机械

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机械英语machine源自于希腊语mēchanē (Μηχανή)[1]拉丁语machina,原指“巧妙的设计”,主要是为了与手工工具区别。现代中文机械机器基本同義。

机械的定義最早來自机械工程学,是人为的实物构件的組合,主要是利用能量達到一特定的目的,机械中一般會有可以移動的物體。廣義的機械是利用能量達到一特定目的的装置或者设备,不一定符合上述的定義,例如電機機械包括馬達發電機變壓器等,而變壓器中就沒有可動件。而肌肉中的分子馬達肌球蛋白也不滿足人为实物构件的定義。

定義[编辑]

机构和机器的定义来源于机械工程学,属于现代机械原理中的最基本的概念,中文机械的现代概念多源自日文機械一词[來源請求],日本的机械工程学对机械概念做如下定义(即符合下面三个特征称为机械machine):

  • 机械是物体的组合,假定力加到其各个部分也难以变形。
  • 这些物体必须实现相互的、单一的、规定的运动。
  • 把施加的能量转变为最有用的形式,或转变为有效的机械功。

特徵[编辑]

机械的特征有:

  • 机械是一种人为的实物构件的组合。
  • 机械各部分之间具有确定的相对运动。

机器具备机构的特征外,还必须具备第三个特征:即能代替人类的劳动,以完成有用的机械功或转换机械能,故机器是能转换机械能或完成有用的机械功的机构。从结构和运动的观点来看,机构和机器并无区别泛称为机械。

歷史[编辑]

溫彻斯特發現的燧石手斧

手斧英语Hand_axe可能是第一個由人類制造的机械,其作法是將切割燧石來產生的,楔是簡單機械的一種,可以將縱向的位移和力轉變為橫向將物體切開力及位移。

簡單機械的概念來自西元前三世紀的阿基米德,他提出的簡單機械包括槓桿滑輪螺旋[2][3]。阿基米德也研究了槓桿中的機械利益英语mechanical advantage[4]。後來的希臘哲學家發明了斜面除外的五種簡單機械,也可以大致計算其機械利益[5]亞歷山卓的希羅(約10–75 AD)在其著作《力学》中列出了五種「可以使重物移動」的機械,包括槓桿、絞盤英语windlass、滑輪、楔及螺旋[3],並且描述其用途及潤滑方式[6],不過希臘當時的了解只限制在簡單機械的靜力學上,只考慮力的平衡,不考慮機械的動力學,也不考慮在力和位移之間的取捨,以及的概念。

文藝復興時期大家開始研究簡單機械的動力學,一開始是研究簡單機械可以產生多少有用的功,最後則產生了機械的概念。1586年時佛兰芒工程师西蒙·斯蒂文推導出斜面的機械利益,因此斜面也被列在簡單機械中。簡單機械的完整動力學理論是由義大利科學家伽利略·伽利莱在1600年的《力學》中提出[7][8]。伽利略也是第一個了解簡單機械不會創造能量,只會轉換能量[7]

機械中滑動摩擦的古典定律是由達文西(1452–1519)發明,但只留在他的筆記本中沒有發表。後來纪尧姆·阿蒙顿英语Guillaume Amontons(1699)再次發現摩擦力的定律,後來夏爾·奧古斯丁·庫侖(1785)又作了進一步的發展[9]

概念与来源[编辑]

详细的机械定义[编辑]

机械这个词源自于希腊语之Mechine及拉丁文Machina,最早的“机械”定义为古罗马建筑师维特鲁威(Vitruvii)在其著作《建筑十书》,主要对于搬运重物发挥效力的机械和工具作了区别:「机械(machane)和工具(organon)之间似乎有着以下的区别。即机械是以多数人工和很大的力量而发生效果的,如重弩炮和葡萄压榨机。而工具则是一名操纵人员慎重地处理来达到目的的,如蝎形轻弩炮或不等圆的螺旋装置。因此工具和机械都是利用上不可缺少的东西。」

古希腊时期已有圆柱齿轮。亚历山大的希罗(Heron of Alexandria)在1世纪最早讨论了机械的基本要素,他认为机械的要素有五类:轮与轴,杠杆,滑车,尖劈,螺旋。希罗的论述反映了古典机械的特征。中国古代在香炉中应用了能永保水平位置的十字转架等机件。

