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[基礎知識] “機械”漫談

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樓主
發表于 2014-7-20 09:07:51 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式
給青少年朋友推薦一篇文章,寫得很生動、有趣。- u4 G: W7 b9 s* k! M# D. i

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“機械”漫談
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中國科技館 高級工程師 崔希棟

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  對于機械,可能青少年朋友都有一些簡單的了解,因為它時時刻刻包圍在你的身邊。正因為如此,它經常被我們不經意間忽略掉。清早醒來,打開窗戶,你已經無意中啟動了連桿機構;抬起手腕,看看時間,你也許不會意識到其中的齒輪傳動;跨上愛車,匆匆趕路,你又能否想起鏈傳動和摩擦力的作用呢?實際上,在我們的生活和工作中,機械無處不在。穿衣離不了紡織機械,吃飯離不了食品機械,住房離不了工程機械,出行離不了交通機械,上天入地樣樣離不了機械。正是1840年英國工業革命開辟了機械時代,才使我們的世界有了飛速的發展。
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也許有人會說,我們已經進入了信息時代,機械時代的輝煌已經過去,機械過時了。我請朋友們記住,機械是永遠的基礎,任何高新技術離不開機械的依托,更何況機械本身的高新技術棗諸如計算機輔助技術(CAD/CAPP/CAM)、集成制造系統(CIMS)、微機械、仿生機械以及機器人技術等正在日新月異地發展,更適用的、更精密的、更高效的各類機械不斷地被開發出來。所以,青少年朋友在學習各方面知識的同時,千萬不要忽略機械知識的積累,否則當你為實現某種設想而苦于機械知識的貧乏時,就會后悔平日的粗心了。
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什么是機械呢?許多中外機械專家都給它下過不同的定義,由于機械的內容非常廣泛,要下一個簡明的定義很難。這里我們也無意探討其學科定義,青少年朋友如果感興趣,可以查閱有關書籍,那些定義一般很長。一臺單一的機器可以稱作機械;一套復雜的成套設備也是機械;一個機件可以稱作機械,多個構件組成的實現各種運動形式的機構也是機械。簡單地說,機械就是實現某些工作任務的裝備或器具,也是機器和機構的總稱、泛稱。

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機械始于工具,工具即是簡單的機械。人類最初制造的工具是石器,如石刀、石斧、石錘等。隨著時代發展和社會進步,人類依靠自己的智慧使工具在種類、材料、工藝、性能等方面不斷豐富、完善并日趨復雜,現代各種精密復雜的機械都是從古代簡單的工具逐步發展而來的。
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我國古代有許多機械發明,為社會的發展進步做出了卓越的貢獻,有些機械甚至至今還在發揮著作用。最典型的古代機械有桔槔、轆轤、翻車、筒車等提水機械;連機碓、水轉連磨、水轉大紡車等水力機械;指南車、計里鼓車以及各類車船交通機械;渾儀、簡儀、水運儀象臺、地動儀、銅壺滴漏等天文、觀測和計時機械;耕、犁、耬車、扇車等農業機械;繅車、紡車、織機等紡織機械;弓、弩、發石機等軍事機械;還有鑄造、鍛造、表面處理、切削加工等各種加工技術和加工機械,等等。這些機械與技術無一不透露出古代勞動人民的智慧和創造力。
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現代機械涵蓋的范圍更加廣泛。按照能量轉換角度劃分,有動力機械,它把各種能源轉換為便于利用的機械能,如風力機、汽輪機、內燃機、汽油機、電動機、液壓馬達、氣動馬達等;有能量變換機械,它把機械能轉換為其他能源形式,如發電機、熱泵、液壓泵、壓縮機等;還有工作機械,它利用人力、畜力和動力機械提供的機械能來改變工作對象狀態和位置,如造紙機械、粉碎機械、物料搬運機械等。如果按照產業領域劃分,有農業機械、林業機械、礦山機械、冶金機械、交通運輸機械、建筑機械、紡織機械、塑料機械、橡膠機械、造紙機械、印刷機械、儀器儀表、工作母機(各類機床)等,也許你還能發現更多的種類。

