Механикалық құрылғылар және машиналар

Кіріспе

Қозғалтқышты механикалық құрылғылар – тапсырмаларды орындауға арналған құрылғылар.

Машина – күш қолдану үшін күшті пайдаланатын және әрекетті орындау үшін қозғалысты басқаратын физикалық жүйе. Бұл термин көбінесе жасанды құрылғыларға, мысалы, қозғалтқыштар немесе моторлар қолданылатын құрылғыларға, сондай-ақ молекулалық машиналар сияқты табиғи биологиялық макромолекулаларға қолданылады. Машиналар жануарлар мен адамдар, жел мен су сияқты табиғи күштер, химиялық, жылулық немесе электр қуатымен қозғалысқа келтіріледі және олар шығыс күштері мен қозғалыстың белгілі бір мақсатта қолданылуын қамтамасыз ету үшін іске қосушының кірісін өзгертетін механизмдер жүйесін қамтиды. Оларға сондай-ақ өнімділікті бақылайтын және қозғалысты жоспарлайтын компьютерлер мен сенсорлар кіреді, олар көбінесе механикалық жүйелер деп аталады. Ренессанс дәуірінің табиғат зерттеушілері жүкті қозғалтатын алты қарапайым машинаны анықтады және шығыс күші мен кіріс күшінің арақатынасын есептеп шықты, ол бүгінде механикалық артықшылық деп аталады. Қазіргі заманғы машиналар – бұл құрылымдық элементтерден, механизмдерден және басқару компоненттерінен тұратын күрделі жүйелер, сондай-ақ қолдануға ыңғайлы интерфейстерді қамтиды. Мысалдарға мыналар жатады: пойыз, автомобиль, қайық және ұшақ сияқты көлік құралдарының кең ауқымы; үй және кеңсе техникасы, соның ішінде компьютерлер, ғимараттардағы ауа және сумен жабдықтау жүйелері; сондай-ақ ауыл шаруашылығы машиналары, құрал-саймандар, фабриканың автоматтандырылған жүйелері мен роботтар.

Этимология

Ағылшын тіліндегі "машина" сөзі орта француз тілінен латын тіліндегі "machina" сөзінен келген, ол өз кезегінде грек тілінен шыққан (дорикалық μαχανά makhana, иондық μηχανή mekhane – «құрал, машина, қозғалтқыш», μῆχος mekhos – «құрал, тиімділік, шешім»). "Механикалық" (гр. μηχανικός) сөзі де грек тілінің осы түбірінен шыққан. "Жасау, құрылым" деген кең мағынасы классикалық латын тілінде кездеседі, бірақ грек тілінде қолданылмайды. Бұл мағына ортағасырлық француз тілінде кездеседі және 16 ғасырдың ортасында француз тілінен ағылшын тіліне қабылданды. 17 ғасырда "машина" сөзі схема немесе жоспар дегенді білдіруі мүмкін, бұл мағына қазір туынды "machination" сөзімен беріледі. Қазіргі заманғы мағынасы терминнің театрлардағы және әскери қоршау машиналарын жасаудағы арнайы қолданылуынан 16-шы ғасырдың соңы мен 17-ші ғасырдың басында қалыптасты. OED формалды, қазіргі заманғы мағынасын Джон Харристің "Lexicon Technicum" (1704) сөздігіне жатқызады, онда: «Машина немесе қозғалтқыш, механикада, – дененің қозғалысын көтеруге немесе тоқтатуға жеткілікті күшті нәрсе. Жай машиналардың саны әдетте алты: тепе-теңдік, бұрыштар, шынжыр, дөңгелек, кене және бұранда. Күрделі машиналар немесе қозғалтқыштар сансыз көп. Харрис және кейінгі тілдерде (шамамен) синоним ретінде қолданылатын "қозғалтқыш" сөзі түпкілікті түрде (ескі француз тілі арқылы) латын тіліндегі "ingenium" – «тапқырлық, өнертабыс» сөзінен шыққан».