英国机械学家威利斯(Robert Willis)在其《机构学原理》(The Principles of Mechanism,1841年)所给的定义是:“任何机械(machine)都是由用各种不同方式连接起来的一组构件组成,使其一个构件运动,其余构件将发生一定的运动,这些构件与最初运动之构件的相对运动关系取决于它们之间连接的性质。”德国机械学家勒洛(Franz Reuleaux)在其《理论运动学》(Theoretische Kinematik,Grundzüge einer Theorie des Maschienenwesens,1875年)中的定义为“机械是多个具有抵抗力之物体的组合体,其配置方式使得能够借助它们强迫自然界的机械力做功,同时伴随着一定的确定运动。”

总体来讲,机械就是能帮人们降低工作难度或省力的工具装置,像筷子、扫帚以及镊子一类的物品都可以被称为机械,他们是简单机械。而复杂机械就是由两种或两种以上的简单机械构成。通常把这些比较复杂的机械叫做机器。

中文概念与来源[编辑]

“机械”词语由“机”与“械”两个汉字组成。“机”——原指局部的关键机件;“械”——在中国古代原指某一整体器械或器具。这两字连在一起,组成“机械”一词,便构成一般性的机械概念。

”在古汉语中原指某种、某类特定的装置,后来又泛指一般的机械。《尚書·太甲》有“若虞机张,往省括于度,则释”。《庄子·齐物论》:“其发若机括。”《释文》称:“机,弩牙;括,箭括。”《说文解字》对“”的解释是“机,主发者也”,指弩机。《庄子·山林》道:“丰狐,文豹……不免于网罗机辟之患”即指夹子一类的装置。古代之“机抒”指织布机。《淮南子·氾论》载“伯余之初作衣也,……手经指挂,其成犹网罗。后世为之机抒胜复以便其用。”《史记·郦生传》有“农夫释耒,二女下机”。由此可知,“机”之本义指机械装置中构成转动副的转动构件。

”在古代中国指器械、器物等实物。《庄子·天地》载“有械于此,一日浸百畦,用力甚寡而见功多”,其“械”在此为一般器械或器具;《墨子·公输》:“公输般为楚造云梯之械”在此指兵器;《汉书·司马迁传》载:“淮阴(韩信),王也,受械于陈”,在此“械”指刑具。

庄子·外篇·天地第十二》载“......子贡曰:‘有械于此,一日浸百畦,用力甚寡而见功多,夫子不欲乎?’为圃者仰而视之曰:‘奈何?’曰:‘凿木为机,后重前轻,挈水若抽,数如汤,其名曰槔。’为圃者忿然作色而笑曰:‘吾闻之吾师,有机械者必有机事,有机事者必有机心。机心存于胸中,则纯白不备。纯白不备,则神生不定。神生不定者,道之所不载也。吾非不知,羞而不为也。’子贡瞒然,俯而不对。”这段对话为子贡与老人的对话给出了机械的概念界定即“机械是能用力甚寡而见功多的器械”。《韩非子》卷十五《难》二中有类似的论述:“审于地形、舟车、机械之利,用力少,致功大,则入多。”故此中国最迟在战国时期已形成了与现代机械工程学之“机械”涵义较相近的概念。

分類[编辑]

簡單機械[编辑]

1728年百科全書;或藝術與科學通用字典中簡單機械的圖表[10]。簡單機械是許多複雜機械構成的基礎

亞里斯多德提出了將機械分類為一些簡單零件的概念,他定義了槓桿滑輪螺旋為簡單機械,後來又加入輪軸斜面

發動機[编辑]

發動機是一種將能量轉換為有用的運動的機械[11]熱機包括內燃機外燃機,利用燃燒燃料來棧產生熱能,再利用熱能轉換為動能,電動機利用電能使機械運動,气动马达的能量來源是壓縮空氣發條玩具英语Wind-up toy則是利用彈性能英语Elastic energy,在生物系統中,肌肉中的分子馬達(例如肌球蛋白)可以利來化學能來運動。

