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什么是机器?定义、工作原理与机构机制全解析

机器是用于执行任务的机械/电/电子操作装置。任何具有有序结构与功能特性的物理系统均为机器。可为分子机器,或利用动力施加力、控制运动完成作用的人造装置。

什么是机器?

具有有序结构功能特性的物理系统即机器。或为分子机器,或为利用动力施力控制运动完成物理任务、辅助或替代人畜劳力的人造装置。范围涵盖斜面/杠杆/楔/轮轴/滑轮/螺旋六大简单机械,至现代汽车等复杂系统。

动力源:人畜、风水、化学/热/电能等自然力。包含机构系统将执行器输入转化为特定输出力与运动。亦含计算机/传感器等控制系统监测协调运动。

文艺复兴时期自然哲学家识别出移动负载的六大简单机械,并计算机械优势(输出力/输入力比)。现代机器为结构件、工作机构、控制部件、人机界面组成的复杂系统。

例:车辆(汽车/船/飞机)、家用办公设备(计算机/楼宇水空气处理)、农机、机床、工厂自动化系统与机器人。

机器如何工作?

机器功能:简单如变换传递力与运动;复杂如化学/热/电/核能与机械能互转。每台机器含输入、输出、变换传递装置。

原动机:将自然能(气流/水流/煤/石油/铀)转化为机械能。如蒸汽机、内燃机、透平、风车、水轮。输入多变,输出常为旋转轴,可作为压缩机/液压泵/发电机输入。后三者输出电/液/气能,可作电/液/气马达输入,统称发电机。

马达驱动缝纫机/洗衣机及物料加工/包装/运输设备。上述及非原动机/发电机/马达的设备均为作动器。手动设备(计算器/打字机)亦属此类。

多类机器可集成单元。柴油电力机车:柴油机为原动机驱动发电机,发电机供电驱动轮电机。

机器的机构机制

机器传递变换力与运动。机构指零部件相互作用与约束方式,将特定输入运动转化为所需输出运动。往复发动机中,活塞-连杆-曲柄机构将活塞直线运动转为曲柄旋转运动。

力与运动均涉及机器运作,但主要功能或为放大力、或为改变运动。变速箱常作减速器,杠杆本质放大力。但机器运动与力成反比且相互依存:杠杆输出力大于输入力,输出位移小于输入位移;减速器输出转速低于输入,输出扭矩大于输入。前者得力失动,后者得扭矩失速。

虽可识别部分机器主功能,但难将所有机器二分为力/运动变换器;部分兼具。但所有机器必改变运动——若部件静止则为结构非机器。

小结

机器传递变换力与运动。机构描述零部件协作将特定输入运动转化为所需输出运动。往复发动机活塞-连杆-曲柄机构将直线运动转旋转运动。机器是辅助/替代人畜劳力完成物理任务的特定功能工具。本文解答机器定义、工作原理、机构机制三核心问题。

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