Тарих

Қол балтасы, кремнийді тіліктеп, кенеге тәрізді пішін беру арқылы жасалады. Адам қолында ол құралдың күшін және қозғалысын жұмыс дайындамасының көлденең бөліп алу күштері мен қозғалысына айналдырады. Қол балтасы – кенелердің алғашқы мысалы, алты классикалық қарапайым машинаның ең көнесі, олардың көпшілігі осы машиналарға негізделген. Екінші ең көне қарапайым машина – еңіс жазық (рампа), ол ауыр заттарды жылжыту үшін ежелгі заманнан бері қолданылып келеді. Қалған төрт қарапайым машина ежелгі Таяу Шығыста ойлап табылды. Дөңгелек, дөңгелек және ось механизмімен бірге Месопотамияда (қазіргі Ирак) б.з.д. 5-мыңжылдықта пайда болды. Бұрыш механизмі алғаш рет 5000 жыл бұрын Таяу Шығыста пайда болды, онда ол қарапайым тепе-теңдік таразысында және ежелгі Египет технологиясында үлкен заттарды жылжыту үшін қолданылды. Бұрыш сондай-ақ көлеңкелі су көтергіш құрылғыда, Месопотамияда пайда болған алғашқы кран машинасында қолданылды (шамамен б.з.д. 3000 ж.). Ең ерте тізімдер Месопотамияда б.з.д. 2-мыңжылдықтың басында және ежелгі Египетте, 12-династия кезінде (б.з.д. 1991-1802 жж.) пайда болды. Бұранда, қарапайым машиналардың соңғысы, алғаш рет Месопотамияда неоассириялық кезеңде (б.з.д. 911-609 жж.) пайда болды. Үш қарапайым машина грек философы Архимедтің б.з.д. 3-ғасырында зерттелді және сипатталды: бұрыш, тізім және бұранда. Архимед бұрышта механикалық артықшылық принципін ашты. Кейінгі грек философтары классикалық бес қарапайым машинаны (еңіс жазықтықты қоспағанда) анықтады және олардың механикалық артықшылығын шамамен есептей алды. Алайда гректердің түсінігі тек статикамен (күштердің тепе-теңдігімен) шектелді және динамиканы (күш пен қашықтық арасындағы арақатынас) немесе жұмыс ұғымын қамтымады. Ең алғашқы практикалық желмен жұмыс істейтін машиналар – жел диірмені мен жел сорғысы, исламның алтын ғасырында мұсылман әлемінде, қазіргі Иран, Ауғанстан және Пәкістан жерінде біздің заманымыздың 9-ғасырында пайда болды. Ең алғашқы практикалық бумен жұмыс істейтін машина – бу турбинасымен жұмыс істейтін бу жапырағы, 1551 жылы Осман Египетідегі Таки ад-Дин Мұхаммед ибн Ма'руф сипаттады. Мақта тазартатын машина Үндістанда біздің заманымыздың 6-ғасырында, ал шиыршық диірмені ислам әлемінде 11-ғасырдың басында ойлап табылды, екеуі де мақта өнеркәсібінің өсуіне негіз болды. Шиыршық диірмені шиыршық жасау машинасының да алғабасы болды. Алғашқы бағдарламаланатын машиналар мұсылман әлемінде жасалды. Музыкалық секвенсер, бағдарламаланатын музыкалық аспап, бағдарламаланатын машинаның ең алғашқы түрі болды. Бірінші музыкалық секвенсер – Бану Муса ағайындыларының 9-ғасырдағы "Тапқыр құрылғылар кітабында" сипатталған автоматтандырылған флейта ойнағыш. 1206 жылы Әл-Жазари бағдарламаланатын автоматтарды/роботтарды ойлап тапты. Ол төрт автомат музыкантты, соның ішінде бағдарламаланатын барабан машинасымен жұмыс істейтін барабаншыларды сипаттады, оларды әртүрлі ырғақтар мен барабан үлгілерін ойнатуға мәжбүрлеуге болады. Ренессанс кезінде қарапайым машиналар деп аталатын механикалық қуаттардың динамикасы, олар қанша пайдалы жұмыс атқара алатыны тұрғысынан зерттеле бастады, бұл ақыр соңында механикалық жұмыс туралы жаңа түсінікке әкелді. 1586 жылы фламанд инженері Саймон Стевин еңіс жазықтықтың механикалық артықшылығын анықтап, оны басқа қарапайым машиналарға қосты. Қарапайым машиналардың толық динамикалық теориясын 1600 жылы итальян ғалымы Галилео Галилей "Механика туралы" еңбегінде жасады. Ол қарапайым машиналар энергияны жаратпайтынын, тек оны түрлендіретінін алғаш түсінген. Джеймс Уотт 1782 жылы өзінің параллель қозғалыс байланысын патенттеді, бұл екі реттік әрекет ететін бу машинасының практикалық болуын қамтамасыз етті. Боултон мен Уотт бу машинасы және кейінгі жобалар бу локомотивтерін, бу кемелерін және зауыттарды қуатты етті. Өнеркәсіптік революция 1750 жылдан 1850 жылға дейінгі кезең болды, онда ауыл шаруашылығындағы, өндірістегі, тау-кен өндірісіндегі, көліктегі және технологиядағы өзгерістер сол кездегі әлеуметтік, экономикалық және мәдени жағдайларға терең әсер етті. Ол Ұлыбританиядан басталып, кейін бүкіл Батыс Еуропаға, Солтүстік Америкаға, Жапонияға және ақыр соңында қалған әлемге тарады. 