人類在(zài)勞(láo)動(dòng)實(shí)踐中創造了生產工具,最早發明的一些簡單(dān)工具後(hòu)來演變成為簡單機械,它包括劈、斜麵、螺旋、杠杆和滑輪(lún)等。在中國戰國時期(qī)的著作《墨經》中和古希臘阿基米德的著作中都有關(guān)於簡單機械及其力學原理的論(lùn)述。
機械利益 起初人們應用簡(jiǎn)單機(jī)械主要是為了獲得機械利益,即用小的力來獲得大的力(lì),或稱為(wéi)增力。如稱施於機械上的驅動力(lì)為輸入(rù)力,從機械所獲得的有用力為輸出力,則機械利益定義為輸出力與輸入力的比值。除了能改變力的(de)大小外,有時為了改變作用力的方向或(huò)作用點的位置而(ér)應用(yòng)簡(jiǎn)單機械。此外,有(yǒu)時為(wéi)了增大位移而應用簡單機械。例如,儀(yí)表的指針、鑷子等,在這種情況下,輸入力大於輸出力(lì)。
簡(jiǎn)單(dān)機械工作時處於靜止或低速運動狀態,分析其工作原理時,可以應用力和力矩(jǔ)的平衡條件求得輸入力和輸出力之間的(de)關係式,此關係式(shì)中包含(hán)有簡單機械(xiè)的幾何(hé)參數,例如劈的楔角、斜麵的傾角、螺旋的螺(luó)紋導角、杠杆支點到力的作用點的距離和(hé)滑輪的半徑等。如根據這種關係式來改變簡單機械的幾何參數,可以使小的(de)(或大的)輸入力與大的(de)(或小的)輸(shū)出力相平衡。
機械(xiè)功原理 當簡單機械工作時,可(kě)將它(tā)的運動分為平(píng)動和轉動,對這兩種(zhǒng)不同形式的(de)運動可(kě)用不同的方法來計算力所(suǒ)做的功;平動時用力的大(dà)小與力(lì)的作(zuò)用(yòng)點沿(yán)力作用線的方向所移動的距離的乘(chéng)積來計算;轉動時用力矩的大小與繞力矩(jǔ)轉軸所轉動的(de)轉角的乘積計算。在(zài)一般情形下,輸入力做的功為正值,稱為輸入功;輸出(chū)力做的功為負值,稱為輸出功。如不考慮摩擦所消耗的功(例如杠杆和滑輪等),當簡單機械處於平衡狀態時,輸入功與輸出功的代數和為零,或輸入功與輸出功的大小(xiǎo)相等,這稱為機械功原理。這說明簡單機(jī)械雖可省力但不能省功。輸(shū)入力小,但其作用點移動距離大;輸出力大,但其作用點移動(dòng)距離小。所謂力(lì)學的“黃金律”:“得之於力者(zhě),失之於速度。”早在16世紀當伽利(lì)略研究斜麵上重物平衡問題時已經發現(xiàn),這就是從實(shí)踐中(zhōng)總結(jié)出來的機械功原理。
研究斜麵和螺旋等簡單機械時,應考慮摩擦力(見摩擦)所消耗的功。這時機械功原理表示為:輸入功、輸出(chū)功和摩擦力所消耗(hào)的功的代數和為(wéi)零。輸出功的值小(xiǎo)於輸入功的值(zhí)。輸(shū)出功與輸入功的比值稱為機械效率。有摩擦時,機械效率總小於1。
簡單機械的應用 簡單機械(xiè)雖(suī)然十分古老,但它在現代各種機械和儀器中仍然被廣(guǎng)泛采用。在(zài)許多機器中都可以找到不同形式的簡單機械或(huò)由簡單機械演變而來的各種機械。典型實例(lì)之一如材(cái)料強度試驗機中的螺旋(xuán)加載裝置(zhì)、楔形夾(jiá)持器具、杠杆與滑(huá)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來,夾具多由劈與斜麵(miàn)演變而來,絲(sī)杠則是螺旋的直(zhí)接應用。在物料運輸和提升的裝置和設備中(zhōng),斜麵和螺旋的應(yīng)用更為普遍。這些實例說明:簡單機械是現代機械的基礎之一(yī)。