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机器 (3394 views - Mechanism & Kinematics)

機器是一件利用能量達到一特定目的的工具、裝置或者設備,一般用來變換或傳遞能量,物料和信息,執行機械運動。機器的動力來源會是機械能、熱能(熱機)、電能(電機)、磁能或是化學能等。以往機器的定義中需要有可動件,由於電子學的進展,已經可以在沒有可動件的情形下傳遞能量。 簡單機械是單純轉換力的方向或量值的設備,也有許多更複雜的機器,例如車輛、電機系統(如馬達、發電機等)、分子機器、電腦、電視及收音機等。
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机器

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机器

機器是一件利用能量達到一特定目的的工具裝置或者設備,一般用來變換或傳遞能量物料信息,執行機械運動。機器的動力來源會是機械能熱能熱機)、電能電機)、磁能或是化學能等。以往機器的定義中需要有可動件,由於電子學的進展,已經可以在沒有可動件的情形下傳遞能量[1]

簡單機械是單純轉換的方向或量值的設備,也有許多更複雜的機器,例如車輛、電機系統(如馬達發電機等)、分子機器電腦電視收音機等。

歷史

手斧可能是第一個由人類制造的机器,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]。中國古代在香爐中應用了能永保水平位置的十字轉架等機件。以上這些反映了當時人類對古典機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。後來紀曉姆·阿蒙頓英语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]

分類

機器種類及相關零件
分類 機器
簡單機械 斜面輪軸槓桿滑輪螺旋
機械零件 軸承工作斗英语Bucket (machine part)緊固件齿轮英语Key (engineering)滾子鏈齿轮齿条副油封弹簧
時鐘 原子鐘手錶擺鐘石英鐘
压缩机 阿基米德式螺旋抽水機唧筒水力活塞英语Hydraulic ram真空泵
熱機 外燃機 蒸汽引擎史特林引擎
內燃機 往复式发动机燃氣渦輪發動機
熱泵 吸附式制冷热电冷却英语Thermoelectric cooling回熱冷卻英语Regenerative cooling
連杆機構 縮圖器英语Pantograph凸轮Peaucellier-Lipkin 連桿英语Peaucellier-Lipkin linkage
渦輪發動機 燃氣渦輪發動機喷气发动机蒸汽渦輪發動機水轮机風力發動機風車
翼型 副翼螺旋槳
電子設備 真空管電晶體二極體電阻器電容器電感器憶阻器半導體電腦
機器人 执行器伺服馬達伺服機構步進馬達電腦
其他 自動販賣機風洞檢重秤英语Check weigher铆接机英语Riveting machines

機械類機器

機械類機器一般是指產生力學能或是利用力學能進行特定任務的機器。

簡單機械

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,後來在文藝復興時期又加入輪軸斜面

引擎

引擎或馬達是將能量轉換為可應用的機械運動的機器[11][12]。熱機是指一些可以將機械能轉換為熱能的設備,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器運動,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,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。

電機與電子

電機

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。

電子電路

電子學集合物理工程技術,主要處理有像真空管電晶體二極體積體電路主動元件電路,以及配合的被動元件。主動元件由於其非線性特性以及可以控制電子流動的能力,因此可以將弱電訊號放大,常應用在資訊處理及信號處理上。而電子元件類似數字開關的動作也可以用在資訊處理上。像印刷電路板、封裝及各種通訊基礎架構等技術使電路板的機能完整,可以將這許多的零件變成一個可工作的系統

計算機器

電腦儲存電荷,並處理電子的流動,而儲存及處理的過程也就是資料的處理,參見有限狀態機圖靈機

查爾斯·巴貝奇在1837年就設計了許多機器,可以計算對數及其他函數,他的差分機是第一台機械式的計算器。這台機器被視為是現在電腦的先驅,不過在查爾斯·巴貝奇有生之年就還無法看到它們問世。

分子機器

分子和蛋白質是生物機能的基礎,而相關的研究也引發了分子機器的概念。例如驅動蛋白分子在細胞內運送囊泡,而肌球蛋白使肌肉收縮,這些分子都是由化學物質剌激而有對應的反應。

現在的奈米機械類似傳統的機械,設計來執行特定的任務,和上述驅動蛋白肌球蛋白的特性也有不同。奈米科技的研究者正在設法創建分子,可以受某一特定的刺激而反應。

機器元件(機件)

機器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,例如齒輪組皮帶傳動鏈條傳動英语chain drive連桿凸輪剎車離合器等,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

機器結構(機構)

機器中控制運動的零件組立稱為機構[13][14]。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

控制器利用感測器、控制邏輯和致動器來控制機器中特定零件的性能,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。

相關條目

參考資料

  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: 245. 2004 [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. ^ Dictionary.com: (World heritage) "3. any device that converts another form of energy into mechanical energy to produce motion"
  13. ^ Reuleaux, F., 1876 The Kinematics of Machinery, (trans. and annotated by A. B. W. Kennedy), reprinted by Dover, New York (1963)
  14. ^ J. J. Uicker, G. R. Pennock, and J. E. Shigley, 2003, Theory of Machines and Mechanisms, Oxford University Press, New York.


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