stringtranslate.com

Машина

Ассортимент оборудования, обслуживаемого рабочими на машиностроительном заводе Láng в Будапеште , Венгрия, 1977 г.

Машина — это физическая система, которая использует мощность для приложения сил и управления движением для выполнения действия. Этот термин обычно применяется к искусственным устройствам, таким как те, которые используют двигатели или моторы , но также и к естественным биологическим макромолекулам, таким как молекулярные машины . Машины могут приводиться в движение животными и людьми , естественными силами, такими как ветер и вода , а также химической , тепловой или электрической энергией и включают в себя систему механизмов , которые формируют входной сигнал привода для достижения определенного приложения выходных сил и движения. Они также могут включать в себя компьютеры и датчики, которые отслеживают производительность и планируют движение, часто называемые механическими системами .

Натурфилософы эпохи Возрождения выделили шесть простых машин , которые были элементарными устройствами, приводящими груз в движение, и вычислили отношение выходной силы к входной силе, известное сегодня как механическое преимущество . [1]

Современные машины представляют собой сложные системы, состоящие из структурных элементов, механизмов и компонентов управления, а также включают интерфейсы для удобного использования. Примерами являются: широкий спектр транспортных средств , таких как поезда , автомобили , лодки и самолеты ; бытовая техника в доме и офисе, включая компьютеры, системы обработки воздуха и воды в зданиях ; а также сельскохозяйственная техника , станки и системы автоматизации производства и роботы .

Этимология

Английское слово machine пришло через среднефранцузский язык от латинского machina , [2] которое в свою очередь происходит от греческого ( дор. μαχανά makhana , ион. μηχανή mekhane 'устройство, машина, двигатель', [3] производное от μῆχος mekhos 'означает, целесообразный, средство' [4] ). [5] Слово mechanical (греч. μηχανικός ) происходит от тех же греческих корней. Более широкое значение 'ткань, структура' встречается в классической латыни, но не в греческом употреблении. Это значение встречается в позднесредневековом французском языке и было заимствовано из французского в английский язык в середине 16 века.

В XVII веке слово machine также могло означать схему или заговор, значение, которое теперь выражается производной махинацией. Современное значение развивается из специализированного применения термина к сценическим машинам, используемым в театре , и к военным осадным машинам , как в конце XVI, так и в начале XVII века. OED прослеживает формальное, современное значение в Lexicon Technicum Джона Харриса ( 1704), в котором есть:

Машина или двигатель в механике — это все, что имеет силу, достаточную для того, чтобы поднять или остановить движение тела. Простые машины обычно считаются шестью, а именно: балансир, рычаг, шкив, колесо, клин и винт. Сложные машины или двигатели бесчисленны.

Слово «двигатель», используемое в качестве (почти) синонима как Харрисом, так и в более поздних языках, в конечном итоге (через старофранцузский ) происходит от латинского ingenium — «изобретательность, изобретение».

История

В Винчестере был найден кремневый топор .

Ручной топор , сделанный путем расщепления кремня в клин , в руках человека преобразует силу и движение инструмента в поперечное раскалывающее усилие и движение заготовки. Ручной топор является первым примером клина , старейшего из шести классических простых машин , на которых основано большинство машин. Второй древнейшей простой машиной была наклонная плоскость (рампа), [6] которая использовалась с доисторических времен для перемещения тяжелых предметов. [7] [8]

Остальные четыре простых машины были изобретены на древнем Ближнем Востоке . [9] Колесо , наряду с колесно-осевым механизмом , было изобретено в Месопотамии (современный Ирак) в 5-м тысячелетии до н. э. [10] Рычажный механизм впервые появился около 5000 лет назад на Ближнем Востоке , где он использовался в простых весах , [11] и для перемещения крупных объектов в древнеегипетской технологии . [12] Рычаг также использовался в водоподъемном устройстве шадуф , первой крановой машине, которая появилась в Месопотамии около  3000 г. до н. э. , [11] а затем в древнеегипетской технологии около  2000 г. до н. э . [13] Самые ранние свидетельства использования шкивов относятся к Месопотамии в начале 2-го тысячелетия до н. э., [14] и Древнему Египту во времена Двенадцатой династии (1991-1802 гг. до н. э.). [15] Винт , последний из простых изобретенных механизмов, [16] впервые появился в Месопотамии в неоассирийский период (911–609) до н. э. [14] Египетские пирамиды были построены с использованием трех из шести простых механизмов: наклонной плоскости, клина и рычага. [17]

Три из простых машин были изучены и описаны греческим философом Архимедом около 3-го века до н. э.: рычаг, блок и винт. [18] [19] Архимед открыл принцип механического преимущества в рычаге. [20] Позднее греческие философы определили классические пять простых машин (исключая наклонную плоскость) и смогли приблизительно рассчитать их механическое преимущество. [1] Герон Александрийский ( ок.  10–75 гг. н. э.) в своей работе «Механика» перечисляет пять механизмов, которые могут «приводить груз в движение»: рычаг, ворот , блок, клин и винт, [19] и описывает их изготовление и использование. [21] Однако понимание греков было ограничено статикой (балансом сил) и не включало динамику (компромисс между силой и расстоянием) или концепцию работы . [ необходима ссылка ]

Эта машина для дробления руды приводится в действие водяным колесом.

Самые ранние практические машины, работающие на ветре , ветряная мельница и ветряной насос , впервые появились в мусульманском мире во время исламского Золотого века , на территории современных Ирана, Афганистана и Пакистана, в IX веке нашей эры. [22] [23] [24] [25] Самой ранней практической паровой машиной был паровой домкрат, приводимый в движение паровой турбиной , описанный в 1551 году Таки ад-Дином Мухаммадом ибн Маруфом в Османском Египте . [26] [27]

Хлопкоочистительная машина была изобретена в Индии в 6 веке нашей эры, [28] а прялка была изобретена в исламском мире в начале 11 века, [29] оба они были основополагающими для роста хлопковой промышленности . Прялка также была предшественником прялки «Дженни» . [30]

Самые ранние программируемые машины были разработаны в мусульманском мире. Музыкальный секвенсор , программируемый музыкальный инструмент , был самым ранним типом программируемой машины. Первым музыкальным секвенсором был автоматизированный флейтист , изобретенный братьями Бану Муса , описанный в их «Книге гениальных устройств » в IX веке. [31] [32] В 1206 году Аль-Джазари изобрел программируемые автоматы / роботов . Он описал четырех музыкантов- автоматов , включая барабанщиков, управляемых программируемой драм-машиной , где их можно было заставить играть разные ритмы и разные барабанные паттерны. [33]

В эпоху Возрождения динамика механических сил , как называли простые машины, начала изучаться с точки зрения того, сколько полезной работы они могли выполнить, что в конечном итоге привело к новой концепции механической работы . В 1586 году фламандский инженер Симон Стевин вывел механическое преимущество наклонной плоскости, и оно было включено в число других простых машин. Полная динамическая теория простых машин была разработана итальянским ученым Галилео Галилеем в 1600 году в Le Meccaniche («О механике»). [34] [35] Он был первым, кто понял, что простые машины не создают энергию , они просто преобразуют ее. [34]

Классические правила трения скольжения в машинах были открыты Леонардо да Винчи (1452–1519), но остались неопубликованными в его записных книжках. Они были заново открыты Гийомом Амонтоном (1699) и далее развиты Шарлем-Огюстеном де Кулоном (1785). [36]

Джеймс Уатт запатентовал свой механизм параллельного движения в 1782 году, что сделало паровую машину двойного действия практичной. [37] Паровая машина Болтона и Уатта и более поздние конструкции приводили в действие паровозы , пароходы и фабрики .

Машина Бонсака
Машинка для скручивания сигарет Джеймса Альберта Бонсака была изобретена в 1880 году и запатентована в 1881 году.

Промышленная революция была периодом с 1750 по 1850 год, когда изменения в сельском хозяйстве, производстве, горнодобывающей промышленности, транспорте и технологиях оказали глубокое влияние на социальные, экономические и культурные условия того времени. Она началась в Соединенном Королевстве , затем впоследствии распространилась по всей Западной Европе , Северной Америке , Японии и, в конечном итоге, по всему остальному миру.

Начиная с конца XVIII века, в некоторых частях Великобритании , где до этого использовался ручной труд и тягловая сила животных, начался переход к машинному производству. Он начался с механизации текстильной промышленности, развития технологий производства железа и возросшего использования очищенного угля . [38]

Простые машины

В «Энциклопедии» Чемберса (1728) есть таблица простых механизмов. [39] Простые машины предоставляют «словарь» для понимания более сложных машин.

Идея о том, что машину можно разложить на простые подвижные элементы, привела Архимеда к определению рычага , блока и винта как простых машин . К эпохе Возрождения этот список увеличился, включив колесо и ось , клин и наклонную плоскость . Современный подход к характеристике машин фокусируется на компонентах, которые обеспечивают движение, известных как суставы .

Клин (ручной топор): Возможно, первым примером устройства, предназначенного для управления мощностью, является ручной топор , также называемый двусторонним и Olorgesailie . Ручной топор изготавливается путем скалывания камня, как правило, кремня, для формирования двустороннего лезвия или клина . Клин — это простая машина, которая преобразует боковую силу и движение инструмента в поперечную силу раскалывания и движение заготовки. Доступная мощность ограничена усилием человека, использующего инструмент, но поскольку мощность является произведением силы и движения, клин усиливает силу, уменьшая движение. Это усиление или механическое преимущество представляет собой отношение входной скорости к выходной скорости. Для клина это определяется как 1/tanα, где α — угол наклона острия. Грани клина моделируются как прямые линии, образуя скользящее или призматическое соединение .

Рычаг: Рычаг — еще одно важное и простое устройство для управления силой. Это тело, которое вращается вокруг точки опоры. Поскольку скорость точки, удаленной от точки опоры, больше скорости точки, расположенной вблизи точки опоры, силы, приложенные вдали от точки опоры, усиливаются вблизи точки опоры за счет соответствующего уменьшения скорости. Если a — расстояние от точки опоры до точки приложения входной силы, а b — расстояние до точки приложения выходной силы, то a/b — механическое преимущество рычага. Точка опоры рычага моделируется как шарнирное или вращательное соединение .