電機機械[编辑]

電機機械是指一些可以將機械能轉換為電能,將電能轉換為機械能,或是改變交流電電壓的電氣設備,可分為電動機發電機變壓器三大類。

機械元件[编辑]

機械是由許多標準化的零件所構成,有些是控制運動方式的零件,例如齒輪組英语Gear train皮帶傳動鏈條傳動英语chain drive連桿英语linkage凸輪剎車離合器等,有些則是結構件,例如框架構件、緊固件或是鍵 (機械)英语Key (engineering),也有一些是可以減少摩擦,增加潤滑有關的零件,如軸承油封等。

一些工業機械會有感測器致動器控制器,有些機械會進行工业设计,決定其外殼材質及顏色,以及使用者使用機械的人機界面

機構[编辑]

機械中控制運動的零件組立稱為機構[12][13]。機構一般可以分為齒輪及齒輪組、凸輪及凸轮随动件英语cam follower機構、連桿機構、皮帶傳動機構或鏈條傳動機構,也有些特殊的機構,像是索引機構,或是剎車離合器等用到摩擦力的機構。

控制器[编辑]

控制器利用感測器、控制邏輯和致動器來控制機械中特定零件的性能,像蒸氣機離心式調速器就是一個例子。控制器的範圍很廣,從在溫度上昇時開啟冷水閥門的溫控器,到車輛的巡航控制系統都可以算是控制器。傳統的控制器可能會用許多的繼電器組成,但已經被可编程逻辑控制器取代,有些系統會用伺服馬達作為致動器,接受電氣命令而動作,因此可以作為機器人系統使用。

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ The American Heritage Dictionary, Second College Edition. Houghton Mifflin Co., 1985.
  2. ^ Asimov, Isaac, Understanding Physics, New York, New York, USA: Barnes & Noble, 88, 1988, ISBN 0-88029-251-2. 
  3. ^ 3.0 3.1 Chiu, Y. C., An introduction to the History of Project Management, Delft: Eburon Academic Publishers, 42, 2010, ISBN 90-5972-437-2 
  4. ^ Ostdiek, Vern; Bord, Donald. Inquiry into Physics. Thompson Brooks/Cole. 2005: 123 [2008-05-22]. ISBN 0-534-49168-5. 
  5. ^ Usher, Abbott Payson. A History of Mechanical Inventions. USA: Courier Dover Publications. 1988: 98. ISBN 0-486-25593-X. 
  6. ^ Strizhak, Viktor; Igor Penkov, Toivo Pappel. Evolution of design, use, and strength calculations of screw threads and threaded joints. HMM2004 International Symposium on History of Machines and Mechanisms. Kluwer Academic publishers. 2004: p. 245 [2008-05-21]. ISBN 1-4020-2203-4. 
  7. ^ 7.0 7.1 Krebs, Robert E. Groundbreaking Experiments, Inventions, and Discoveries of the Middle Ages. Greenwood Publishing Group. 2004: 163 [2008-05-21]. ISBN 0-313-32433-6. 
  8. ^ Stephen, Donald; Lowell Cardwell. Wheels, clocks, and rockets: a history of technology. USA: W. W. Norton & Company. 2001: 85–87. ISBN 0-393-32175-4. 
  9. ^ Armstrong-Hélouvry, Brian. Control of machines with friction. USA: Springer. 1991: 10. ISBN 0-7923-9133-0. 
  10. ^ Chambers, Ephraim, Table of Mechanicks, Cyclopaedia, A Useful Dictionary of Arts and Sciences (London, England), 1728,, Volume 2: 528, Plate 11 
  11. ^ Motor. Dictionary.reference.com. [2011-05-09]. "a person or thing that imparts motion, esp. a contrivance, as a steam engine, that receives and modifies energy from some natural source in order to utilize it in driving machinery." 
  12. ^ Reuleaux, F., 1876 The Kinematics of Machinery, (trans. and annotated by A. B. W. Kennedy), reprinted by Dover, New York (1963)
  13. ^ J. J. Uicker, G. R. Pennock, and J. E. Shigley, 2003, Theory of Machines and Mechanisms, Oxford University Press, New York.