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,「mekhane」[1]),粵文又有叫機器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;令啲嘢能量),並且用機械能嚟去達到某一啲特定嘅目標[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」呢個詞唔衹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嘅結構,例如係電腦[2][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[3][5][6]

簡單機械[編輯]

內文: 簡單機械

概論[編輯]

簡單機械(simple machine)顧名思義,係最簡單嘅嗰幾種機械。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 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[編輯]

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,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,而如果(例如)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。

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,用一條算式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),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:

,當中 係中間條桿(零舍粗嗰條)嘅長度。喺假設咗條桿係剛體嘅情況下, 會係一個常數

噉就有咗一個局部描述成個系統嘅數學模型[17][18][19]

機械效益[編輯]

內文: 機械效益

機械嘅主要價值在於佢哋能夠幫人類「用少啲力做多啲嘢」。一架機械會受到一股力,並且向一個負荷力作功,如果忽略摩擦力所引致嘅作功流失,「作用力施嘅作功」會等如「負荷力受嘅作功」,但係喺現實世界,前者基本上實會細過後者,而作用力同負荷力之間嘅比例就係所謂嘅機械效益(mechanical advantage,簡稱「MA」),即係話:

,當中 係負荷力所受嘅力,而 係施嘅力。

一個人空手做嘢會有一個作功同相應嘅機械效益,而佢用一件機械做嘢都會有一個作功同相應嘅機械效益。一件簡單機械要有人肯用,佢最起碼要能夠令個人做嘢嘅機械效益提升(用嗰件簡單機械做嘢機械效益要高過空手做嘢)。舉個例子說明,有一個工人要推郁一件貨物,佢可以空手推,噉做佢會向件貨物施力,令件嘢郁(件貨同地面之間嘅摩擦力係負荷),噉做會有個機械效益;另一方面,佢又可以擺啲轆喺件貨物下面,再推郁件貨,重點係喺有轆(一種簡單機械)嘅情況下,佢可以用更少嘅力嚟推郁件貨-機械效益高咗,所以轆呢種機械會有人肯用(即係莊子所講嘅「用力甚寡而見功多」[20])。一件設計優良嘅機械會能夠令用佢做嘢嘅機械效益有噉大得噉大,而一部複合機械嘅機械效益係佢每個組成部件各自嘅機械效益乘埋一齊得出嘅數[10][21][22]

功率來源[編輯]

一架俾馬拉緊嘅馬車
內文: 功率來源

一部機械要做嘢,就一定要消耗能量,呢啲能量實要由某啲地方嚟,即係話一部機械一定要有個功率來源(power source)-功率係能量傳遞總量除時間,所以反映咗能量傳遞嘅率。個功率來源會以一定嘅功率傳遞能量俾部機械,令到部機械有能量做佢要做嘅工作。功率來源可以係動物、自然力、或者第啲機械都得[2]

動物[編輯]

一部機械嘅功率來源可以係動物。馬車就係一個好出名嘅例子:一架馬車由多個轆同埋載住乘客嘅車廂等部份組成,但係就噉一架馬車喺平地上面係唔識郁嘅,要有啲嘢俾能量佢先得-如果接駁一隻馬係架馬車前面,隻馬跑嗰陣會有股拉力拉架車向前郁,而隻馬做嘅作功會令到架馬車得到動能(kinetic energy;能量一種,一件物體帶嘅動能同佢嘅速度平方正比;詳情可以睇牛頓力學)。喺人類史上,人亦都有試過用等嘅動物嚟拉郁一啲機械[23]

自然力[編輯]

一部機械可以由大自然嘅力量帶動,例子有:

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睇埋:水車

自然環境當中嘅會流動,而水同風會郁動,就表示佢哋帶有動能,而當水流或者氣流沖向一件物體嗰陣,會或多或少噉令件物體跟住郁-水流同氣流係撞到阻住佢哋流動嘅障礙物嗰陣,會將佢哋一部份嘅動能傳俾佢哋件障礙物,即係話自然環境當中嘅水流同氣流係一個可能嘅功率來源[24][25]

想像以下呢個設計:個設計用咗一個輪軸原理,由一條打橫嘅軸,條軸其中一端駁落去一個能夠旋轉嘅水車(watermill)嗰度,而假設條軸嘅另一端固定咗,除咗旋轉之外唔會郁,當有一股力量夠勁嘅水流流過個水車嗰時,就會俾動能個水車,令到個水車轉動。個工程師跟住可以將呢條曉旋轉嘅輪軸駁落去第部機械嗰度,用由水流嗰度嚟嘅動能帶動第部機械。喺古代,啲小村落好多時會用小型嘅水車帶動屋企入面嘅細機械,好似係磨坊噉,而現代嘅水力發電都係運用咗類似嘅原理,用水流嘅能量帶動機械[24]

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睇埋:風車

風車(windmill)嘅原理同水車大同小異,都係運用自然環境當中嘅某啲嘢嘅流動嚟帶動一個曉旋轉嘅輪軸結構,主要分別在於風車所使用嘅係風嘅動能:風車往往有住同水車好相似嘅設計,喺受到有返噉上下勁嘅風吹嗰時會轉動,而呢股轉動表示股風俾咗動能架風車,而如果將架風車駁落去第啲機械嗰度,就能夠帶動第啲機械跟住郁。風力發電都係用咗噉嘅原理[25]

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睇埋:熱引擎

喺水車同風車嘅例子當中,工程師用咗水同風嘅動能嚟俾動能部機械,但亦都有方法可以由非動能嘅來源嚟俾動能落去機械嗰度。熱引擎(heat engine)就係將熱能轉化做動能嘅引擎,呢種引擎係廿一世紀嘅社會不或可缺,好多發電廠都係用咗將熱能轉化做動能嚟發電嘅[26],例如喺 2014 年,美國有成 85% 嘅電力都係靠蒸氣渦輪產生嘅[27]

想像以下呢個設計:假想而家有一個煙囪,下面有一缸水,缸水下面有個大火爐煲緊啲水,個煙囪上少少嘅地方有個渦輪,個渦輪-好似水車同風車噉-喺有某啲液體或者氣體流過佢嗰陣會旋轉,當缸水滾嗰陣,啲水會變成好熱嘅水蒸氣,蒸氣會向上陞,然後就會向個渦輪施一股力,衹要股力夠勁,個渦輪就會轉-跟住同水車以及風車同一道理,如果將渦輪駁落去某啲機械嗰度,就做到「用熱能帶動一部機械」嘅效果。廿一世紀嘅發電廠好多時就係用一啲大規模嘅蒸氣渦輪(steam turbine),利用上述呢個原理,由燒煤炭或者核能等嘅熱力源嗰度帶動大型渦輪轉動[26][28]

一個蒸氣渦輪嘅旋轉件

第啲機械[編輯]

一部機械仲可以由第部機械帶動:一部蒸氣渦輪嘅旋轉件如果駁落去一部發電機(generator;簡單啲講就係能夠由機械能產生電功率嘅機械),就會產生電,而呢股電能夠透過電纜傳遞到去普通人嘅屋企嗰度。呢股電如果通過一個(例如)電鍋爐,一個普通市民就可以用電流過物體嗰陣時產生嘅熱能嚟煲水-人類由太陽、風、水、同埋各種燃料等嘅自然來源嗰度攞能量,而啲機械因為得到能量而郁,跟住仲一部帶動下一部,形成咗令到現代社會能夠運作嘅機械系統[29]

構件[編輯]

內文: 構件

構件(machine elements)係複合機械最基本嘅組成部份,包括(但唔淨衹有)六大簡單機械,可以分做幾類:負責支撐住部機械嘅結構件(structural component)、負責將力同能量轉化嘅機制(mechanism)、同埋負責令個使用者有得控制部機械嘅控制器(controller)三種。除咗噉之外,架機械嘅形狀同色水都有一定作用,例如係話俾個使用者知部機械係做啲乜嘅[30]

機制[編輯]

睇埋:機制

機制(mechanism)係指喺一部機械當中將力同能量轉化嘅構件,可以分做齒輪、輪系、凸輪、同連杆機構等多種。呢啲構件共通點係能夠改變啲力嘅方向同傳遞能量,令到部機械嘅輸入同輸出之間成某啲特定嘅關係。喺機械工程學上,最常見嘅機制有以下呢幾種[31]

