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機械

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一架車個引擎;車係一種常見嘅機械,而一架車本身又由多部機械組成。
一個渦輪;渦輪係摩打嘅一種,曉由穿過佢嘅流體嗰度吸能量,並且將呢啲能量變成有用嘅作功
一個冷凍格;冷凍格呢種機械能夠由啲液體嗰度攞走熱力,可以用嚟令啲嘢冷卻。

機械粵拼gei1 haai6英文machine希臘文μηχανή,「mechane」[1]),粵文又有叫機器或者簡稱定義上係指某一啲特定類型嘅結構:一部機械具有唔郁嘅部份同曉郁嘅部份,重點特徵係能夠產生、轉變、或者運用機械能(mechanical energy;令啲物件郁動能量),並且用機械能達到某一啲特定嘅目的[2]。一部機械會有:

  1. 一個功率來源,可以係人類等嘅動物,又可以係等大自然物體所施嘅,又可以係熱力等嘅能量來源;
  2. 部機械內部會有某啲機制(mechanism),機制將呢啲輸入(input)變成其設計者想要嘅輸出(output);
  3. 呢啲輸出跟手可以做一啲有用嘅工作。

舉個例子說明,好似係一個電摩打(electric motor)噉,一個摩打會由電嗰度攞功率(輸入),跟住佢內部嘅有一啲特殊設計嘅部件(機制),令到佢每逢收到電能量,就會某啲部位旋轉(輸出),而呢個旋轉嘅部位如果(例如)駁落去一個車轆嗰度,就可以用嚟驅動一架(用途)。再廣義上啲噉睇嘅話,「機械」呢個詞唔只包呢啲力學性嘅結構,仲可以包括埋一啲運作嗰時主要產生、轉變或者運用機械能以外嘅能量做嘢嘅結構,例如係電腦噉,就係一啲以非力學方式做運算嘅機械[3][4]

機械可以好簡單,又可以好複雜:六大簡單機械(simple machine)包括咗六款最基礎嘅機械,例如係槓桿輪軸等,呢啲機械雖然簡單,但就能夠明顯噉令到人類施力作功嗰陣效率提高(用更少嘅力做更多嘅嘢);另一方面,廿一世紀嘅機械可以複雜得好交關,例如係汽車、飛機、家用電器同埋係工廠嘅機械等,呢啲機械有好多組成部份,有啲甚至會內置埋感應器同電腦,曉監察自身做嘅工作係咪順利進行緊以及做一啲好繁複-好多時人手做唔到-嘅運算。呢啲各式各樣嘅機械喺各種行業當中都扮演咗不可或缺嘅角色[5][6]

簡單機械

內文:簡單機械

概論

簡單機械(simple machine)顧名思義,係最簡單嗰幾種機械。早喺公元前 2 世紀,古希臘數學家阿基米德(Archimedes)經已有喺度思考「機械嘅組成元素」嘅諗頭,佢諗為槓桿、滑輪、同螺旋係最簡單嘅機械,而且用呢三樣機械就可以砌嗮所有可能存在嘅機械出嚟,而佢及後嘅古希臘思想家仲有對佢嘅諗法做添加[7]。打後 19 世紀德國機械工程師法蘭斯·烏勞斯(Franz Reuleaux)研究咗 800 種基本嘅機械[8],佢指出,古典嘅簡單機械可以分做槓桿、滑輪、輪軸(雖然佢心目中嘅輪軸概念同現代嘅有啲唔同)、鈄面、楔、同螺旋六種[9]。簡單機械嘅共通點係冇任何曉郁嘅組成部份,主要用途係改變一股嘅方向或者大細[10][11][12]

  • 槓桿(lever),指一條剛硬、其中一個點以某啲方式固定咗嘅長條。如果有股力施落去枝槓桿嘅其中一端,另外一端就會有股向相反方向嘅力。現實例子有單車手柄-一個踩單車嘅人能夠用手施力落去個手柄度,令到單車嘅前轆轉向。
  • 輪軸(wheel and axle)由一個同一條組成,呢兩個元件之間通常靠啤令或者接住,當枝軸轉嗰陣,個轆就會跟住轉。現實例子有車轆同埋多種嘅交通工具嘅轆。
  • 滑輪(pulley),指用個轆嚟帶動或者纜等嘅長條,當個轆旋轉嗰時,能夠令到接駁咗喺條繩或者纜上面嘅物體郁動-由旋轉嘅力嗰度產生直線嘅郁動。現實例子有纜車嘅絞盤筒-喺纜車行駛嘅兩個點嘅尾端嗰度各有一個滑輪帶動一條鋼纜,而當兩個滑輪旋轉嗰時,吊喺條鋼纜上嘅列車就會跟住郁[13]
  • 斜面(inclined plane)即係打斜咗嘅平面,可以幫人用少啲力將一件物體由低位移上去高位嗰度。
  • (wedge),橫切面形狀呈三角形,一邊闊一邊尖,兩個側邊都係斜面。當尖嗰面撞落去一樣嘢嗰度,就比較容易將樣嘢破開兩邊。斧頭嘅頭就係一個典型嘅楔[14]
  • 螺旋(screw)係指一枝有螺旋條紋嘅桿,當枝桿旋轉嗰陣,就會令成枝桿向前或者向後郁-將旋轉嘅力轉做以直線施嘅力。螺絲就係一個典型嘅螺旋[15]

簡單機械曾經俾人認為係所有機械嘅基本組成元素,可以用嚟砌啲複雜啲嘅機械出嚟,例如單車就用咗槓桿(個手柄)、輪軸(兩個轆)、同滑輪(條單車鏈)嘅原理,而好似單車呢啲由多種簡單機械砌出嚟嘅機械有陣時會俾人稱為複合機械(compound machine)。不過要留意嘅係,現代工程學研究經已說明咗,齋靠呢六種簡單機械係唔足以砌嗮所有現代機械出嚟嘅[3][16]

數學模型

睇埋:牛頓力學

喺用數學模型模擬一個機械系統嗰陣時,工程師好多時會將組成件機械嘅簡單機械視為運動鏈(kinematic chain)同連桿機構(linkage),即係當每件簡單機械係一件唔會變形嘅剛體(rigid body),而每件嘅形狀同長度限制咗同佢相連嗰啲部件嘅郁動。例如想像圖 1 入面嗰個連桿機構(睇埋平面四連桿機構),圖 1 個機構包含三碌槓桿,槓桿之間嘅係關節位,其中兩個關節位(下面有三角嗰兩個)用定死咗唔郁得,而(例如)如果將兩架機械分別駁落去個機構淨低郁得嗰兩個關節位嗰度,就做到用其中一架機械嘅郁動帶動另外嗰架郁[17]

圖 1

喺用數學模型模擬呢個連桿機構嗰陣,機械工程師會當嗰幾碌槓桿係唔會變形嘅剛體,用一個坐標表示第一個關節嘅位置 ,而因為經已假設咗個連桿機構係剛體(形狀同長度唔會變),加埋畢氏定理,所以另外嗰一個關節嘅位置 實會同 成一個固定嘅幾何關係: