機械

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Bonsack machine.png

機械英語machine源自於希臘語mēchanē (Μηχανή)[1]拉丁語machina,原指「巧妙的設計」,主要是為了與手工工具區別。現代中文機械機器基本同義。

機械的定義最早來自機械工程學,是人為的實物構件的組合,主要是利用能量達到一特定的目的,機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裝置或者設備,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為實物構件的定義。

定義[編輯]

機構和機器的定義來源於機械工程學,屬於現代機械原理中的最基本的概念,中文機械的現代概念多源自日文機械一詞[來源請求],日本的機械工程學對機械概念做如下定義(即符合下面三個特徵稱為機械machine):

  • 機械是物體的組合,假定力加到其各個部分也難以變形。
  • 這些物體必須實現相互的、單一的、規定的運動。
  • 把施加的能量轉變為最有用的形式,或轉變為有效的機械功。

特徵[編輯]

機械的特徵有:

  • 機械是一種人為的實物構件的組合。
  • 機械各部分之間具有確定的相對運動。

機器具備機構的特徵外,還必須具備第三個特徵:即能代替人類的勞動,以完成有用的機械功或轉換機械能,故機器是能轉換機械能或完成有用的機械功的機構。從結構和運動的觀點來看,機構和機器並無區別泛稱為機械。

歷史[編輯]

溫徹斯特發現的燧石手斧

手斧英語Hand_axe可能是第一個由人類製造的機械,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語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《力學》中列出了五種「可以使重物移動」的機械,包括槓桿、絞盤英語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年時佛蘭芒工程師西蒙·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·伽利萊在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。後來紀堯姆·阿蒙頓英語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]

概念與來源[編輯]

詳細的機械定義[編輯]

機械這個詞源自於希臘語之Mechine及拉丁文Machina,最早的「機械」定義為古羅馬建築師維特魯威(Vitruvii)在其著作《建築十書》,主要對於搬運重物發揮效力的機械和工具作了區別:「機械(machane)和工具(organon)之間似乎有著以下的區別。即機械是以多數人工和很大的力量而發生效果的,如重弩炮和葡萄壓榨機。而工具則是一名操縱人員慎重地處理來達到目的的,如蠍形輕弩炮或不等圓的螺旋裝置。因此工具和機械都是利用上不可缺少的東西。」

古希臘時期已有圓柱齒輪。亞歷山大的希羅(Heron of Alexandria)在1世紀最早討論了機械的基本要素,他認為機械的要素有五類:輪與軸,槓桿,滑車,尖劈,螺旋。希羅的論述反映了古典機械的特徵。中國古代在香爐中應用了能永保水平位置的十字轉架等機件。

英國機械學家威利斯(Robert Willis)在其《機構學原理》(The Principles of Mechanism,1841年)所給的定義是:「任何機械(machine)都是由用各種不同方式連接起來的一組構件組成,使其一個構件運動,其餘構件將發生一定的運動,這些構件與最初運動之構件的相對運動關係取決於它們之間連接的性質。」德國機械學家勒洛(Franz Reuleaux)在其《理論運動學》(Theoretische Kinematik,Grundzüge einer Theorie des Maschienenwesens,1875年)中的定義為「機械是多個具有抵抗力之物體的組合體,其配置方式使得能夠藉助它們強迫自然界的機械力做功,同時伴隨著一定的確定運動。」

總體來講,機械就是能幫人們降低工作難度或省力的工具裝置,像筷子、掃帚以及鑷子一類的物品都可以被稱為機械,他們是簡單機械。而複雜機械就是由兩種或兩種以上的簡單機械構成。通常把這些比較複雜的機械叫做機器。

中文概念與來源[編輯]

「機械」詞語由「機」與「械」兩個漢字組成。「機」——原指局部的關鍵機件;「械」——在中國古代原指某一整體器械或器具。這兩字連在一起,組成「機械」一詞,便構成一般性的機械概念。

」在古漢語中原指某種、某類特定的裝置,後來又泛指一般的機械。《尚書·太甲》有「若虞機張,往省括於度,則釋」。《莊子·齊物論》:「其發若機括。」《釋文》稱:「機,弩牙;括,箭括。」《說文解字》對「」的解釋是「機,主發者也」,指弩機。《莊子·山林》道:「豐狐,文豹……不免於網羅機辟之患」即指夾子一類的裝置。古代之「機抒」指織布機。《淮南子·氾論》載「伯余之初作衣也,……手經指掛,其成猶網羅。後世為之機抒勝復以便其用。」《史記·酈生傳》有「農夫釋耒,二女下機」。由此可知,「機」之本義指機械裝置中構成轉動副的轉動構件。

」在古代中國指器械、器物等實物。《莊子·天地》載「有械於此,一日浸百畦,用力甚寡而見功多」,其「械」在此為一般器械或器具;《墨子·公輸》:「公輸般為楚造雲梯之械」在此指兵器;《漢書·司馬遷傳》載:「淮陰(韓信),王也,受械於陳」,在此「械」指刑具。

莊子·外篇·天地第十二》載「......子貢曰:『有械於此,一日浸百畦,用力甚寡而見功多,夫子不欲乎?』為圃者仰而視之曰:『奈何?』曰:『鑿木為機,後重前輕,挈水若抽,數如湯,其名曰槔。』為圃者忿然作色而笑曰:『吾聞之吾師,有機械者必有機事,有機事者必有機心。機心存於胸中,則純白不備。純白不備,則神生不定。神生不定者,道之所不載也。吾非不知,羞而不為也。』子貢瞞然,俯而不對。」這段對話為子貢與老人的對話給出了機械的概念界定即「機械是能用力甚寡而見功多的器械」。《韓非子》卷十五《難》二中有類似的論述:「審於地形、舟車、機械之利,用力少,致功大,則入多。」故此中國最遲在戰國時期已形成了與現代機械工程學之「機械」涵義較相近的概念。

分類[編輯]

簡單機械[編輯]

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[編輯]

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,氣動馬達的能量來源是壓縮空氣發條玩具英語Wind-up toy則是利用彈性能英語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[編輯]

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[編輯]

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,例如齒輪組英語Gear train皮帶傳動鏈條傳動英語chain drive連桿英語linkage凸輪剎車離合器等,有些則是結構件,例如框架構件、緊韌體或是鍵 (機械)英語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,有些機械會進行工業設計,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[編輯]

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、凸輪及凸輪隨動件英語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[編輯]

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,但已經被可程式邏輯控制器取代,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。

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ The American Heritage Dictionary, Second College Edition. Houghton Mifflin Co., 1985.
  2. ^ Asimov, Isaac, Understanding Physics, New York, New York, USA: Barnes & Noble. 1988:  88, 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. 2010:  42, 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.