常見嘅機制
機制 定義 作用 抽象圖解 現實例子
齒輪
(gear)
有牙、曉旋轉嘅構造,通常但唔一定呈大致圓形;可以按形狀分做好多種類。而一個由一大柞齒輪連埋一齊形成嘅系統就係所謂嘅輪系(gear train)[32] 輸入:一個旋轉;輸出:另一個旋轉;
用嚟用部機械其中一個部份嘅旋轉,帶動部機械第啲部份一齊跟住旋轉;用行話講嘅話,齒輪嘅作用係傳遞力臂
Anim engrenages helicoidaux.gif Clock Cogs.jpg
凸輪
(cam)
一個某個部份凸起咗嘅轆;又可以按形狀分做好多種。跟住一個凸輪郁嘅打直結構係個凸輪嘅從動件(follower),所以機械工程學有「凸輪同從動件」(cam and follower)一詞[33] 輸入:一個旋轉;輸出:一個直線郁動;
將旋轉性嘅郁動轉化成打直嘅郁動;當一個凸輪因為受輪軸等其他部位影響而旋轉嗰陣,會以一定嘅頻率向一個喺佢側邊嘅直線結構施力,令到嗰個直線結構以一定頻率進行直線郁動。
Nockenwelle ani.gif Camshaft.jpg
連桿機構
(linkage)
若干個彼此之間以關節位連咗埋一齊嘅長條;最常見嘅有平面四連桿機構(four-bar linkage)[34] 限制相連構件嘅郁動:如果兩個構件俾個工程師用連桿機構連埋咗一齊,假設個連桿機構唔變形,嗰兩個構件之間嘅距離同角度會成某啲特定不變嘅幾何關係,例如如果有兩個構件連咗喺同一個連桿機構嘅相鄰關節位,噉假設個連桿機構唔變形,兩個構件之間嘅距離唔會變。 ParallelogramLinkage1 speedVector.gif
例子:平行四邊形連桿
Watt's Linkage Rear Suspension.gif
例子:一個瓦特連桿機構

(pump)
用力嚟令流體(氣體或者液體)移動嘅構件;可以按照所使用嘅力嘅方向等嚟分做好多唔同種[35] 輸入:力;輸出:流體嘅郁動;
用嚟傳遞部機械要用嘅流體。
Gear pump animation.gif
例子:齒輪泵

例子:一個阿基米德螺旋泵
喉嘴
(valve)
靠局部或者完全阻礙管道嚟控制流體流動嘅構件;又係有分好多種類。 輸入:力;輸出:對流體郁動嘅限制;
用嚟俾使用者控制流體嘅流動。
Horizontal ball check valve.jpg
例子:球形止喉嘴
HK Central 畢打行 Pedder House waterpipe valve Dec-2010.jpg
例子:香港中環一個水管喉嘴

結構件[編輯]

滾珠啤令嘅圖解;紅點用嚟顯示旋轉。

結構件(structural component)定義上係指一啲負責確保部機械嘅各部份唔會走位嘅構件:

  • 支架(frame)由桁架等嘅元件組成;
  • 啤令(bearing)起到支撐旋轉體嘅作用,令到郁動嘅部件之間嘅摩擦力減低,例如一個滾珠啤令(ball bearing)涉及用滾珠保持個旋轉構件同一個外殼之間嘅分隔距離[36]
  • 彈弓(spring)可以用嚟令到一個構件唔會偏離本身位置太多或者吊住某啲構件;
  • 機械密封(mechanical seal)可以用嚟確保部機械裏面嘅流體唔會流走;
  • 緊固件(fastener)包括咗螺絲窩釘等,作用在於將部機械嘅唔同構件固定埋一齊。另一方面,要將部機械嘅唔同構件固定埋一齊,仲可以用銲接軟銲、或者膠水等嘅方法。

控制器[編輯]

控制器(controller)包括咗感應器執行器、以及電腦等控制部機械嘅構件,作用在於監察部機械嘅運作以及俾個使用者控制部機械。例如蒸汽機會內置一啲自動調溫器,喺溫度高得滯嗰陣會打開一個喉嘴,等凍水流入去部機械嗰度,令到成部機械嘅溫度大致上處於穩定[37],再複雜啲嘅機械可以內置具有人工智能程式嘅電腦,能夠展現更加複雜嘅自我控制能力,例如係各種內置可程式化邏輯控制器(programmable logic controller)嘅機械噉[38]

運算機械[編輯]

