机械

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機械机器機構的總稱,是機械工程學的一個基本概念。機械就是能幫助人們節省工作難度或省力的工具裝置。像筷子、掃帚以及鑷子等工具可以被稱為簡單機械。而复杂機械就是由二種或二種以上的簡單機械構成,被稱為機器。機器是人為的實務構件的組合,主要是利用能量達到一特定的目的,通常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,例如:熱機電機,包括:馬達發電機變壓器等,而變壓器中就沒有可動件。

概念来源[编辑]

机械之英语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。

古罗马建筑师维特鲁威(Vitruvii)在其著作《建筑十书》中对于搬运重物发挥效力的机械(machane)和工具(organon)作了区别:即机械是以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

英國機械學家威利斯(Robert Willis)在其《機械學原理》(The Principles of Mechanism,1841年)所给的定義是:“任何機械(machine)都是由用各種不同方式連接起來的一组構件组成,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借助它們强迫自然界的機械力做功,同時伴隨着一定的確定運動。”

中文“機械”詞中的“機”在古漢語中原指某種、某類特定的裝置。《尚書·太甲》有“若虞機張,往省括于度,則釋”。《庄子·齐物论》:“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。《庄子·山林》道:“丰狐,文豹……不免于网罗机辟之患”即指夹子一類的裝置。古代之“機抒”指織布機。《淮南子·氾論》載“伯余之初作衣也,……手經指挂,其成犹网罗。後世為之機抒胜复以便其用。”《史記·酈生傳》有“農夫釋耒,二女下機”。由此可知,“機”之本意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。《庄子·天地》載“有械魚此,一日浸百畦,用力甚寡而見功多”,其“械”在此为一般器械或器具;《墨子·公輸》:“公輸般為楚造云梯之械”在此指兵器;《漢書·司馬遷傳》載:“淮阴(韓信),王也,受械於陳”,在此“械”指刑具。《庄子·外篇·天地第十二》載“......子贡曰:‘有械于此,一日浸百畦,用力甚寡而見功多,夫子不欲乎?’为圃者仰而視之曰:‘奈何?’曰:‘鑿木為機,後重前輕,挈水若抽,數如湯,其名曰槔。’为圃者忿然作色而笑曰:‘吾聞之吾師,有機者必有機事,有機事者必有機心。機心存于胸中,則纯白不备。純白不备,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。’子贡瞒然,俯而不對。”這段對話為子贡與老人的對話给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《难》二中有类似的论述:“審於地形、舟車、機械之利,用力少,致功大則则入多。”故此中國最持在戰國時期已形成了與現代機械工程學之“機械”含義較相近的概念。

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],并研究了槓桿的力学原理英语mechanical advantage[4][5]

亞歷山卓希羅(Heron of Alexandria)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、轮轴、滑輪、楔及螺旋[3],並且描述其用途及潤滑方式[6]。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。以上这些反映了当时人类对古典机械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。

文藝復興時期的学者開始研究簡單機械的動力學,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]。伽利略是第一個了解簡單機械不會創造能量,只會轉換能量的人[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]

定義与特征[编辑]

机械是一种人为的实物构件的组合,各部分构件必须实现相互的、单一的、规定的刚体运动,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。

机械是机构和机器泛称。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。机器是带有驱动装置的机构。

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

熱機[编辑]

熱機是指一些可以將機械能轉換為熱能,將熱能轉換為機械能的設備。

電機[编辑]

電機是指一些可以將機械能轉換為電能,將電能轉換為機械能,或是改變直流電電壓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。

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,氣動馬達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。

機械元件(機件)[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:框架機件、緊固件或是鍵 (機械)英语Key (Machinery),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

機械結構(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.