18-ғасырдың соңынан бастап Ұлыбританияның кейбір аймақтарында бұрынғы қол еңбегі мен малға негізделген экономика машинаға негізделген өндіріске көшу басталды. Ол тоқыма өнеркәсібінің механикаландыруымен, темір жасау техникасының дамуымен және тазартылған көмірдің кеңінен қолданылуымен басталды. Қарапайым машиналар күрделі машиналарды түсіну үшін "сөздіктер" береді. Машинаны қарапайым жылжымалы элементтерге бөлшеуге болатын идея Архимедті бұрыш, тізім және бұранданы қарапайым машиналар деп анықтауға әкелді. Ренессанс кезінде бұл тізім дөңгелек және ось, кене және еңіс жазықтықты қамту үшін кеңейтілді. Қазіргі заманғы машиналарды сипаттау тәсілі қозғалысқа мүмкіндік беретін компоненттерге, яғни буындарға бағытталған. Кене (қол балтасы): Күшті басқаруға арналған алғашқы құрылғының мысалы – қол балтасы, сондай-ақ екі жақты және Олгоргесайли деп те аталады. Қол балтасы әдетте кремнийді тіліктеп, екі жақты жиекті немесе кенені жасау арқылы жасалады. Кене – бұл құралдың бүйірлік күшін және қозғалысын көлденең бөліп алу күші мен жұмыс дайындамасының қозғалысына түрлендіретін қарапайым машина. Қолданылатын қуат құралды пайдаланушының күшімен шектеледі, бірақ қуат күш пен қозғалыстың көбейтіндісі болғандықтан, кене қозғалысты азайту арқылы күшті күшейтеді. Бұл күшейту, немесе механикалық артықшылық кіріс жылдамдығы мен шығыс жылдамдығының арақатынасымен беріледі. Кене үшін бұл 1/tanα формуласымен беріледі, мұнда α – ұшты бұрыш. Кененің беттері сызықтық түзулер ретінде модельделеді, сығу немесе призмалық буынды құрайды. Бұрыш: Бұрыш – күшті басқаруға арналған тағы бір маңызды және қарапайым құрылғы. Бұл белгілі бір нүктеде айналатын дене. Айналу нүктесінен алыс нүктенің жылдамдығы айналу нүктесіне жақын нүктенің жылдамдығынан жоғары болғандықтан, айналу нүктесінен алыс қолданылған күштер айналу нүктесіне жақын күшейтіледі, байланысты жылдамдық азаюымен. Егер a – кіріс күші қолданылатын нүктеден айналу нүктесіне дейінгі қашықтық, ал b – шығыс күші қолданылатын нүктеге дейінгі қашықтық болса, онда a/b – бұрыштың механикалық артықшылығы. Бұрыштың айналу нүктесі буынды немесе айналмалы буын ретінде модельделеді. Дөңгелек: Дөңгелек – көліктің ерте мысалы. Дөңгелек бұрыштың заңын пайдаланып, жүк тартқан кезде кедергіні жеңуге қажетті күшті азайтады. Мұны көру үшін жүк тартумен байланысты үйкеліс жерде шамамен бірдей екенін ескеріңіз, дөңгелек осінің бағытталған бағытындағы үйкеліс. Алайда дөңгелек күшті күшейтетін бұрыш құрайды, бұл бағытталған бағыттағы үйкеліс кедергісін жеңуге мүмкіндік береді. Жаңа машиналарды жобалау стратегиясын ұсыну үшін қарапайым машиналарды жіктеуді Франц Ройло жасаған, ол 800-нен астам қарапайым машиналарды жинап, зерттеген. Ол классикалық қарапайым машиналарды буынға айналатын денеден құралған бұрыш, тізім және дөңгелек және оське, сондай-ақ жазық бетте сығатын блоктан құралған еңіс жазық, кене және бұрандаға бөлуге болатынын анықтады. Қарапайым машиналар – кинематикалық тізбектердің немесе байланыстардың қарапайым мысалдары, олар бу машинасынан робот манипуляторларына дейін механикалық жүйелерді модельдеу үшін қолданылады. Бұрыштың айналу нүктесін құрайтын бағытталған бағыттар және дөңгелек және осьтің және тізімдердің айналуына мүмкіндік беретін бағытталған бағыттар буынды буын деп аталатын кинематикалық жұптың мысалы болып табылады. Сол сияқты, еңіс жазықтың және кененің жазық беттері сығу буыны деп аталатын кинематикалық жұптың мысалы болып табылады. Бұранда әдетте өзінің спиральды буын деп аталатын кинематикалық жұбы ретінде танылады. Бұл түсінік машинаның негізгі элементтері қозғалысты қамтамасыз ететін буындар екенін көрсетеді. Бастапқыда...