Колесо: Колесо является важной ранней машиной, такой как колесница . Колесо использует закон рычага для уменьшения силы, необходимой для преодоления трения при тяге груза. Чтобы увидеть это, обратите внимание, что трение, связанное с тягой груза по земле, примерно такое же, как трение в простом подшипнике, который поддерживает груз на оси колеса. Однако колесо образует рычаг, который увеличивает тяговую силу, так что она преодолевает сопротивление трения в подшипнике.

Иллюстрация четырехзвенного шарнирного механизма из «Кинематики машин», 1876 г.
В «Кинематике машин» (1876) приведена иллюстрация четырехзвенного шарнирного механизма .

Классификация простых машин , обеспечивающая стратегию проектирования новых машин, была разработана Францем Рело , который собрал и изучил более 800 элементарных машин. [40] Он признал, что классические простые машины можно разделить на рычаг, блок, колесо и ось, которые образованы телом, вращающимся вокруг шарнира, и наклонную плоскость, клин и винт, которые также представляют собой блок, скользящий по плоской поверхности. [41]

Простые машины являются элементарными примерами кинематических цепей или связей , которые используются для моделирования механических систем , начиная от парового двигателя и заканчивая роботами-манипуляторами. Подшипники, которые образуют точку опоры рычага и которые позволяют колесу, оси и шкивам вращаться, являются примерами кинематической пары, называемой шарнирным соединением. Аналогично, плоская поверхность наклонной плоскости и клин являются примерами кинематической пары, называемой скользящим соединением. Винт обычно идентифицируется как его собственная кинематическая пара, называемая винтовым соединением.

Это понимание показывает, что именно суставы или соединения, которые обеспечивают движение, являются основными элементами машины. Начиная с четырех типов суставов, вращающегося сустава, скользящего сустава, кулачкового сустава и зубчатого сустава, а также связанных с ними соединений, таких как кабели и ремни, можно понять машину как сборку твердых частей, которые соединяют эти суставы, называемые механизмом . [ 42]

Два рычага, или кривошипа, объединяются в плоскую четырехзвенную связь путем присоединения звена, которое соединяет выход одного кривошипа с входом другого. Дополнительные звенья могут быть присоединены для формирования шестизвенной связи или последовательно для формирования робота. [42]

Механические системы

Паровой двигатель Болтона и Уатта
Паровая машина Болтона и Уатта, 1784 г.

Механическая система управляет мощностью для выполнения задачи, которая включает в себя силы и движение. Современные машины представляют собой системы, состоящие из (i) источника питания и приводов , которые генерируют силы и движение, (ii) системы механизмов , которые формируют вход привода для достижения определенного приложения выходных сил и движения, (iii) контроллера с датчиками, которые сравнивают выход с целью производительности, а затем направляют вход привода, и (iv) интерфейса для оператора, состоящего из рычагов, переключателей и дисплеев. Это можно увидеть в паровой машине Уатта, в которой мощность обеспечивается расширением пара для приведения в движение поршня. Шагающая балка, муфта и кривошип преобразуют линейное движение поршня во вращение выходного шкива. Наконец, вращение шкива приводит в движение регулятор флайбола, который управляет клапаном для подачи пара в поршневой цилиндр.

Прилагательное «механический» относится к навыку в практическом применении искусства или науки, а также к относящемуся к движению, физическим силам, свойствам или агентам или вызванному ими, например, с чем имеет дело механика . [43] Аналогичным образом словарь Merriam-Webster [44] определяет «механический» как относящийся к машинам или инструментам.

Поток мощности через машину дает способ понять работу устройств, начиная от рычагов и зубчатых передач до автомобилей и роботизированных систем. Немецкий механик Франц Рёло [45] писал: «Машина — это комбинация сопротивляющихся тел, расположенных таким образом, что с их помощью механические силы природы могут быть вынуждены выполнять работу, сопровождаемую определенным движением». Обратите внимание, что силы и движение объединяются, чтобы определить мощность .

Совсем недавно Уикер и др. [42] заявили, что машина — это «устройство для приложения мощности или изменения ее направления». Маккарти и Сох [46] описывают машину как систему, которая «обычно состоит из источника мощности и механизма для контролируемого использования этой мощности».

Источники питания

Дизельный двигатель, фрикционная муфта и зубчатая передача автомобиля
Ранний электрогенератор Ганца в Цвевегеме , Западная Фландрия , Бельгия

Первоначальными источниками энергии для ранних машин были усилия человека и животных. [ необходима цитата ]

Водяное колесо: Водяные колеса появились по всему миру около 300 г. до н. э., чтобы использовать текущую воду для создания вращательного движения, которое применялось для помола зерна, а также для питания пиломатериалов, обработки и текстильных операций . Современные водяные турбины используют воду, протекающую через плотину, для приведения в действие электрогенератора .

Ветряная мельница: Ранние ветряные мельницы использовали энергию ветра для создания вращательного движения при фрезеровании. Современные ветряные турбины также приводят в действие генератор. Это электричество, в свою очередь, используется для приведения в действие двигателей, формирующих приводы механических систем.

Двигатель: Слово двигатель происходит от слова «изобретательность» и изначально относилось к приспособлениям, которые могут быть или не быть физическими устройствами. [47] Паровой двигатель использует тепло для кипячения воды, содержащейся в сосуде под давлением; расширяющийся пар приводит в движение поршень или турбину. Этот принцип можно увидеть в эолипиле Герона Александрийского. Это называется двигателем внешнего сгорания .

Автомобильный двигатель называется двигателем внутреннего сгорания, потому что он сжигает топливо ( экзотермическая химическая реакция) внутри цилиндра и использует расширяющиеся газы для приведения в движение поршня . Реактивный двигатель использует турбину для сжатия воздуха, который сжигается с топливом, так что он расширяется через сопло, обеспечивая тягу самолета , и поэтому также является «двигателем внутреннего сгорания». [48]

Электростанция: Тепло от сжигания угля и природного газа в котле генерирует пар, который приводит в действие паровую турбину , вращающую электрогенератор . Атомная электростанция использует тепло от ядерного реактора для выработки пара и электроэнергии . Эта энергия распределяется по сети линий электропередачи для промышленного и индивидуального использования.

Двигатели: Электродвигатели используют переменный или постоянный ток для создания вращательного движения. Электрические сервомоторы являются приводами для механических систем, начиная от роботизированных систем и заканчивая современными самолетами .

Гидропривод: Гидравлические и пневматические системы используют насосы с электроприводом для подачи воды или воздуха в цилиндры для приведения в действие линейного движения .

Электрохимический: Химикаты и материалы также могут быть источниками энергии. [49] Они могут химически истощаться или нуждаться в перезарядке, как в случае с батареями , [50] или они могут вырабатывать энергию, не меняя своего состояния, как в случае с солнечными элементами и термоэлектрическими генераторами . [51] [52] Все они, однако, по-прежнему требуют, чтобы их энергия поступала откуда-то еще. В случае с батареями это уже существующая химическая потенциальная энергия внутри. [50] В солнечных элементах и ​​термоэлектриках источником энергии являются свет и тепло соответственно. [51] [52]

Механизмы

Механизм механической системы собирается из компонентов, называемых элементами машины . Эти элементы обеспечивают структуру системы и управляют ее движением.

Структурные компоненты, как правило, представляют собой элементы рамы, подшипники, шлицы, пружины, уплотнения, крепежи и крышки. Форма, текстура и цвет крышек обеспечивают стиль и операционный интерфейс между механической системой и ее пользователями.

Узлы, которые управляют движением, также называются « механизмами ». [45] [42] Механизмы обычно классифицируются как зубчатые передачи и зубчатые передачи , которые включают ременные и цепные передачи , кулачковые и следящие механизмы, а также рычажные механизмы , хотя существуют и другие специальные механизмы, такие как зажимные рычажные механизмы, индексирующие механизмы , спусковые механизмы и фрикционные устройства, такие как тормоза и сцепления .

Число степеней свободы механизма, или его подвижность, зависит от числа звеньев и сочленений, а также типов сочленений, используемых для построения механизма. Общая подвижность механизма — это разность между неограниченной свободой звеньев и числом ограничений, накладываемых сочленениями. Она описывается критерием Чебышева–Грублера–Куцбаха .

Шестерни и зубчатые передачи

Антикитерский механизм (основной фрагмент)

Передача вращения между соприкасающимися зубчатыми колесами может быть прослежена до Антикитерского механизма в Греции и указывающей на юг колесницы в Китае . Иллюстрации ученого эпохи Возрождения Георгия Агриколы показывают зубчатые передачи с цилиндрическими зубьями. Внедрение эвольвентного зуба дало стандартную конструкцию зубчатой ​​передачи, которая обеспечивает постоянное передаточное отношение. Некоторые важные особенности зубчатых передач и зубчатых передач:

Кулачковые и следящие механизмы

Кулачок и толкатель образуются путем прямого контакта двух специально сформированных звеньев. Ведущее звено называется кулачком (см. также кулачковый вал ), а звено, приводимое в движение посредством прямого контакта их поверхностей , называется толкателем. Форма контактирующих поверхностей кулачка и толкателя определяет движение механизма.

Связи

Схема привода и четырехзвенной тяги, позиционирующей шасси самолета

Связь — это набор связей, соединенных шарнирами. Как правило, связи являются структурными элементами, а шарниры обеспечивают движение. Возможно, наиболее полезным примером является плоская четырехзвенная связь . Однако существует множество других специальных связей:

Плоский механизм

Плоский механизм — это механическая система, которая ограничена таким образом, что траектории точек всех тел системы лежат в плоскостях, параллельных плоскости основания. Оси вращения шарнирных соединений, соединяющих тела в системе, перпендикулярны этой плоскости основания.

Сферический механизм

Сферический механизм — механическая система, в которой тела движутся таким образом, что траектории точек системы лежат на концентрических сферах. Оси вращения шарнирных соединений, соединяющих тела системы, проходят через центр этих окружностей.

Пространственный механизм

Пространственный механизм — это механическая система, которая имеет по крайней мере одно тело, движущееся таким образом, что траектории его точек являются общими пространственными кривыми. Оси вращения шарнирных соединений, соединяющих тела в системе, образуют линии в пространстве, которые не пересекаются и имеют различные общие нормали.

Механизмы изгиба

Изгибающий механизм состоит из ряда жестких тел, соединенных податливыми элементами (также известными как изгибаемые соединения), которые предназначены для создания геометрически четко определенного движения при приложении силы.

