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机械漫谈工程师为机械下定义

2021-08-30 来源:唐山农业机械网

“机械”漫谈:工程师为机械下定义

对于机械,可能朋友都有一些简单的了解,因为它时时刻刻包围在你的身边。正因为如此,它经常被我们不经意间忽略掉。清早醒来,打开窗户,你已经无意中启动了连杆机构;抬起手腕,看看时间,你也许不会意识到其中的齿轮传动;跨上爱车,匆匆赶路,你又能否想起链传动和摩擦力的作用呢?实际上,在我们的生活和工作中,机械无处不在。穿衣离不了纺织机械,吃饭离不了食品机械,住房离不了工程机械,出行离不了交通机械,上天入地样样离不了机械。正是1840年英国工业革命开辟了机械时代,才使我们的世界有了飞速的发展。

也许有人会说,我们已经进入了信息时代,机械时代的辉煌已经过去,机械过时了。我请朋友们记住,机械是永远的基础,任何高新技术离不开机械的依托,更何况机械本身的高新技术?诸如计算机辅助技术(CAD/CAPP/CAM)、集成制造系统(CIMS)、微机械、仿生机械以及机器人技术等正在日新月异地发展,更适用的、更精密的、更高效的各类机械不断地被开发出来。所以,青少年朋友在学习各方面知识的同时,千万不要忽略机械知识的积累,否则当你为实现某种设想而苦于机械知识的贫乏时,就会后悔平日的粗心了。

什么是机械呢?许多中外机械专家都给它下过不同的定义,由于机械的内容非常广泛,要下一个简明的定义很难。这里我们也无意探讨其学科定义,青少年朋友如果感兴趣,可以查阅有关书籍,那些定义一般很长。一台单一的机器可以称作机械;一套复杂的成套设备也是机械;一个机件可以称作机械,多个构件组成的实现各种运动形式的机构也是机械。简单地说,机械就是实现某些工作任务的装备或器具,也是机器和机构的总称、泛称。

机械始于工具,工具即是简单的机械。人类最初制造的工具是石器,如石刀、石斧、石锤等。随着时代发展和社会进步,人类依靠自己的智慧使工具在种类、材料、工艺、性能等方面不断丰富、完善并日趋复杂,现代各种精密复杂的机械都是从古代简单的工具逐步发展而来的。

我国古代有许多机械发明,为社会的发展进步做出了卓越的贡献,有些机械甚至至今还在发挥着作用。最典型的古代机械有桔槔、辘轳、翻车、筒车等提水机械;连机碓、水转连磨、水转大纺车等水力机械;指南车、计里鼓车以及各类车船交通机械;浑仪、简仪、水运仪象台、地动仪、铜壶滴漏等天文、观测和计时机械;耕、犁、耧车、扇车等农业机械;缫车、纺车、织机等纺织机械;弓、弩、发石机等军事机械;还有铸造、锻造、表面处理、切削加工等各种加工技术和加工机械,等等。这些机械与技术无一不透露出古代劳动人民的智慧和创造力。

现代机械涵盖的范围更加广泛。按照能量转换角度划分,有动力机械,它把各种能源转换为便于利用的机械能,如风力机、汽轮机、内燃机、汽油机、电动机、液压马达、气动马达等;有能量变换机械,它把机械能转换为其他能源形式,如发电机、热泵、液压泵、压缩机等;还有工作机械,它利用人力、畜力和动力机械提供的机械能来改变工作对象状态和位置,如造纸机械、粉碎机械、物料搬运机械等。如果按照产业领域划分,有农业机械、林业机械、矿山机械、冶金机械、交通运输机械、建筑机械、纺织机械、塑料机械、橡胶机械、造纸机械、印刷机械、仪器仪表、工作母机(各类机床)等,也许你还能发现更多的种类。

机械拥有一个非常庞大的家族,内容广泛,种类繁多。但古希腊学者希罗关于五种简单机械?杠杆、斜面(尖劈)、滑轮、轮与轴、螺旋的理论,至今仍有意义。这里所说的“简单机械”已经成为一个概念,而不能仅从字面理解为“简单的机械”。当你听到或看到“简单机械”时,一般指的就是指这五种。不要认为它们多么难以理解,儿时的你可能就常以它们为伴,“跷跷板”、“滑梯”以及各类玩具中,都有简单机械的影子。

杠杆是最基本的简单机械。杠杆原理是力学与机械的基础,力的平衡与力矩的平衡是诸多科学研究和工程技术分析中广泛应用的基本手段之一。细心一点,在各种机械装置中都能找到杠杆的影子。以最简单的单支点撬杠为例,支点离重物越近,主动力臂相对越长,你就能用更小的力移动重物。力学之父阿基米德说过:“假如给我一个支点,我就能推动地球”,就非常形象地描述了杠杆省力原理。当然杠杆的作用不仅限于省力,它可以改变施力方向,如桔槔;可以用于放大行程,如伸缩门;也可以用来测量重量,例如秤和天平。

滑轮巧妙地运用了杠杆原理,把杠杆演化为可以连续转动的轮子。通过柔软的绳子将一套动滑轮(轴可以移动)和一套静滑轮(轴固定)组合成滑轮组,多圈绕合的绳子共同承担吊物的重量,拉动一根绳子就可以节省数倍的力量,使人们的起重、运输等工作更加轻松。典型的例子是古代的滑车和现代的吊车。

摩擦力肯定给古人的运输工作造成了非常大的麻烦,当某天有一个人在运输的重物下装上了可以转动的轮子,他肯定受到同伴们的热烈欢呼,其实他并没有意识到他已经巧妙地利用了摩擦力。轮与轴这种简单机械可能最早的应用就是车辆。现在,轮与轴的使用随处可见,车轮、方向盘、机器的旋纽以及操作手轮等发挥着重要的作用,而各种式样的轮(齿轮、链轮、蜗轮、凸轮、皮带轮等)与轴更加丰富了机械传动的内容。

斜面是实现物体靠自身重力自动移动的好方法,也是将重物运达高处的有效办法。当你的能力不能使你直接把重物提到高处时,一个斜面就能解决问题,这时,你只需克服重物在斜面方向的分力和摩擦力就行了。两个斜面所组成的形状叫做尖劈,它提供了分割物体的基本工具,如刀、斧等。它的作用原理就是力的平行四边形法则,刀口切入的力分解为垂直两个斜面的非常大的分割力,把物体分开了。尖劈也可以用于紧固,比如木器的楔子。螺旋就是卷成圆柱状的斜面,是大幅度节约了占地空间的斜面,它广泛地应用于机械紧固与传动中,如螺钉、螺母、丝杠等。

朋友们,正是由于机械对生产与社会发展的重要作用,历代思想家对它有过不同的思考。《庄子》中说:“有机械者必有机事,有机事者必有机心。机心存于胸中,则纯白不备”。这句可能是“机械”一词最早出现于古籍中的话,颇令“机械”有些尴尬。其哲学含义虽然可以理解,但是“机械”却逐渐背上了一个“机巧、巧诈”的恶名。以至于后来封建统治者将其发挥,视大量机械发明为奇技淫巧,严重阻碍了机械科学的发展,否则我们就不会有看不到诸如“木牛流马”之类伟大机械的遗憾了。时光流转,世事无常,灵巧的机械在近代却以“呆板,没有创造力”的含义频繁出现在人们的口语和文章中,更叫“机械”苦笑不得了。所以,还请青少年朋友不要机械地理解“机械”,“机械”并不机械,“简单机械”也不简单。

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