The hand axe, made by chipping flint to form a wedge, in the hands of a human transforms force and movement of the tool into a transverse splitting forces and movement of the workpiece. The hand axe is the first example of a wedge, the oldest of the six classic simple machines, from which most machines are based. The second oldest simple machine was the inclined plane (ramp), which has been used since prehistoric times to move heavy objects. The other four simple machines were invented in the ancient Near East. The wheel, along with the wheel and axle mechanism, was invented in Mesopotamia (modern Iraq) during the 5th millennium BC. The lever mechanism first appeared around 5,000 years ago in the Near East, where it was used in a simple balance scale, and to move large objects in ancient Egyptian technology. The lever was also used in the shadoof water lifting device, the first crane machine, which appeared in Mesopotamia c. 3000 BC, The earliest evidence of pulleys date back to Mesopotamia in the early 2nd millennium BC, and ancient Egypt during the Twelfth Dynasty (1991 1802 BC). The screw, the last of the simple machines to be invented, first appeared in Mesopotamia during the Neo Assyrian period (911 609) BC. Three of the simple machines were studied and described by Greek philosopher Archimedes around the 3rd century BC: the lever, pulley and screw. Archimedes discovered the principle of mechanical advantage in the lever. Later Greek philosophers defined the classic five simple machines (excluding the inclined plane) and were able to roughly calculate their mechanical advantage. However, the Greeks' understanding was limited to statics (the balance of forces) and did not include dynamics (the tradeoff between force and distance) or the concept of work. The earliest practical wind powered machines, the windmill and wind pump, first appeared in the Muslim world during the Islamic Golden Age, in what are now Iran, Afghanistan, and Pakistan, by the 9th century AD. The earliest practical steam powered machine was a steam jack driven by a steam turbine, described in 1551 by Taqi ad Din Muhammad ibn Ma'ruf in Ottoman Egypt. The cotton gin was invented in India by the 6th century AD, and the spinning wheel was invented in the Islamic world by the early 11th century, both of which were fundamental to the growth of the cotton industry. The spinning wheel was also a precursor to the spinning jenny. The earliest programmable machines were developed in the Muslim world. A music sequencer, a programmable musical instrument, was the earliest type of programmable machine. The first music sequencer was an automated flute player invented by the Banu Musa brothers, described in their Book of Ingenious Devices, in the 9th century. In 1206, Al Jazari invented programmable automata/robots. He described four automaton musicians, including drummers operated by a programmable drum machine, where they could be made to play different rhythms and different drum patterns. During the Renaissance, the dynamics of the Mechanical Powers, as the simple machines were called, began to be studied from the standpoint of how much useful work they could perform, leading eventually to the new concept of mechanical work. In 1586 Flemish engineer Simon Stevin derived the mechanical advantage of the inclined plane, and it was included with the other simple machines. The complete dynamic theory of simple machines was worked out by Italian scientist Galileo Galilei in 1600 in Le Meccaniche ("On Mechanics"). He was the first to understand that simple machines do not create energy, they merely transform it. James Watt patented his parallel motion linkage in 1782, which made the double acting steam engine practical. The Boulton and Watt steam engine and later designs powered steam locomotives, steam ships, and factories. The Industrial Revolution was a period from 1750 to 1850 where changes in agriculture, manufacturing, mining, transportation, and technology had a profound effect on the social, economic and cultural conditions of the times. It began in the United Kingdom, then subsequently spread throughout Western Europe, North America, Japan, and eventually the rest of the world. Starting in the later part of the 18th century, there began a transition in parts of Great Britain's previously manual labour and draft animal based economy towards machine based manufacturing. It started with the mechanisation of the textile industries, the development of iron making techniques and the increased use of refined coal. Simple machines provide a "vocabulary" for understanding more complex machines.]] The idea that a machine can be decomposed into simple movable elements led Archimedes to define the lever, pulley and screw as simple machines. By the time of the Renaissance this list increased to include the wheel and axle, wedge and inclined plane. The modern approach to characterizing machines focusses on the components that allow movement, known as joints. Wedge (hand axe): Perhaps the first example of a device designed to manage power is the hand axe, also called biface and Olorgesailie. A hand axe is made by chipping stone, generally flint, to form a bifacial edge, or wedge. A wedge is a simple machine that transforms lateral force and movement of the tool into a transverse splitting force and movement of the workpiece. The available power is limited by the effort of the person using the tool, but because power is the product of force and movement, the wedge amplifies the force by reducing the movement. This amplification, or mechanical advantage is the ratio of the input speed to output speed. For a wedge this is given by 1/tanα, where α is the tip angle. The faces of a wedge are modeled as straight lines to form a sliding or prismatic joint. Lever: The lever is another important and simple device for managing power. This is a body that pivots on a fulcrum. Because the velocity of a point farther from the pivot is greater than the velocity of a point near the pivot, forces applied far from the pivot are amplified near the pivot by the associated decrease in speed. If a is the distance from the pivot to the point where the input force is applied and b is the distance to the point where the output force is applied, then a/b is the mechanical advantage of the lever. The fulcrum of a lever is modeled as a hinged or revolute joint. Wheel: The wheel is an important early machine, such as the chariot. A wheel uses the law of the lever to reduce the force needed to overcome friction when pulling a load. To see this notice that the friction associated with pulling a load on the ground is approximately the same as the friction in a simple bearing that supports the load on the axle of a wheel. However, the wheel forms a lever that magnifies the pulling force so that it overcomes the frictional resistance in the bearing. The classification of simple machines to provide a strategy for the design of new machines was developed by Franz Reuleaux, who collected and studied over 800 elementary machines. He recognized that the classical simple machines can be separated into the lever, pulley and wheel and axle that are formed by a body rotating about a hinge, and the inclined plane, wedge and screw that are similarly a block sliding on a flat surface. Simple machines are elementary examples of kinematic chains or linkages that are used to model mechanical systems ranging from the steam engine to robot manipulators. The bearings that form the fulcrum of a lever and that allow the wheel and axle and pulleys to rotate are examples of a kinematic pair called a hinged joint. Similarly, the flat surface of an inclined plane and wedge are examples of the kinematic pair called a sliding joint. The screw is usually identified as its own kinematic pair called a helical joint. This realization shows that it is the joints, or the connections that provide movement, that are the primary elements of a machine. Starting with four types of joints, the rotary joint, sliding joint, cam joint and gear joint, and related connections such as cables and belts, it is possible to understand a machine as an assembly of solid parts that connect these joints called a mechanism Similarly Merriam Webster Dictionary defines "mechanical" as relating to machinery or tools. Power flow through a machine provides a way to understand the performance of devices ranging from levers and gear trains to automobiles and robotic systems. The German mechanician Franz Reuleaux wrote, "a machine is a combination of resistant bodies so arranged that by their means the mechanical forces of nature can be compelled to do work accompanied by certain determinate motion." Notice that forces and motion combine to define power. More recently, Uicker et al. stated that a machine is "a device for applying power or changing its direction. "McCarthy and Soh describe a machine as a system that "generally consists of a power source and a mechanism for the controlled use of this power."