Элементы машин

Элементарные механические компоненты машины называются элементами машины . Эти элементы состоят из трех основных типов (i) структурные компоненты, такие как элементы рамы, подшипники, оси, шлицы, крепежные детали , уплотнения и смазочные материалы, (ii) механизмы , которые управляют движением различными способами, такие как зубчатые передачи , ременные или цепные приводы , тяги , кулачковые и следящие системы, включая тормоза и сцепления , и (iii) компоненты управления, такие как кнопки, переключатели, индикаторы, датчики, приводы и компьютерные контроллеры. [53] Хотя обычно они не считаются элементами машины, форма, текстура и цвет крышек являются важной частью машины, которая обеспечивает стиль и операционный интерфейс между механическими компонентами машины и ее пользователями.

Структурные компоненты

Ряд элементов машины выполняют важные структурные функции, такие как рама, подшипники, шлицы, пружины и уплотнения.

Контроллеры

Контроллеры объединяют датчики , логику и исполнительные механизмы для поддержания производительности компонентов машины. Возможно, самым известным является регулятор флайбола для парового двигателя. Примеры этих устройств варьируются от термостата , который при повышении температуры открывает клапан для охлаждающей воды, до регуляторов скорости, таких как система круиз-контроля в автомобиле. Программируемый логический контроллер заменил реле и специализированные механизмы управления программируемым компьютером. Серводвигатели , которые точно позиционируют вал в ответ на электрическую команду, являются исполнительными механизмами, которые делают возможными роботизированные системы .

Вычислительные машины

Арифмометр вычислительная машина
Арифмометр был разработан Чарльзом Ксавье Томасом около  1820 года для четырех правил арифметики. Он был изготовлен в 1866-1870 годах нашей эры и выставлен в Техническом музее, Стокгольм, Швеция.

В 1837 году Чарльз Бэббидж спроектировал машины для табулирования логарифмов и других функций. Его разностную машину можно считать усовершенствованным механическим калькулятором , а его аналитическую машину — предшественницей современного компьютера , хотя ни одна из крупных разработок не была завершена при жизни Бэббиджа.

Арифмометр и Комптометр — механические компьютеры, предшественники современных цифровых компьютеров . Модели, используемые для изучения современных компьютеров , называются машинами состояний и машинами Тьюринга .

Молекулярные машины

Рибосома — это биологическая машина , использующая динамику белков .

Биологическая молекула миозина реагирует на АТФ и АДФ, чтобы поочередно взаимодействовать с актиновой нитью и изменять ее форму таким образом, чтобы прилагать силу, а затем отсоединяться, чтобы восстановить ее форму или конформацию. Это действует как молекулярный привод, который вызывает сокращение мышц. Аналогично биологическая молекула кинезина имеет две секции, которые поочередно взаимодействуют и отсоединяются от микротрубочек, заставляя молекулу двигаться вдоль микротрубочки и транспортировать везикулы внутри клетки, и динеин , который перемещает груз внутри клетки к ядру и вызывает аксонемальное биение подвижных ресничек и жгутиков . «По сути, подвижная ресничка представляет собой наномашину, состоящую, возможно, из более чем 600 белков в молекулярных комплексах, многие из которых также функционируют независимо как наномашины. Гибкие линкеры позволяют мобильным белковым доменам, соединенным ими, привлекать своих партнеров по связыванию и индуцировать аллостерию на больших расстояниях посредством динамики белковых доменов ». [54] Другие биологические машины отвечают за выработку энергии, например, АТФ-синтаза , которая использует энергию из протонных градиентов через мембраны для приведения в действие турбиноподобного движения, используемого для синтеза АТФ , энергетической валюты клетки. [55] Еще другие машины отвечают за экспрессию генов , включая ДНК-полимеразы для репликации ДНК , [ требуется цитата ] РНК-полимеразы для производства мРНК , [ требуется цитата ] сплайсосому для удаления интронов и рибосому для синтеза белков . Эти машины и их наномасштабная динамика намного сложнее, чем любые молекулярные машины , которые были искусственно созданы. [56] Эти молекулы все чаще считаются наномашинами . [ необходима ссылка ]

Исследователи использовали ДНК для создания наноразмерных четырехзвенных связей . [57] [58]

Влияние

Механизация и автоматизация

Этот шахтный подъемник с водяным приводом использовался для подъема руды. Этот деревянный блок из De re metallica Георга Бауэра (латинизированное имя Георгиус Агрикола , ок.  1555 г. ), раннего учебника по горному делу, который содержит многочисленные чертежи и описания горнодобывающего оборудования.

Механизация (или механизация в BE ) обеспечивает людей-операторов машинами, которые помогают им с мускульными требованиями работы или заменяют мускульную работу. В некоторых областях механизация включает использование ручных инструментов. В современном использовании, например, в инженерии или экономике, механизация подразумевает машины, более сложные, чем ручные инструменты, и не включает в себя простые устройства, такие как неприводная лошадь или ослиная мельница. Устройства, которые вызывают изменение скорости или изменения с возвратно-поступательного на вращательное движение, используя такие средства, как шестерни , шкивы или шкивы и ремни, валы , кулачки и кривошипы , обычно считаются машинами. После электрификации, когда большинство небольших машин больше не приводилось в действие вручную, механизация стала синонимом моторизованных машин. [59]

Автоматизация — это использование систем управления и информационных технологий для снижения потребности в человеческом труде при производстве товаров и услуг. В рамках индустриализации автоматизация — это шаг за пределы механизации . В то время как механизация предоставляет операторам-людям машины, помогающие им с мышечными требованиями работы, автоматизация значительно снижает потребность в сенсорных и умственных требованиях человека. Автоматизация играет все более важную роль в мировой экономике и в повседневном опыте.