內文: 電子工程電腦

電腦(computer)係指能夠進行算術邏輯運算嘅機械[39][40]。舉個簡單嘅例子說明,想像以下呢個設計:家吓個工程師手上有一柞邏輯門(logic gate;睇埋電晶體),邏輯門係一種電子元件,唔同種類嘅邏輯門有唔同嘅輸入輸出關係,喺收到某啲特定嘅「0」(冇電)同「1」(有電)訊號嗰陣會俾出「0」(冇電)或者「1」(有電)訊號做輸出;例如:

  • 一個簡單嘅異或門(XOR gate)會收兩個輸入,如果兩個輸入值一樣,個門會俾「0」,如果兩個輸入值唔同,個門會俾「1」(A XOR B);
  • 一個簡單嘅與門(AND gate)會收兩個輸入,衹有當兩個輸入都係「1」嗰陣,個門先會俾「1」(A AND B);

然後有咗呢啲元件,一個工程師可以整出以下嘅集成電路[41]

一個半加法器嘅抽象圖解

呢個電路嘅真值表如下:

輸入 輸出
A B C S
0 0 0 0
1 0 0 1
0 1 0 1
1 1 1 0

用日常講嘅話,即係話當 A 同 B 呢兩個輸入都係「0」嗰陣,輸出會係「00」(兩個輸出都冇電);當 A 同 B 是但一個係「1」另一個係「0」嗰陣,輸出會係「01」(得 S 有電);最後,如果兩個輸入都係「1」,噉個輸出會係「10」(得 C 有電)。如果用二進制睇嘅話,上述呢個電路做得到 嘅簡單運算:當兩個輸入都係「0」,,當得其中一個輸入係「1」,,而當兩個輸入都係「1」嗰陣時,,當中「10」喺二進制入面相當於十進制嘅「2」。事實上,呢個電路就係電子工程學上講嘅半加法器(half-adder),憑住唔同種類嘅邏輯門,電子工程師仲能夠砌出做加法、做減法、同埋多種其他運算嘅電路-一部電腦就係用咗大量嘅呢啲電路組成嘅超級運算機械,呢種機械喺廿一世紀嘅社會不可或缺[40][42]

機械設計[編輯]

睇埋:工程學設計過程

設計機械嘅過程同一般嘅工程學設計過程(engineering design process)大致上相同。喺設計機械嘅過程入面,一個工程師嘅目標係要設計出一部能夠最有效噉達到目標嘅機械-當中「目標」可以係「幫工廠盡可能有效率噉生產件產品」、「幫手令架車嘅最大速度提升」、或者「幫手將一啲物體由一個地點移動到去第個地點」呀噉。一般嚟講,設計機械嘅過程如下[43][44][45]

  • 界定問題:個工程師要了解部機械要達到啲乜嘢目標,並且制定好用乜嘢指標嚟量度「部機械係咪達到目標」;
  • 做研究:由其他人嘅經驗當中學習-個工程師要做吓資料搜集,睇吓其他人有冇遇到過類似嘅問題,同埋佢哋係點樣解決個問題嘅;
  • 諗計:諗吓有啲乜嘢可能嘅設計能夠達到目標;
  • 揀好設計:用數學模型模擬吓唔同嘅計仔,睇吓邊個效益最高,揀最好嗰個設計;
  • 發展設計:慢慢噉執個設計,睇吓佢有乜嘢可能嘅漏洞;呢個過程好多時到部機械送咗出去俾個客嗰時都仲做緊;
  • 原型:整一個行得到嘅版本(即係所謂嘅「原型」;prototype)出嚟;
  • 測試同重新設計:測試吓個原型,睇吓呢個設計行起上嚟掂唔掂;好多時個工程師都會發現一啲原先估唔到嘅問題而要做重新設計;
  • 發佈結果:喺個原型進行過多種測試之後,個工程師要整個報告向所相關人員發佈佢嘅結果,跟住啲相關人員就會評估部機械出唔出得街[46]

睇埋[編輯]

Franz Reuleaux 嘅相

參考書[編輯]

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  • Oberg, Erik; Franklin D. Jones; Holbrook L. Horton; Henry H. Ryffel (2000). Christopher J. McCauley; Riccardo Heald; Muhammed Iqbal Hussain (eds.). Machinery's Handbook (30th ed.). New York: Industrial Press Inc. ISBN 9780831130992.
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[編輯]

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