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機械擁有一個非常龐大的家族,內容廣泛,種類繁多。但古希臘學者希羅關于五種簡單機械棗杠桿、斜面(尖劈)、滑輪、輪與軸、螺旋的理論,至今仍有意義。這里所說的“簡單機械”已經成為一個概念,而不能僅從字面理解為“簡單的機械”。當你聽到或看到“簡單機械”時,一般指的就是指這五種。不要認為它們多么難以理解,兒時的你可能就常以它們為伴,“蹺蹺板”、“滑梯”以及各類玩具中,都有簡單機械的影子。

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杠桿是最基本的簡單機械。杠桿原理是力學與機械的基礎,力的平衡與力矩的平衡是諸多科學研究和工程技術分析中廣泛應用的基本手段之一。細心一點,在各種機械裝置中都能找到杠桿的影子。以最簡單的單支點撬杠為例,支點離重物越近,主動力臂相對越長,你就能用更小的力移動重物。力學之父阿基米德說過:“假如給我一個支點,我就能推動地球”,就非常形象地描述了杠桿省力原理。當然杠桿的作用不僅限于省力,它可以改變施力方向,如桔槔;可以用于放大行程,如伸縮門;也可以用來測量重量,例如秤和天平。

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滑輪巧妙地運用了杠桿原理,把杠桿演化為可以連續轉動的輪子。通過柔軟的繩子將一套動滑輪(軸可以移動)和一套靜滑輪(軸固定)組合成滑輪組,多圈繞合的繩子共同承擔吊物的重量,拉動一根繩子就可以節省數倍的力量,使人們的起重、運輸等工作更加輕松。典型的例子是古代的滑車和現代的吊車。
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摩擦力肯定給古人的運輸工作造成了非常大的麻煩,當某天有一個人在運輸的重物下裝上了可以轉動的輪子,他肯定受到同伴們的熱烈歡呼,其實他并沒有意識到他已經巧妙地利用了摩擦力。輪與軸這種簡單機械可能最早的應用就是車輛?,F在,輪與軸的使用隨處可見,車輪、方向盤、機器的旋紐以及操作手輪等發揮著重要的作用,而各種式樣的輪(齒輪、鏈輪、蝸輪、凸輪、皮帶輪等)與軸更加豐富了機械傳動的內容。
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斜面是實現物體靠自身重力自動移動的好方法,也是將重物運達高處的有效辦法。當你的能力不能使你直接把重物提到高處時,一個斜面就能解決問題,這時,你只需克服重物在斜面方向的分力和摩擦力就行了。兩個斜面所組成的形狀叫做尖劈,它提供了分割物體的基本工具,如刀、斧等。它的作用原理就是力的平行四邊形法則,刀口切入的力分解為垂直兩個斜面的非常大的分割力,把物體分開了。尖劈也可以用于緊固,比如木器的楔子。螺旋就是卷成圓柱狀的斜面,是大幅度節約了占地空間的斜面,它廣泛地應用于機械緊固與傳動中,如螺釘、螺母、絲杠等。
朋友們,正是由于機械對生產與社會發展的重要作用,歷代思想家對它有過不同的思考?!肚f子》中說:“有機械者必有機事,有機事者必有機心。機心存于胸中,則純白不備”。這句可能是“機械”一詞最早出現于古籍中的話,頗令“機械”有些尷尬。其哲學含義雖然可以理解,但是“機械”卻逐漸背上了一個“機巧、巧詐”的惡名。以至于后來封建統治者將其發揮,視大量機械發明為奇技淫巧,嚴重阻礙了機械科學的發展,否則我們就不會有看不到諸如“木牛流馬”之類偉大機械的遺憾了。時光流轉,世事無常,靈巧的機械在近代卻以“呆板,沒有創造力”的含義頻繁出現在人們的口語和文章中,更叫“機械”苦笑不得了。所以,還請青少年朋友不要機械地理解“機械”,“機械”并不機械,“簡單機械”也不簡單。
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