Автоматы

Автомат (множественное число: автоматы или автоматоны) — это самоуправляемая машина. Иногда это слово используется для описания робота , а точнее автономного робота . Игрушечный автомат был запатентован в 1863 году. [60]

Механика

Ашер [61] сообщает, что трактат Герона Александрийского по механике был сосредоточен на изучении подъема тяжестей. Сегодня механика относится к математическому анализу сил и движения механической системы и состоит из изучения кинематики и динамики этих систем.

Динамика машин

Динамический анализ машин начинается с модели жесткого тела для определения реакций в подшипниках, в этот момент включаются эффекты упругости. Динамика жесткого тела изучает движение систем взаимосвязанных тел под действием внешних сил. Предположение, что тела являются жесткими, что означает, что они не деформируются под действием приложенных сил, упрощает анализ, сводя параметры, описывающие конфигурацию системы, к перемещению и вращению систем отсчета, прикрепленных к каждому телу. [62] [63]

Динамика системы твердых тел определяется ее уравнениями движения , которые выводятся с использованием либо законов движения Ньютона , либо механики Лагранжа . Решение этих уравнений движения определяет, как конфигурация системы твердых тел изменяется в зависимости от времени. Формулировка и решение динамики твердых тел являются важным инструментом в компьютерном моделировании механических систем .

Кинематика машин

Динамический анализ машины требует определения движения, или кинематики , ее составных частей, что известно как кинематический анализ. Предположение, что система представляет собой сборку жестких компонентов, позволяет математически моделировать вращательное и поступательное движение как евклидовы, или жесткие, преобразования . Это позволяет определить положение, скорость и ускорение всех точек компонента из этих свойств для опорной точки, а также угловое положение, угловую скорость и угловое ускорение компонента.

Проектирование машин

Проектирование машины относится к процедурам и методам, используемым для решения трех фаз жизненного цикла машины :

