人類在勞動(dòng)實踐中創造了生(shēng)產工具,最早發明的一些簡單(dān)工具後來(lái)演變成(chéng)為簡單機械,它包括劈、斜麵、螺旋、杠杆和滑(huá)輪等。在中國戰國時期的著作《墨經(jīng)》中和古希臘阿(ā)基(jī)米德的著作中都有關於簡單機械及其力學原(yuán)理的論(lùn)述。
機械利益 起初人們(men)應用簡單機械主要是為了獲得機械利益,即用小的力(lì)來獲得(dé)大的(de)力,或稱為增力。如稱施於(yú)機械上的驅動(dòng)力為輸入力,從機械(xiè)所獲得(dé)的(de)有用力為輸出力,則機械利益定義為輸(shū)出力與輸入力(lì)的比值。除了能改變力(lì)的(de)大小(xiǎo)外,有時為了改變作用(yòng)力的方向(xiàng)或作用點的位置而應用簡單機械。此外,有時為了增大位(wèi)移(yí)而應(yīng)用簡單機(jī)械。例如,儀表的指針、鑷子等,在這種情況下,輸入力大於輸出力。
簡單(dān)機械工作時處於靜止或低速運動狀態,分析其工(gōng)作原理時,可以應(yīng)用力和力矩的平衡條件求得(dé)輸入力(lì)和輸出力之間(jiān)的關係式,此關係式中包含(hán)有簡單機械(xiè)的幾何參數(shù),例如劈的楔角、斜麵的傾角、螺旋的螺紋導角、杠杆支點到(dào)力的作用點的距(jù)離和滑輪的半(bàn)徑等。如根據這種關係式來改(gǎi)變簡單機械的(de)幾何參(cān)數(shù),可以使小的(或大的)輸入力與大的(或小的)輸出力相平衡。
機(jī)械功原理 當簡(jiǎn)單機械工作時,可將它的運動分為平動和轉動,對這兩種不同形式的運動可用不同的(de)方法來計算力所做的(de)功;平動時(shí)用力的(de)大小與力的作用點沿力作用線的方(fāng)向所移動的(de)距離(lí)的乘積來計算(suàn);轉動時用力矩(jǔ)的大小與繞力矩轉軸所轉動的轉(zhuǎn)角的乘積計算。在一(yī)般情(qíng)形下(xià),輸入力做的功(gōng)為正值(zhí),稱為輸入功;輸出力(lì)做的功為(wéi)負值,稱為輸出功。如不考慮摩擦所消耗的(de)功(例如杠(gàng)杆和滑輪等),當簡單機械處於平衡狀(zhuàng)態時,輸入(rù)功與輸(shū)出功的代數和為零,或輸入功與輸出功的大小相等,這稱為機械功(gōng)原理。這說明簡單機械雖可省力但不能省功。輸入力小,但其作用點移動距離大;輸出力大,但(dàn)其作用點移動距離(lí)小。所謂力學的“黃金律”:“得之(zhī)於力者,失之於速度。”早在16世紀當伽利略研究斜麵上重物平衡問題時已經發(fā)現,這就是從實踐(jiàn)中總結出來的機械功原理。
研究斜麵和螺旋等簡單機械(xiè)時,應考慮摩擦力(見摩擦)所消耗的功(gōng)。這時機械功原理表示為:輸入功、輸出功和摩擦力所(suǒ)消耗的功的代數和為零。輸出功的值小於輸入功的值。輸出功與輸(shū)入功的比值稱為機械效率。有摩(mó)擦時,機械效率總(zǒng)小於1。
簡單機械的應用 簡單機械雖然十分(fèn)古老,但(dàn)它在(zài)現代各種機械和(hé)儀器中仍(réng)然被(bèi)廣泛采用。在許多機器中都(dōu)可以找到不同(tóng)形式的簡(jiǎn)單機(jī)械或由簡單機械演(yǎn)變而來的各種機械。典型(xíng)實例之一如(rú)材料(liào)強度試驗機中的螺旋加載裝置(zhì)、楔形夾持(chí)器具、杠杆(gǎn)與滑輪組成的記錄裝置等。金屬切削機床中的操縱手把多由杠杆演變而(ér)來,夾具(jù)多(duō)由劈與斜麵演變而來,絲杠則是螺旋的直接應用。在物料運輸和提升的裝置和設備中,斜麵和螺旋的應用更為普遍。這些(xiē)實例說明:簡單機械是(shì)現代機械的基礎之一。