭的次數,則比前者多。當時汽車廠老闆雖知這次測試的結果,卻依然偏好「十字頭」,何解呢?正因「十字頭」螺絲釘與螺絲批並非牢牢緊合,釘上緊之後,若再用力扭螺絲,螺絲批即滑離釘頭,反而避免螺絲釘鑽入太深,損壞汽車零件。

而今 Robertson 的螺絲,多見於加拿大和美國的小型家具廠產品。至於 Phillips 的「十字頭」螺絲,則幾乎無人不識。都市人的時運,大概亦如兩種現代螺絲。有人如 Robertson,「穩陣」佳良卻無人問津。有人則如 Phillips 「十字頭」螺絲,就算有瑕疵也不怕,因為瑕疵有時候也是能令人歡喜的。

參考資料

Rybczynski, Witold, One Good Turn: a natural history of the screwdriver and the screw, New York: Scribner. 2000.