简单机械

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1728年的簡單機械圖鑑

机械最基本的单位就是简单机械,其定義為利用槓桿效益(亦稱為机械優勢)將施力放大或改變方向的工具。简单机械是人运用力的基本机械元件。在人类最初伟大的发现发明中,对火、语言与工具的掌握,使得人类最终从地球生態的眾多族群中脱穎而出。而简单机械,则是人在建設文明社會中运用工具的知識结晶,是牛顿力学(向量力学)研究的重要对象。

常用的六种简单机械都是由下面幾種基本元件組合而成的。

通常它們使用單一來源的施力作用在載荷的物品上。如果忽略受摩擦影響的損失,在負載上完成的功,等同於施加的力所做的功。简单机械可以增加出力的大小,但代價是負載移動的距離成比例下降。輸出功與施力的比率稱為机械優勢。 简单机械可被視為構成所有更複雜的機器(有時稱為“複合機器”)的基本“構件”。例如車輪、槓桿和滑輪的組合用於自行車機構。複合機器的機械優勢僅止相同於,其简单机械構件合成累積的機械優勢。

雖然它們在應用力學中仍然非常重要,但現代機構學已經超越了简单机械的觀念,因為所有機器都是由這些機器組成的最終成果,它們在文藝復興時期成為新古典主義對古希臘文明的放大器。工業革命時期出現的現代機器,所聯繫的多樣態和複雜性,在這六個簡單分類中沒有充分描述。各種後文藝復興時期的書籍作者,編譯了“简单机械”的擴展列表,通常使用諸如基本机械,複合機器或機器元件等術語來區分它們。到 19世紀末,弗朗茨·雷洛已經確定了數百個機器元件,稱其為简单机械。 現代機構理論分析各種機器的結構,將運動對組成的基本連結,稱為運動鏈。

简单机械的基础要素[编辑]

力的三要素(大小、方向、作用点)都是简单机械的基础要素,力的三要素的改变都会对简单机械的效率产生影响。
  • (机械)工具
工具是简单机械的外在表现,它起到受力施力和力的传导的作用。
机械不能节省或者产生功,只能传递或转换做功。

歷史[编辑]

西方[编辑]

公元前3世紀左右,希臘哲學家阿基米德創立了一台简单机械的想法,他研究了简单机械:槓桿,滑輪和螺桿,而發現了槓桿機械優勢的原理。他關於槓桿的著名言論:“給我一個地方站立,我會移動地球。”表明了使用機械優勢可實現的放大力量在最理想時是無限制的。後來希臘哲學家定義了經典的五種簡單機器(不包括斜面),並能粗略地計算出它們的機械優勢。例如,亞歷山大的赫隆(公元10-75年)在他的作品“力學”中列出了五種可以“設定運動負荷”的機制;槓桿,捲揚機,滑輪,楔塊和螺釘,並描述了它們的製造和使用。然而,希臘人的理解僅限於简单机械的靜力學(力的平衡),並沒有包括動力學,力與距離之間的權衡,或功的概念。

在文藝復興時期,如简单机械被稱呼為機械力的動態,除了可以應用的施加力量,並從它們可提升負載距離多遠的角度開始研究,最終導致機械的新概念。在 1586年弗蘭德工程師西蒙·斯蒂文(Simon Stevin)得出了斜面的機械優勢,並將其與其它簡單機器一併使用。義大利科學家伽利略於 1600年在 Le Meccaniche(On Mechanics)中完成了简单机械的完整動力學理論,其中他展示了機器作為施力放大器的潛在數學相似性。他是第一個解釋說,简单机械並不會產生能量,只能改變它。

达文西(Leonardo da Vinci,1452-1519)發現了經典的機器滑動摩擦規則,但是這些規則尚未發表,僅僅記錄在他的筆記本中,並且基於牛頓前的科學,例如相信摩擦是一種空靈的流體。他們被 Guillaume Amontons(1699)重新發現,並由 Charles-Augustin de Coulomb(1785)進一步發展。

東方[编辑]

摩擦和效率[编辑]

所有現實中的機具都受到摩擦的影響,這會導致一些輸入的作用力變成熱量散失。若假設 為在能量守恆中因摩擦而失去的作用力,

該機械工具的效率 (介於 ) 定義為輸出的功與輸入作用力之比,也是因為摩擦損失能量的度量,

如上所述,功等於力和速度的乘積,因此

所以

因此在現實世界的機具中,機械優勢總小於具效率 η 乘上速度的積。因此,受摩擦影響的機器無法如同對應理想機器那樣,以相同的作用力移動理論上的負載。

複合机器[编辑]

複合机器是由一系列简单机械串聯連接而成的機器,其中一個机械的輸出力為下一個輸入力提供輸入力。 例如,台鉗包括一個與螺桿串聯的槓桿(虎鉗的手柄),一個簡單的齒輪係由多個串聯的齒輪(車輪和車軸)組成。

複合機器的機械優勢是系列中最後一台機器的輸出功,除以第一台機器施力輸入的比例,所以

由於每台機器的輸出力都是下一台機器的輸入, , 這台複合機器的機械優勢也由此給出

因此複合機器的機械優勢,等於構成它系列简单机械的機械優勢乘積

同樣,複合機器的效率,也是構成它系列简单机械的效率乘積

自鎖機器[编辑]

螺絲釘的自鎖性質,廣泛應用在螺栓和木釘等具有螺紋的緊固件之上

在許多简单机械中,如果機器上的負載力 Fout 相對於輸入力 Fin 足夠高,則機器將向後移動(中文有後座力一詞),並且負載力對輸入力起作用。所以這些機器可以在任一方向使用,驅動力可以施加到任一輸入點。例如,如果槓桿上的負載力足夠高,則槓桿將向後移動,使輸入臂相對於輸入力向後移動。這些被稱為“可逆”或“非鎖定”機器,後退動作稱為“overhauling”。

但在某些機器中如果摩擦力足夠大,即使輸入力為零,也不會因為有負載力而向後移動。這被稱為“自鎖”或“不可逆”的機器。這些機器只能通過輸入端的力進行運動,而當輸入力被移除時,它們將保持靜止不動,在剩下的任何位置通過摩擦力“鎖定”。

自鎖性質主要發生在運動部件之間,相互間接觸面積很大的那些机械上:比如螺絲釘,斜面和楔塊:

  • 最常見的例子是螺絲。在大多數螺絲釘中,對軸施加扭矩會使其轉動,使軸線性移動以抵抗負載,但軸上的軸向負載力不會導致其向後轉動。
  • 在傾斜面上可通過側向輸入力將載荷拉起;但如果平面的斜率不太陡峭,而且載荷與斜面之間有充分足夠的摩擦力,則當輸入力被移除時,載荷將保持不動而且不論它的重量大小,它都不會滑下斜面。
  • 楔子可用強力擊入一塊木頭,例如用一個大錘擊打木塊,迫使兩側分開,但來自木牆的反作用力,並不會導致那個被錘擊的木塊反彈出來。

若且僅若其效率“η”低於 50%時,機器才會自鎖:

機器是否具有自鎖性質,取決於兩部分之間的摩擦力(靜摩擦係數)和距離比 din/dout(理想的機械優勢)。如果摩擦和理想的機械優勢都足夠高,那麼它將會具有自鎖的性質。

證明[编辑]

現代機構理論[编辑]

運動鏈[编辑]

機構分類[编辑]

参考文献[编辑]

参见[编辑]