Қуат көздері

Адам мен жануарлардың күші ертедегі машиналардың бастапқы қуат көздері болды. Су доңғалағы: Су доңғалақтары шамамен б.з.б. 300 жылдары әлемнің әртүрлі жерлерінде пайда болды. Олар ағын суды айналмалы қозғалысқа түрлендіру үшін қолданылды, бұл астық ұнтақтау, ағаш өңдеу, машина жасау және тоқыма өндірісі сияқты жұмыстарда пайдаланылды. Қазіргі су турбиналары электр генераторын іске қосу үшін бөгет арқылы ағып жатқан суды пайдаланады. Жел диірмендері: Ертедегі жел диірмендері желдің күшін пайдаланып, ұнтақтау үшін айналмалы қозғалыс жасады. Қазіргі жел турбиналары да генераторды іске қосады. Бұл электр энергиясы механикалық жүйелердің орындаушы механизмдерін құрайтын электрмоторларын қозғалтады. Қозғалтқыш: "Қозғалтқыш" сөзі "табысқа шақыру" деген мағынаны білдіретін сөзден шыққан және бастапқыда физикалық құрылғы болғанымен болмағанымен құрылғыларды білдірген. Бу машинасы қысымды ыдыстағы суды қайнату үшін жылуды пайдаланады; кеңейіп жатқан бу поршеньді немесе турбинаны қозғалтады. Бұл принципті Александриялық Геронның эолипилінен көруге болады. Бұл сыртқы жану қозғалтқышы деп аталады. Автомобиль қозғалтқышы ішкі жану қозғалтқышы деп аталады, өйткені ол цилиндр ішінде отынды (экзотермиялық химиялық реакция) жағып, кеңейіп жатқан газдарды поршеньді қозғалту үшін пайдаланады. Реактивтік қозғалтқыш турбинаны пайдаланады, ол отынмен жағылған ауаны қысып, ұшаққа итерме беру үшін сопло арқылы кеңейтеді, сондықтан ол да "ішкі жану қозғалтқышы" болып табылады. Электр станциясы: Қазанда көмір мен табиғи газды жағудан пайда болатын жылу буды жасайды, ол бу турбинасын айналдырып, электр генераторын іске қосады. Ядролық электр станциясы атом реакторының жылуын бу мен электр энергиясын өндіру үшін пайдаланады. Бұл қуат өндірістік және жеке тұтыну үшін беру желілерінің желісі арқылы таратылады. Электрмоторлар: Электрмоторлар айналмалы қозғалыс жасау үшін айнымалы немесе тұрақты токтан пайдаланады. Электр сервомоторлар – роботтық жүйелерден бастап қазіргі заманғы ұшақтарға дейінгі механикалық жүйелердің орындаушы механизмдері болып табылады. Сұйық қуаты: Гидравликалық және пневматикалық жүйелер сызықтық қозғалысты қамтамасыз ету үшін цилиндрлерге суды немесе ауаны тиісінше электрмен басқарылатын сорғылар арқылы жібереді. Электрохимиялық: Химиялық заттар мен материалдар да қуат көзі бола алады. Олар химиялық тұрғыдан тозығы жетіп, батареялар сияқты қайта зарядталуы керек немесе өз күйін өзгертпей қуат өндіре алады, бұл күн батареялары мен термоэлектр генераторларына тән. Дегенмен, олардың барлығына энергияны сырттан алу қажет. Батареяларда бұл олардың ішіндегі химиялық потенциалдық энергия болып табылады. Механизмдер әдетте тісті дөңгелектер мен тісті дөңгелектер тізбегі, соның ішінде белдік және тізбекті жетегіштер, камералы және іздеуші механизмдер, және байланыстар ретінде жіктеледі, бірақ қысқыштар, индекске басқару механизмдері, тұтқындар және тежегіштер мен муфталар сияқты басқа да арнайы механизмдер де бар. Механизмнің еркіндік дәрежесінің саны немесе оның жылдамдығы буындар мен байланыстардың санына және механизмді құрастыру үшін қолданылатын буындардың түрлеріне байланысты. Механизмнің жалпы жылдамдығы – буындардың шектелмеген жылдамдығы мен буындар жүктейтін шектеулер саны арасындағы айырмашылық. Ол Чебышев–Грюблер–Куцбах критерийімен сипатталады.

Human and animal effort were the original power sources for early machines. Waterwheel: Waterwheels appeared around the world around 300 BC to use flowing water to generate rotary motion, which was applied to milling grain, and powering lumber, machining and textile operations. Modern water turbines use water flowing through a dam to drive an electric generator. Windmill: Early windmills captured wind power to generate rotary motion for milling operations. Modern wind turbines also drives a generator. This electricity in turn is used to drive motors forming the actuators of mechanical systems. Engine: The word engine derives from "ingenuity" and originally referred to contrivances that may or may not be physical devices. A steam engine uses heat to boil water contained in a pressure vessel; the expanding steam drives a piston or a turbine. This principle can be seen in the aeolipile of Hero of Alexandria. This is called an external combustion engine. An automobile engine is called an internal combustion engine because it burns fuel (an exothermic chemical reaction) inside a cylinder and uses the expanding gases to drive a piston. A jet engine uses a turbine to compress air which is burned with fuel so that it expands through a nozzle to provide thrust to an aircraft, and so is also an "internal combustion engine." Power plant: The heat from coal and natural gas combustion in a boiler generates steam that drives a steam turbine to rotate an electric generator. A nuclear power plant uses heat from a nuclear reactor to generate steam and electric power. This power is distributed through a network of transmission lines for industrial and individual use. Motors: Electric motors use either AC or DC electric current to generate rotational movement. Electric servomotors are the actuators for mechanical systems ranging from robotic systems to modern aircraft. Fluid Power: Hydraulic and pneumatic systems use electrically driven pumps to drive water or air respectively into cylinders to power linear movement. Electrochemical: Chemicals and materials can also be sources of power. They may chemically deplete or need re charging, as is the case with batteries, or they may produce power without changing their state, which is the case for solar cells and thermoelectric generators. All of these, however, still require their energy to come from elsewhere. With batteries, it is the already existing chemical potential energy inside. Mechanisms are generally classified as gears and gear trains, which includes belt drives and chain drives, cam and follower mechanisms, and linkages, though there are other special mechanisms such as clamping linkages, indexing mechanisms, escapements and friction devices such as brakes and clutches. The number of degrees of freedom of a mechanism, or its mobility, depends on the number of links and joints and the types of joints used to construct the mechanism. The general mobility of a mechanism is the difference between the unconstrained freedom of the links and the number of constraints imposed by the joints. It is described by the Chebychev–Grübler–Kutzbach criterion.

Гейзерлер мен шестерткіш

Дөңгелектердің арасындағы айналудың берілуі Грекияның Антикитера механизміне және Қытайдың оңтүстікке көрсетуші шарбағына дейін жетеді. Ренессанс ғалымы Георгиус Агриколаның суреттерінде цилиндрлі тістері бар тісті механизмдер көрсетілген. Инволютті тістің қолданылуы тұрақты жылдамдық коэффициентін қамтамасыз ететін стандартты тісті дизайнға әкелді. Тісті механизмдер мен тісті жұмыс істейтін механизмдердің маңызды ерекшеліктері: Жұптасқан тісті дөңгелектердің диаметрлерінің қатынасы жылдамдық коэффициентін және тісті жұмыс істейтін механизмдердің механикалық күшін анықтайды. Планеталық тісті жұмыс істейтін механизмдер ықшам конструкцияда жоғары айналым төмендетуді қамтамасыз етеді. Дөңгелек емес, бірақ бірқалыпты айналу моментін беруге қабілетті тістерді жобалау мүмкін. Тізбекті және белдікті берілістердің жылдамдық коэффициенттері тісті берілістердің коэффициенттерімен бірдей есептеледі. Велосипедтің тісті берілісін қараңыз.

Кэм және іздену механизмдері

Қамыт пен ізбасар екі арнайы пішінді буынның тікелей жанасуы арқылы құралады. Қоздырушы буын қамыт деп аталады (қамыт білігін де қараңыз), ал қамыттың бетімен тікелей жанасу арқылы қозғалатын буын ізбасар деп аталады. Қамыт пен ізбасардың жанасатын беттерінің пішіні механизмнің қозғалысын анықтайды.

Байланыстар

Байланыс – буындар арқылы қосылған сақиналардың жиынтығы. Әдетте, сақиналар – бұл құрылымдық элементтер, ал буындар қозғалысқа мүмкіндік береді. Ең пайдалы мысал – жазық төрт сақиналы байланыс. Дегенмен, көптеген ерекше байланыстар бар: Ватт байланысы – жуық түрде түзу сызық жасайтын төрт сақиналы байланыс. Ол оның бу машинасының жобасын жасауда маңызды рөл атқарды. Бұл байланыс көлік құралдарының аспаларында да қолданылады, бұл дөңгелектерге қатысты кузовдың бүйірге қарай қозғалысын болдырмауға көмектеседі. Сондай-ақ, «Параллель қозғалыс» мақаласын қараңыз. Ватт байланысының табысы Хокен байланысы және Чебышев байланысы сияқты ұқсас жуық түзу сызықты байланыстарды жобалауға әкелді. Пэуселье байланысы айналмалы кірістен нақты түзу сызықты шығаруды қамтамасыз етеді. Саррус байланысы – айналмалы кірістен түзу сызықты қозғалыс жасайтын кеңістіктік байланыс. Кланн және Янсен байланыстары – жақында ойлап табылған, қызықты жүріс қозғалысын қамтамасыз ететін құрылымдар. Олар тиісінше алты және сегіз сақиналы байланыстар болып табылады.

Жазық механизм

Жазық механизм – жүйедегі барлық денелердегі нүктелердің қозғалыс жолдары негізгі жазықтыққа параллель жазықтықтарда жатқан механикалық жүйе. Жүйедегі денелерді байланыстыратын ілмек буындардың айналу осьтері осы негізгі жазықтыққа перпендикуляр болады.

Сфералық механизм

Сфералық механизм – денелердің қозғалысы жүйедегі нүктелердің траекториялары концентрлі шарлардың бетінде жатқандай болатын механикалық жүйе. Жүйедегі денелерді байланыстыратын шарнирлі буындардың айналу осьтері осы шарлардың ортасынан өтеді.

Ғарыштық механизм

Ғарыштық механизм – кем дегенде бір дененің траекториясы жалпы кеңістіктегі қисық сызықтар болатын механикалық жүйе. Жүйедегі денелерді байланыстыратын шарнирлі буындардың айналу осьтері кеңістікте қиылыспайтын және ортақ нормальдарға ие сызықтар құрайды.

Иілгіш механизмдер

Иілу механизмі – күш қолданғанда геометриялық тұрғыдан анықталған қозғалыс жасау үшін жасалған, серіпті элементтермен (иілу буындары деп те аталады) байланысқан қатаң денелердің тізбегінен тұрады.

