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机器

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James Albert Bonsack发明的卷烟机,在1880年发明,在1881年申请专利
James Albert Bonsack发明的卷烟机,在1880年发明,在1881年申请专利

机器是一件利用能量达到一特定目的的工具装置或者设备,一般用来变换或传递能量物料信息,执行机械运动。机器的动力来源会是机械能热能热机)、电能电机)、磁能或是化学能等。以往机器的定义中需要有可动件,由于电子学的进展,已经可以在没有可动件的情形下传递能量[1]

简单机械是单纯转换的方向或量值的设备,也有许多更复杂的机器,例如车辆、电机系统(如马达发电机等)、分子机器电脑电视收音机等。

历史

温彻斯特发现的燧石手斧
温彻斯特发现的燧石手斧

手斧可能是第一个由人类制造的机器,其作法是将切割燧石来产生的,楔是简单机械的一种,可以将纵向的位移和力转变为横向将物体切开力及位移。

简单机械的概念来自公元前三世纪的阿基米德,他提出的简单机械包括杠杆滑轮螺旋[2][3],并研究了杠杆的力学原理英语mechanical advantage[4][5]

亚历山大希罗(Heron of Alexandria)在其著作《力学》中列出了五种“可以使重物移动”的机械,包括杠杆、轮轴、滑轮、楔及螺旋[3],并且描述其用途及润滑方式[6]。中国古代在香炉中应用了能永保水平位置的十字转架等机件。以上这些反映了当时人类对古典机械的了解只限制在简单机械的静力学上,只考虑力的平衡,不考虑机械的动力学,也不考虑在力和位移之间的取舍,以及的概念。

文艺复兴时期的学者开始研究简单机械的动力学,产生了机械的概念。1586年时佛兰芒工程师西蒙·斯蒂文推导出斜面的机械利益,因此斜面也被列在简单机械中。简单机械的完整动力学理论是由意大利科学家伽利略·伽利莱在1600年的《力学》中提出[7][8]。伽利略是第一个了解简单机械不会创造能量,只会转换能量的人[7]

机械中滑动摩擦的古典定律是由达芬奇(1452–1519)发明,但只留在他的笔记本中没有发表。后来纪晓姆·阿蒙顿英语Guillaume Amontons(1699)再次发现摩擦力的定律,后来夏尔·奥古斯丁·库仑(1785)又作了进一步的发展[9]

分类

机器种类及相关零件
分类 机器
简单机械 斜面轮轴杠杆滑轮螺旋
机械零件 轴承工作斗英语Bucket (machine part)紧固件齿轮滚子链齿轮齿条副油封弹簧
时钟 原子钟手表摆钟石英钟
压缩机 阿基米德式螺旋抽水机唧筒水力活塞英语Hydraulic ram真空泵
热机 外燃机 蒸汽引擎史特林引擎
内燃机 往复式发动机燃气涡轮发动机
热泵 吸附式制冷热电冷却英语Thermoelectric cooling回热冷却英语Regenerative cooling
连杆机构 缩图器英语Pantograph凸轮Peaucellier-Lipkin 连杆英语Peaucellier-Lipkin linkage
涡轮发动机 燃气涡轮发动机喷气发动机蒸汽涡轮发动机水轮机风力发动机风车
翼型 副翼螺旋桨
电子设备 真空管晶体管二极管电阻器电容器电感器忆阻器半导体电脑
机器人 执行器伺服马达伺服机构步进马达电脑
其他 自动贩卖机风洞检重秤英语Check weigher铆接机英语Riveting machines

机械类机器

机械类机器一般是指产生力学能或是利用力学能进行特定任务的机器。

简单机械

1728年百科全书;或艺术与科学通用字典中简单机械的图表[10]。简单机械是许多复杂机械构成的基础
1728年百科全书;或艺术与科学通用字典中简单机械的图表[10]。简单机械是许多复杂机械构成的基础

亚里斯多德提出了将机械分类为一些简单零件的概念,他定义了杠杆滑轮螺旋为简单机械,后来在文艺复兴时期又加入轮轴斜面

引擎

引擎或马达是将能量转换为可应用的机械运动的机器[11][12]。热机是指一些可以将机械能转换为热能的设备,包括内燃机外燃机,利用燃烧燃料来栈产生热能,再利用热能转换为动能,电动机利用电能使机器运动,气动马达的能量来源是压缩空气发条玩具英语Wind-up toy则是利用弹性能,在生物系统中,肌肉中的分子马达(例如肌球蛋白)可以利来化学能来运动。

电机与电子

电机

电机是指一些可以将机械能转换为电能,将电能转换为机械能,或是改变直流电电压交流电电压的电气设备,可分为电动机发电机变压器三大类。

电子电路

电子学集合物理工程技术,主要处理有像真空管晶体管二极管集成电路主动元件电路,以及配合的被动元件。主动元件由于其非线性特性以及可以控制电子流动的能力,因此可以将弱电讯号放大,常应用在资讯处理及信号处理上。而电子元件类似数字开关的动作也可以用在资讯处理上。像印刷电路板、封装及各种通讯基础架构等技术使电路板的机能完整,可以将这许多的零件变成一个可工作的系统

计算机器

电脑储存电荷,并处理电子的流动,而储存及处理的过程也就是资料的处理,参见有限状态机图灵机

查尔斯·巴贝奇在1837年就设计了许多机器,可以计算对数及其他函数,他的差分机是第一台机械式的计算器。这台机器被视为是现在电脑的先驱,不过在查尔斯·巴贝奇有生之年就还无法看到它们问世。

分子机器

分子和蛋白质是生物机能的基础,而相关的研究也引发了分子机器的概念。例如驱动蛋白分子在细胞内运送囊泡,而肌球蛋白使肌肉收缩,这些分子都是由化学物质剌激而有对应的反应。

现在的奈米机械类似传统的机械,设计来执行特定的任务,和上述驱动蛋白肌球蛋白的特性也有不同。奈米科技的研究者正在设法创建分子,可以受某一特定的刺激而反应。

机器元件(机件)

机器是由许多标准化的零件所构成,有些是控制运动方式的零件,例如齿轮组皮带传动链条传动英语chain drive连杆凸轮刹车离合器等,有些则是结构件,例如:框架机件、紧固件或是,也有一些是可以减少摩擦,增加润滑有关的零件,如:轴承油封等。

一些工业机械会有感测器致动器控制器,有些机械会进行工业设计,决定其外壳材质及颜色,以及使用者使用机械的人机界面

机器结构(机构)

机器中控制运动的零件组立称为机构[13][14]。机构一般可以分为齿轮及齿轮组、凸轮及凸轮随动件英语cam follower机构、连杆机构、皮带传动机构或链条传动机构,也有些特殊的机构,像是索引机构,或是刹车离合器等用到摩擦力的机构。

控制器

控制器利用感测器、控制逻辑和致动器来控制机器中特定零件的性能,像蒸气机离心式调速器就是一个例子。控制器的范围很广,从在温度上升时开启冷水阀门的温控器,到车辆的巡航控制系统都可以算是控制器。传统的控制器可能会用许多的继电器组成,但已经被可编程逻辑控制器取代,有些系统会用伺服马达作为致动器,接受电气命令而动作,因此可以作为机器人系统使用。

相关条目

参考资料

  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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