  1. изобретение, которое включает в себя выявление потребности, разработку требований, генерацию концепции, разработку прототипа, производство и проверочные испытания;
  2. проектирование производительности включает в себя повышение эффективности производства, снижение требований к обслуживанию и ремонту, добавление функций и повышение эффективности, а также проверочные испытания;
  3. Переработка — это этап вывода из эксплуатации и утилизации, включающий восстановление и повторное использование материалов и компонентов.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Usher, Abbott Payson (1988). История механических изобретений. США: Courier Dover Publications. стр. 98. ISBN 978-0-486-25593-4. Архивировано из оригинала 2016-08-18.
  2. ↑ The American Heritage Dictionary , Второе издание для колледжей. Houghton Mifflin Co., 1985.
  3. ^ "μηχανή" Архивировано 29 июня 2011 г. на Wayback Machine , Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, Греко-английский лексикон , о проекте «Персей»
  4. ^ "μῆχος" Архивировано 29 июня 2011 г. на Wayback Machine , Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, Греко-английский лексикон , о проекте Perseus
  5. ^ Оксфордские словари, машина
  6. ^ Карл фон Лангсдорф (1826) Machinenkunde , цитируется в Reuleaux, Franz (1876). Кинематика машин: Очерки теории машин. MacMillan. С. 604.
  7. ^ Therese McGuire, Light on Sacred Stones , в Conn, Marie A.; Therese Benedict McGuire (2007). Не запечатленные в камне: эссе о ритуальной памяти, душе и обществе. University Press of America. стр. 23. ISBN 978-0-7618-3702-2.
  8. ^ Датч, Стивен (1999). «Догреческие достижения». Наследие Древнего мира . Страница профессора Стива Датча, Университет Висконсина в Грин-Бей. Архивировано из оригинала 21 августа 2016 года . Получено 13 марта 2012 года .
  9. ^ Мури, Питер Роджер Стюарт (1999). Древние месопотамские материалы и отрасли промышленности: археологические свидетельства . Eisenbrauns . ISBN 9781575060422.
  10. ^ DT Potts (2012). Спутник по археологии Древнего Ближнего Востока . стр. 285.
  11. ^ ab Paipetis, SA; Ceccarelli, Marco (2010). Гений Архимеда — 23 века влияния на математику, науку и технику: Труды международной конференции, состоявшейся в Сиракузах, Италия, 8–10 июня 2010 г. Springer Science & Business Media . стр. 416. ISBN 9789048190911.
  12. ^ Кларк, Сомерс; Энгельбах, Реджинальд (1990). Древнеегипетское строительство и архитектура . Courier Corporation . стр. 86–90. ISBN 9780486264851.
  13. ^ Файелла, Грэм (2006). Технология Месопотамии. Издательская группа Rosen . стр. 27. ISBN 9781404205604.
  14. ^ ab Moorey, Peter Roger Stuart (1999). Древние месопотамские материалы и отрасли промышленности: археологические свидетельства . Eisenbrauns . стр. 4. ISBN 9781575060422.
  15. ^ Арнольд, Дитер (1991). Строительство в Египте: кладка камня фараонов . Oxford University Press. стр. 71. ISBN 9780195113747.
  16. ^ Вудс, Майкл; Мэри Б. Вудс (2000). Древние машины: от клиньев до водяных колес. США: Twenty-First Century Books. стр. 58. ISBN 0-8225-2994-7.
  17. ^ Вуд, Майкл (2000). Древние машины: от хрюканья до граффити. Миннеаполис, Миннесота: Runestone Press. стр. 35, 36. ISBN 0-8225-2996-3.
  18. ^ Азимов, Айзек (1988), Понимание физики, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Barnes & Noble, стр. 88, ISBN 978-0-88029-251-1, архивировано из оригинала 2016-08-18.
  19. ^ ab Chiu, YC (2010), Введение в историю управления проектами, Делфт: Eburon Academic Publishers, стр. 42, ISBN 978-90-5972-437-2, архивировано из оригинала 2016-08-18
  20. ^ Остдиек, Верн; Борд, Дональд (2005). Исследование физики. Томпсон Брукс/Коул. стр. 123. ISBN 978-0-534-49168-0. Архивировано из оригинала 2013-05-28 . Получено 2008-05-22 .
  21. ^ Стрижак, Виктор; Игорь Пеньков; Тойво Паппель (2004). «Эволюция конструкции, использования и прочностных расчетов винтовых резьб и резьбовых соединений». Международный симпозиум по истории машин и механизмов HMM2004 . Издательство Kluwer Academic. стр. 245. ISBN 1-4020-2203-4. Архивировано из оригинала 2013-06-07 . Получено 2008-05-21 .
  22. ^ Ахмад И Хассан , Дональд Рутледж Хилл (1986). Исламская технология: иллюстрированная история , стр. 54. Cambridge University Press . ISBN 0-521-42239-6 . 
  23. ^ Лукас, Адам (2006), Ветер, Вода, Работа: Древняя и средневековая технология фрезерования , Brill Publishers, стр. 65, ISBN 90-04-14649-0
  24. ^ Элдридж, Фрэнк (1980). Ветряные машины (2-е изд.). Нью-Йорк: Litton Educational Publishing, Inc. стр. 15. ISBN 0-442-26134-9.
  25. ^ Шеперд, Уильям (2011). Генерация электроэнергии с использованием энергии ветра (1-е изд.). Сингапур: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. стр. 4. ISBN 978-981-4304-13-9.
  26. ^ Таки ад-Дин и первая паровая турбина, 1551 г. н. э. Архивировано 18 февраля 2008 г. на веб-странице Wayback Machine , доступ онлайн 23 октября 2009 г.; эта веб-страница ссылается на Ahmad Y Hassan (1976), Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering , стр. 34–35, Институт истории арабской науки, Университет Алеппо .
  27. ^ Ахмад Й. Хассан (1976), Таки ад-Дин и арабское машиностроение , стр. 34-35, Институт истории арабской науки, Университет Алеппо
  28. ^ Лаквете, Анджела (2003). Изобретение хлопкоочистительной машины: машина и миф в довоенной Америке. Балтимор: Издательство Университета Джона Хопкинса. С. 1–6. ISBN 9780801873942.
  29. ^ Пейси, Арнольд (1991) [1990]. Технология в мировой цивилизации: тысячелетняя история (первое издание MIT Press в мягкой обложке). Кембридж, Массачусетс: MIT Press. С. 23–24.