Машина элементтері

Машинаның негізгі механикалық компоненттері машина элементтері деп аталады. Бұл элементтер үш негізгі түрге бөлінеді: (i) құрылымдық компоненттер, мысалы, рама мүшелері, подшипниктер, осьтер, шлицтер, бекіткіштер, тығыздағыштар және майлау материалдары, (ii) әртүрлі тәсілдермен қозғалысты басқаратын механизмдер, мысалы, тісті берілістер, белдік немесе тізбекті жетектер, дәнекерлемелер, кулак және іздеуші жүйелер, соның ішінде тежегіштер мен муфталар, және (iii) батырмалар, қосқыштар, индикаторлар, сенсорлар, атқарушы механизмдер және компьютерлік басқару құрылғылары сияқты басқару компоненттері. Көбінесе машина элементі деп есептелмесе де, қаптаманың пішіні, текстурасы және түсі – машинаның маңызды бөлігі болып табылады, ол машинаның механикалық компоненттері мен пайдаланушылары арасында стильдік және операциялық интерфейсті қамтамасыз етеді.

Құрылымдық компоненттер

Машинаның бірқатар элементтері маңызды құрылымдық функцияларды қамтамасыз етеді, мысалы, рама, подшипниктер, тісті дөңгелектер, пружиналар және тығыздағыштар. Механизмнің рамасы маңызды машина элементі екендігін мойындау үш буынды механизм атауын төрт буынды механизм деп өзгертті. Рамалар әдетте фермалық немесе қабырғалық элементтерден құрастырылады. Подшипниктер – қозғалатын элементтер арасындағы байланысты басқаруға арналған компоненттер және машиналардағы үйкелістің көзі болып табылады. Жалпы, подшипниктер таза айналу немесе түзу сызықты қозғалыс үшін жасалған. Тісті дөңгелектер мен кілттер – бұл осьті дөңгелекке, шкивке немесе тісті дөңгелекке сенімді түрде орнатудың екі жолы, соның арқасында айналу моменті қосылыс арқылы беріледі. Пружиналар машинаның компоненттерін орнында ұстап тұратын күштерді береді немесе машинаның бір бөлігін қолдайтын серіппе ретінде әрекет етеді. Тығыздағыштар машинаның жұптасқан бөліктері арасында су, ыстық газдар немесе майлау материалдары сияқты сұйықтықтардың ағып кетпеуін қамтамасыз ету үшін қолданылады. Бұрандалар, болттар, пружиналық қысқыштар және қадалар сияқты бекіткіштер машинаның компоненттерін құрастыру үшін маңызды. Бекіткіштер әдетте алынып тасталатын болып саналады. Керісінше, дәнекерлеу, жұптау, қысыммен бекіту және желімдерді қолдану сияқты біріктіру әдістері компоненттерді ажырату үшін көбінесе бөлшектерді кесуді талап етеді.

Бақылаушылар

Басқарушылар машина компоненттерінің жұмысын сақтау үшін сенсорларды, логиканы және атқарушы механизмдерді біріктіреді. Ең танымал мысалы – бу машинасының центрден тепкіш регуляторы. Мұндай құрылғылардың мысалдары температура көтерілгенде салқындату суына арналған клапанды ашатын термостаттан бастап, автомобильдегі круиздік жүйе сияқты жылдамдықты басқару жүйелеріне дейін жетеді. Бағдарламаланатын логикалық контроллер релелерді және арнайы басқару механизмдерін бағдарламаланатын компьютермен алмастырды. Электрлік командаға жауап ретінде валдың орнын дәл анықтайтын сервомоторлар – роботтық жүйелерді мүмкін ететін атқарушы механизмдер болып табылады.

Есептеу машиналары

Чарльз Бэббидж 1837 жылы логарифмдерді және басқа да функцияларды табулациялауға арналған машиналарды жобалады. Оның Айырмашылық машинасы (Difference engine) жетілген механикалық есептеуіш машина саналады, ал Аналитикалық машинасы (Analytical Engine) қазіргі заманғы компьютердің алға басушысы, алайда Бэббидждің өмірінде оның ірі жобаларының ешқайсысы аяқталған жоқ. Арифмометр және Комптометр – қазіргі заманғы цифрлық компьютерлерге дейінгі механикалық компьютерлер. Қазіргі заманғы компьютерлерді зерттеу үшін қолданылатын модельдер Мемлекеттік машина (State machine) және Тьюринг машинасы деп аталады.

Молекулалық машиналар

Биологиялық молекула миозин АТФ және АДФ-қа реакция жасайды, актин талшығымен кезектесіп байланысып, күш түсіретіндей етіп пішінін өзгертеді, содан кейін пішінін немесе конформациясын қалпына келтіру үшін ажыратылады. Бұл бұлшықет жиырылуына себеп болатын молекулалық жетек ретінде әрекет етеді. Сол сияқты, биологиялық молекула кинезиннің екі бөлігі бар, олар микротубулалармен кезектесіп байланысып, ажыратылады, нәтижесінде молекула микротубула бойымен қозғалып, жасуша ішіндегі везикулаларды тасымалдайды, ал динеин жасуша ішіндегі жүкті ядроға қарай жылжытады және қозғалмалы кірпікшелер мен қамшылардың аксонемалық қозғалысын қамтамасыз етеді. "Шын мәнінде, қозғалмалы кірпікше 600-ден астам ақуыздан тұратын наномашина болып табылады, олардың көптегені өздігінен де наномашина ретінде жұмыс істейді. Икемді байланыстырғыштар олармен байланысқан жылдам белок домендеріне байланысу серіктестерін таңдауға және белок домендерінің динамикасы арқылы алысқатырғыш аллостерияны тудыруға мүмкіндік береді." Басқа биологиялық машиналар энергия өндіруге жауапты, мысалы, АТФ синтетазасы, ол мембраналар арқылы протон градиенттерінен энергияны пайдаланып, АТФ синтезі үшін турбина тәрізді қозғалысты қамтамасыз етеді, АТФ – жасушаның энергия валютасы. Ген экспрессиясына басқа машиналар да жауапты, оларға ДНК-ны көшіретін ДНК полимеразалары, мРНК-ны өндіретін РНК полимеразалары, интронтарды жоятын сплайсосома және ақуыздарды синтездейтін рибосома жатады. Бұл машиналар мен олардың наноөлшемді динамикасы әлі күнге дейін жасанды түрде құрастырылған молекулалық машиналардан әлдеқайда күрделі. Бұл молекулалар көбінесе наномашиналар деп есептеледі. Зерттеушілер ДНК-ны наноөлшемді төрт таяқшалы байланыстарды құру үшін пайдаланды.

Механикаландыру және автоматтандыру

Механикаландыру (немесе BE-де механикаландыру) – адамдарға жұмыстың физикалық күш талаптарын жеңілдетуге көмектесетін немесе физикалық еңбекті алмастыратын машиналармен қамтамасыз ету. Кейбір салаларда механикаландыру қолмен қолданылатын құралдарды да қамтиды. Қазіргі қолданыста, мысалы, инженерияда немесе экономикада, механикаландыру қол құралдарынан гөрі күрделі машиналарды білдіреді және дөңгелексіз жылқы немесе есек диірмені сияқты қарапайым құрылғыларды қамтымайды. Тісті дөңгелектер, шкивтер, белбеулер, біліктер, эксцентрлер және кривошиптер сияқты механизмдерді пайдалана отырып, жылдамдық өзгертуге немесе сызықты қозғалысты айналмалы қозғалысқа немесе керісінше өзгертуге мүмкіндік беретін құрылғылар әдетте машиналар деп есептеледі. Электрлендіруден кейін, көптеген кішкентай машиналар қолмен емес, электр қуатымен жұмыс істейтін болғандықтан, механикаландыру моторлы машиналармен теңестірілді. Автоматтандыру – тауарлар мен қызметтерді өндіруде адам еңбегіне деген қажеттілікті азайту үшін басқару жүйелері мен ақпараттық технологияларды пайдалану. Индустрияландыру шеңберінде автоматтандыру механикаландырудан бір қадам жоғары тұрады. Егер механикаландыру жұмысшыларды жұмыстың физикалық күш талаптарын жеңілдетуге көмектесетін машиналармен қамтамасыз етсе, автоматтандыру адамның сезімдік және зиялық қабілеттеріне деген қажеттілікті де айтарлықтай төмендетеді. Автоматтандыру әлемдік экономикада және күнделікті өмірде маңызды рөл атқарады.

Автоматтар

Автомат (көбісі: автоматтар немесе автоматтар) – өздігінен жұмыс істейтін машина. Бұл термин кейде роботты, нақтырақ айтқанда, автономды роботты сипаттау үшін қолданылады. 1863 жылы ойыншық автоматқа патент алынған.

Механика

Ашер Герой Александрияның механика туралы еңбегі ауыр салмақтарды көтеруді зерттеуге бағытталғанын хабарлайды. Бүгінде механика – механикалық жүйенің күштері мен қозғалысын математикалық тұрғыдан талдау, сондай-ақ осы жүйелердің кинематикасы мен динамикасын зерттеуден тұрады.

Машиналардың динамикасы

Машиналардың динамикалық талдауы, подшипниктердегі реакцияларды анықтау үшін қатаң дене моделімен басталады, содан кейін серпімділік әсерлері ескеріледі. Қатаң денелер динамикасы – сыртқы күштер әсерімен байланысқан денелер жүйесінің қозғалысын зерттейді. Денелердің қатаң болуы, яғни қолданылған күштердің әсерінен деформацияланбауы деген болжам, жүйенің конфигурациясын сипаттайтын параметрлерді әрбір денеге бекітілген координаттық жүйелердің орын ауысуы мен бұрылуына дейін азайту арқылы талдауды жеңілдетеді. Қатаң денелер жүйесінің динамикасы оның қозғалыс теңдеулерімен анықталады, олар Ньютонның қозғалыс заңдары немесе Лагранж механикасы қолданылу арқылы шығарылады. Осы қозғалыс теңдеулерінің шешімі, қатаң денелер жүйесінің конфигурациясы уақытқа қарай қалай өзгеретінін анықтайды. Қатаң дене динамикасын құру және шешу – механикалық жүйелерді компьютерде модельдеудің маңызды құралы болып табылады.

Машиналардың кинематикасы

Машинаның динамикалық талдауы оның құрамдас бөліктерінің қозғалысын, яғни кинематикасын анықтауды қажет етеді, бұл кинематикалық талдау деп аталады. Жүйенің қатаң компоненттерден тұратындығы туралы болжам, айналу және сызылмай қозғалысты математикалық тұрғыдан Евклидтік немесе қатаң түрлендірулер ретінде модельдеуге мүмкіндік береді. Бұл, компоненттегі кез келген нүктенің орнын, жылдамдығын және үдеуін анықтама нүктесінің сәйкес қасиеттерінен, сондай-ақ компоненттің бұрыштық орнын, бұрыштық жылдамдығын және бұрыштық үдеуін анықтауға жол ашады.