  30. ^ Žmolek, Michael Andrew (2013). Переосмысление промышленной революции: пять столетий перехода от аграрного к промышленному капитализму в Англии. BRILL. стр. 328. ISBN 9789004251793Прялка «Дженни» была по сути адаптацией своего предшественника — прялки .
  31. ^ Koetsier, Teun (2001), «О предыстории программируемых машин: музыкальные автоматы, ткацкие станки, калькуляторы», Mechanism and Machine Theory , 36 (5), Elsevier: 589–603, doi :10.1016/S0094-114X(01)00005-2.
  32. ^ Капур, Аджай; Карнеги, Дейл; Мерфи, Джим; Лонг, Джейсон (2017). «Громкоговорители по желанию: история электроакустической музыки без громкоговорителей». Organised Sound . 22 (2). Cambridge University Press : 195–205. doi : 10.1017/S1355771817000103 . ISSN  1355-7718.
  33. ↑ Профессор Ноэль Шарки, Программируемый робот XIII века (Архив), Университет Шеффилда .
  34. ^ ab Кребс, Роберт Э. (2004). Новаторские эксперименты, изобретения и открытия Средневековья. Greenwood Publishing Group. стр. 163. ISBN 978-0-313-32433-8. Архивировано из оригинала 2013-05-28 . Получено 2008-05-21 .
  35. ^ Стивен, Дональд; Лоуэлл Кардвелл (2001). Колеса, часы и ракеты: история технологий. США: WW Norton & Company. С. 85–87. ISBN 978-0-393-32175-3. Архивировано из оригинала 2016-08-18.
  36. ^ Армстронг-Элуври, Брайан (1991). Управление машинами с трением. США: Springer. С. 10. ISBN 978-0-7923-9133-3. Архивировано из оригинала 2016-08-18.
  37. ^ Пеннок, GR, Джеймс Уатт (1736-1819), Выдающиеся деятели в области механики и машиноведения, под ред. М. Чеккарелли, Springer, 2007, ISBN 978-1-4020-6365-7 (печатная версия) 978-1-4020-6366-4 (электронная версия). 
  38. ^ Бек Б., Роджер (1999). Всемирная история: Модели взаимодействия . Эванстон, Иллинойс: McDougal Littell.
  39. ↑ Чемберс, Эфраим (1728), «Таблица механики», Cyclopaedia, Полезный словарь искусств и наук , т. 2, Лондон, Англия, стр. 528, таблица 11.
  40. ^ Мун, ФК , Коллекция кинематических механизмов Рёло в Корнельском университете, 1999 г. Архивировано 18 мая 2015 г. на Wayback Machine
  41. ^ Хартенберг, Р. С. и Дж. Денавит (1964) Кинематический синтез связей. Архивировано 19 мая 2011 г. в Wayback Machine , Нью-Йорк: McGraw-Hill, онлайн-ссылка из Корнелльского университета .
  42. ^ abcd JJ Uicker, GR Pennock и JE Shigley, 2003, Теория машин и механизмов , Oxford University Press, Нью-Йорк.
  43. ^ "mechanical" . Оксфордский словарь английского языка (Электронная правка). Oxford University Press . (Требуется подписка или членство в участвующем учреждении.)
  44. ^ Словарь Merriam-Webster Определение слова «механический» Архивировано 20 октября 2011 г. на Wayback Machine
  45. ^ ab Reuleaux, F., 1876 Кинематика машин Архивировано 2 июня 2013 г. в Wayback Machine (перевод и аннотации ABW Kennedy), перепечатано Dover, New York (1963)
  46. ^ JM McCarthy и GS Soh, 2010, Геометрическое проектирование связей, архивировано 19 августа 2016 г. в Wayback Machine Springer, Нью-Йорк.
  47. ^ Определение двигателя по Merriam-Webster
  48. ^ «Двигатель внутреннего сгорания», Краткая энциклопедия науки и техники , третье издание, под ред. Сибил П. Паркер. McGraw-Hill, Inc., 1994, стр. 998.
  49. ^ Бретт, Кристофер М. А.; Бретт, Ана Мария Оливейра (1993). Электрохимия: принципы, методы и приложения. Оксфорд; Нью-Йорк: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-855389-2. OCLC  26398887.
  50. ^ ab Crompton, TR (2000-03-20). Справочник по батареям. Elsevier. ISBN 978-0-08-049995-6.
  51. ^ ab «Солнечные элементы — производительность и использование».
  52. ^ ab Fernández-Yáñez, P.; Romero, V.; Armas, O.; Cerretti, G. (2021-09-01). "Управление температурой термоэлектрических генераторов для рекуперации энергии из отходов". Applied Thermal Engineering . 196 : 117291. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2021.117291 . ISSN  1359-4311.
  53. ^ Роберт Л. Нортон, Проектирование машин, (4-е издание), Prentice-Hall, 2010
  54. ^ Сатир, Питер; Сёрен Т. Кристенсен (2008-03-26). «Структура и функция ресничек млекопитающих». Гистохимия и клеточная биология . 129 (6): 687–93. doi :10.1007/s00418-008-0416-9. PMC 2386530. PMID 18365235.  1432-119X. 
  55. ^ Кинбара, Казуши; Айда, Такудзо (2005-04-01). «К интеллектуальным молекулярным машинам: направленные движения биологических и искусственных молекул и агрегатов». Chemical Reviews . 105 (4): 1377–1400. doi :10.1021/cr030071r. ISSN  0009-2665. PMID  15826015.
  56. ^ Bu Z, Callaway DJ (2011). "Белки ДВИЖУТСЯ! Динамика белков и дальняя аллостерия в клеточной сигнализации". Структура белков и заболевания . Достижения в области химии белков и структурной биологии. Том 83. С. 163–221. doi :10.1016/B978-0-12-381262-9.00005-7. ISBN 9780123812629. PMID  21570668.
  57. ^ Маррас, А., Чжоу, Л., Су, Х. и Кастро, К. Э. Программируемое движение механизмов ДНК-оригами, Труды Национальной академии наук, 2015 г. Архивировано 04.08.2017 в Wayback Machine
  58. ^ Маккарти, К., Механизмы и машины ДНК-оригами | Механическое проектирование 101, 2014 Архивировано 18 сентября 2017 г. на Wayback Machine
  59. ^ Джером (1934) дает отраслевую классификацию станков как «отличных от ручного привода». Начиная с переписи населения США 1900 года, использование силы было частью определения фабрики, отличая ее от мастерской.
  60. ^ "US Patent and Trademark Office, Patent# 40891, Toy Automaton". Google Patents . Получено 2007-01-07 .
  61. ↑ AP Usher, 1929, История механических изобретений. Архивировано 2 июня 2013 г. в Wayback Machine , издательство Гарвардского университета (перепечатано Dover Publications, 1968 г.).
  62. ^ Б. Пол, Кинематика и динамика плоских машин, Прентис-Холл, Нью-Джерси, 1979
  63. ^ LW Tsai, Анализ роботов: механика последовательных и параллельных манипуляторов, John-Wiley, Нью-Йорк, 1999.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки