Механизмы и машины: от истории к современности.

Введение

Устройство, приводимое в действие механической энергией, устройства, предназначенные для выполнения задач. Машина – это физическая система, использующая энергию для приложения сил и управления движением с целью выполнения действия. Этот термин обычно применяется к искусственным устройствам, таким как использующие двигатели или моторы, но также и к естественным биологическим макромолекулам, например, молекулярным машинам. Машины могут приводиться в действие животными и людьми, природными силами, такими как ветер и вода, а также химической, тепловой или электрической энергией, и включают в себя систему механизмов, преобразующих воздействие исполнительного механизма для достижения конкретного применения выходных сил и движения. Они также могут включать компьютеры и датчики, контролирующие работу и планирующие движение, часто называемые механическими системами. Философы эпохи Возрождения выделили шесть простых машин, которые являлись элементарными устройствами, приводящими груз в движение, и вычислили отношение выходной силы к входной силе, известное сегодня как механическое преимущество. Современные машины – это сложные системы, состоящие из конструктивных элементов, механизмов и компонентов управления, а также включающие интерфейсы для удобства использования. Примеры включают: широкий спектр транспортных средств, таких как поезда, автомобили, лодки и самолеты; бытовую и офисную технику, включая компьютеры, системы обработки воздуха и воды в зданиях; а также сельскохозяйственную технику, станки и системы автоматизации производства и роботов.

Этимология

Английское слово «машина» происходит от среднефранцузского и латинского слова «machina», которое, в свою очередь, восходит к греческому (дорийский μαχανά — махана, ионический μηχανή — механе — «приспособление, машина, двигатель», производное от μῆχος — мехос — «средство, способ, решение»). Слово «механический» (греч. μηχανικός) происходит от тех же греческих корней. Более широкое значение «сооружение, структура» встречается в классической латыни, но не в греческом употреблении. Это значение появляется в позднесредневековой французском языке и было заимствовано из французского в английский в середине XVI века. В XVII веке слово «машина» могло также означать замысел или интригу, значение которого теперь выражается производным словом «махинация». Современное значение сформировалось в результате специализированного применения термина к театральным механизмам, используемым на сцене, и к военным осадным машинам, как в конце XVI, так и в начале XVII веков. OED (Оксфордский словарь английского языка) прослеживает формальное, современное значение до «Лексикона техников» Джона Харриса (1704), где сказано:

«Машина, или двигатель, в механике — это всё, что обладает достаточной силой, чтобы поднять или остановить движение тела. Простые машины обычно насчитывают шесть: рычаг, блок, колесо, клин и винт. Составные машины, или двигатели, многочисленны». Слово «двигатель», используемое Харрисом и в более позднем языке как (почти) синоним, в конечном итоге происходит (через старофранцузский) от латинского ingenium — «изобретательность, изобретение».

История

Ручной топор, изготовленный путем откалывания кремня для формирования клина, в руках человека преобразует силу и движение инструмента в поперечные силы раскалывания и движение обрабатываемой детали. Ручной топор – первый пример клина, старейший из шести классических простых машин, на основе которых построены большинство машин. Вторым по древности простым механизмом была наклонная плоскость (рампа), которая использовалась с доисторических времен для перемещения тяжелых объектов. Остальные четыре простых машины были изобретены на Древнем Ближнем Востоке. Колесо, вместе с механизмом колеса и оси, было изобретено в Месопотамии (современный Ирак) в V тысячелетии до нашей эры. Рычажный механизм впервые появился около 5000 лет назад на Ближнем Востоке, где он использовался в простых весах и для перемещения крупных объектов в древнеегипетских технологиях. Рычаг также применялся в шадуфе для подъема воды – первой крановой машине, появившейся в Месопотамии около 3000 года до нашей эры. Самые ранние свидетельства о блоках (полиспастах) относятся к Месопотамии в начале II тысячелетия до нашей эры и к Древнему Египту во время XII династии (1991–1802 гг. до н.э.). Винт, последняя из простых машин, впервые появилась в Месопотамии в неоассирийский период (911–609 гг. до н.э.). Три из простых машин были изучены и описаны греческим философом Архимедом примерно в III веке до нашей эры: рычаг, полиспаст и винт. Архимед открыл принцип механического преимущества рычага. Позднее греческие философы определили классические пять простых машин (исключая наклонную плоскость) и смогли приблизительно рассчитать их механическое преимущество. Однако понимание греков ограничивалось статикой (балансом сил) и не включало динамику (взаимосвязь между силой и расстоянием) или понятие работы. Самые ранние практические машины, приводимые в движение ветром – ветряная мельница и ветряной насос – впервые появились в мусульманском мире во время исламского Золотого века, на территории современного Ирана, Афганистана и Пакистана, к IX веку нашей эры. Самым ранним практическим паровым механизмом был паровой привод, работающий на паровой турбине, описанный в 1551 году Таки ад-Дином Мухаммедом ибн Ма'руфом в Османском Египте. Хлопкоочистительная машина была изобретена в Индии к VI веку нашей эры, а прядильное колесо – в исламском мире к началу XI века, оба этих изобретения стали фундаментальными для развития хлопковой промышленности. Прядильное колесо также было предшественником механической прялки (spinning jenny). Самые ранние программируемые машины были разработаны в мусульманском мире. Музыкальный секвенсор, программируемый музыкальный инструмент, был самым ранним типом программируемой машины. Первым музыкальным секвенсором был автоматический флейтист, изобретенный братьями Бану Муса, описание которого содержится в их «Книге гениальных устройств» в IX веке. В 1206 году Аль-Джазари изобрел программируемые автоматы/роботы. Он описал четырех музыкантов-автоматов, включая барабанщиков, управляемых программируемой барабанной машиной, которые могли воспроизводить различные ритмы и барабанные рисунки. В эпоху Возрождения динамика «механических сил», как назывались простые машины, стала изучаться с точки зрения того, какую полезную работу они могут выполнить, что в конечном итоге привело к новому понятию механической работы. В 1586 году фламандский инженер Симон Стевин вывел механическое преимущество наклонной плоскости, которое было включено в список других простых машин. Полная динамическая теория простых машин была разработана итальянским ученым Галилео Галилеем в 1600 году в трактате «О механике» («Le Meccaniche»). Он первым понял, что простые машины не создают энергию, а лишь преобразуют ее. Джеймс Уатт запатентовал свой параллельный рычажный механизм в 1782 году, что сделало паровую машину двойного действия практичной. Паровой двигатель Болтона и Уатта и последующие конструкции приводили в движение паровозы, пароходы и фабрики. Промышленная революция – это период 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 Великобритании, а затем распространилась по всей Западной Европе, Северной Америке, Японии и, в конечном итоге, по всему миру. Начиная с последней части XVIII века, в некоторых частях Великобритании произошел переход от ручного труда и использования тягловых животных к машинному производству. Это началось с механизации текстильной промышленности, разработки технологий выплавки железа и увеличения использования очищенного угля. 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, полиспаста и винта как простых машин. К эпохе Возрождения этот список пополнился колесом и осью, клином и наклонной плоскостью. Современный подход к характеристике машин фокусируется на компонентах, обеспечивающих движение, известных как соединения. Клин (ручной топор): Возможно, первым примером устройства, предназначенного для управления мощностью, является ручной топор, также называемый бифас и олгорсайли. Ручной топор изготавливается путем откалывания камня, обычно кремня, для формирования двусторонней режущей кромки, или клина. Клин – это простая машина, которая преобразует боковую силу и движение инструмента в поперечную раскалывающую силу и движение обрабатываемой детали. Доступная мощность ограничена усилием человека, использующего инструмент, но поскольку мощность является произведением силы и движения, клин усиливает силу за счет уменьшения движения. Это усиление, или механическое преимущество, является отношением входной скорости к выходной скорости. Для клина оно задается формулой 1/tanα, где α – угол заточки. Грани клина моделируются как прямые линии для формирования скользящего или призматического соединения. Рычаг: Рычаг – это еще одно важное и простое устройство для управления мощностью. Это тело, которое вращается вокруг точки опоры. Поскольку скорость точки, находящейся дальше от оси вращения, больше скорости точки, находящейся ближе к оси вращения, силы, приложенные далеко от оси вращения, усиливаются вблизи оси вращения за счет соответствующего уменьшения скорости. Если a – расстояние от оси вращения до точки приложения входной силы, а b – расстояние до точки приложения выходной силы, то a/b – это механическое преимущество рычага. Точка опоры рычага моделируется как шарнирное или поворотное соединение. Колесо: Колесо – важная ранняя машина, такая как колесница. Колесо использует закон рычага для уменьшения силы, необходимой для преодоления трения при буксировке груза. Чтобы увидеть это, обратите внимание, что трение, связанное с буксировкой груза по земле, примерно такое же, как трение в простом подшипнике, который поддерживает груз на оси колеса. Однако колесо образует рычаг, который усиливает тяговое усилие, чтобы преодолеть сопротивление трения в подшипнике. Классификация простых машин для разработки стратегии проектирования новых машин была разработана Францем Ройло, который собрал и изучил более 800 элементарных машин. Он признал, что классические простые машины можно разделить на рычаг, полиспаст и колесо и ось, которые образуются телом, вращающимся вокруг шарнира, и на наклонную плоскость, клин и винт, которые аналогично представляют собой блок, скользящий по плоской поверхности. Простые машины являются элементарными примерами кинематических цепей или связей, которые используются для моделирования механических систем, от парового двигателя до манипуляторов роботов. Подшипники, образующие точку опоры рычага и позволяющие колесу и оси и полиспастам вращаться, являются примерами кинематической пары, называемой шарнирным соединением. Аналогично, плоская поверхность наклонной плоскости и клина являются примерами кинематической пары, называемой скользящим соединением. Винт обычно идентифицируется как собственная кинематическая пара, называемая спиральным соединением. Это понимание показывает, что именно соединения, или связи, обеспечивающие движение, являются основными элементами машины. Начиная с…

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."

Источники питания

Человеческие и животные усилия были первоначальными источниками энергии для ранних машин. Водяное колесо: Водяные колеса появились по всему миру примерно в 300 г. до н.э. для использования энергии текущей воды, преобразуемой во вращательное движение, которое применялось для помола зерна, привода лесопилок, станков и текстильного оборудования. Современные водяные турбины используют воду, протекающую через плотину, для привода электрического генератора. Ветряная мельница: Ранние ветряные мельницы использовали энергию ветра для создания вращательного движения для помола зерна. Современные ветряные турбины также приводят в действие генератор. Эта электроэнергия, в свою очередь, используется для привода двигателей, формирующих исполнительные механизмы механических систем. Двигатель: Слово "двигатель" происходит от слова "изобретательность" и изначально относилось к устройствам, которые могли быть как физическими, так и нет. Паровая машина 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, поскольку он сжигает топливо (экзотермическая химическая реакция) внутри цилиндра и использует расширяющиеся газы для привода поршня. Реактивный двигатель использует турбину для сжатия воздуха, который сжигается с топливом, чтобы расширяясь через сопло, создавать тягу для самолета, и поэтому также является "двигателем внутреннего сгорания". Электростанция: Тепло, выделяемое при сжигании угля и природного газа в котле, генерирует пар, который приводит в движение паровую турбину, вращающую электрический генератор. Атомная электростанция использует тепло от ядерного реактора для генерации пара и электроэнергии. Эта энергия распределяется по сети линий электропередач для промышленного и бытового использования. Двигатели: Электрические двигатели используют переменный или постоянный электрический ток для создания вращательного движения. Электрические сервомоторы являются исполнительными механизмами для механических систем, от роботизированных систем до современных самолетов. Гидравлические и пневматические системы используют электрические насосы для подачи воды или воздуха соответственно в цилиндры, приводя в действие линейное движение. Электрохимические: Химические вещества и материалы также могут быть источниками энергии. Они могут химически истощаться или требовать перезарядки, как в случае с аккумуляторами, или могут производить энергию, не изменяя своего состояния, как в случае с солнечными элементами и термоэлектрическими генераторами. Однако для всего этого энергия все равно должна поступать извне. В случае с аккумуляторами это уже существующая химическая потенциальная энергия внутри них. Механизмы обычно классифицируются как зубчатые передачи и цепные передачи, включающие в себя ременные передачи и цепные приводы, кулачковые механизмы и толкатели, а также шарнирные соединения, хотя существуют и другие специальные механизмы, такие как зажимные шарнирные соединения, индексирующие механизмы, спусковые механизмы и устройства трения, такие как тормоза и сцепления. Количество степеней свободы механизма, или его подвижность, зависит от количества звеньев и соединений, а также от типов соединений, используемых для его построения. Общая подвижность механизма – это разница между неограниченной свободой звеньев и количеством ограничений, налагаемых соединениями. Она описывается критерием Чебышева–Грюблера–Кутцбаха.

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.

Колесо и колесные колеса

Передача вращения между соприкасающимися зубчатыми колесами восходит к механизму Антикитеры в Греции и южноуказательной колеснице в Китае. Иллюстрации ученого эпохи Возрождения Георгия Агриколы демонстрируют зубчатые передачи с цилиндрическими зубьями. Применение инволюты зубьев позволило создать стандартную конструкцию зубчатых колес, обеспечивающую постоянное передаточное число. Важнейшие характеристики зубчатых колес и передач включают: отношение диаметров делительных окружностей взаимодействующих зубчатых колес определяет передаточное число и механическое преимущество передачи. Планетарная передача обеспечивает большое снижение скорости в компактном исполнении. Возможно проектирование зубьев зубчатых колес некруглой формы, при этом сохраняя плавную передачу крутящего момента. Передаточные числа цепных и ременных передач вычисляются аналогично передаточным числам зубчатых передач. См. велосипедные передачи.

Механизмы для подъема и подъема

Кэм и толкатель образуются при непосредственном контакте двух специально профилированных звеньев. Ведущее звено называется камом (также см. кулачковый вал), а звено, которое приводится в движение посредством непосредственного контакта их поверхностей, называется толкателем. Форма контактных поверхностей кама и толкателя определяет движение механизма.

Связи

Связь – это совокупность звеньев, соединенных шарнирами. Обычно звенья являются конструктивными элементами, а шарниры обеспечивают движение. Пожалуй, наиболее полезным примером является плоская четырёхшатунная связь. Однако существует множество других специальных связей: связь Уатта – это четырёхшатунная связь, которая генерирует приближённую прямую линию. Она была критически важна для работы его конструкции паровой машины. Эта связь также используется в подвесках транспортных средств для предотвращения боковых колебаний кузова относительно колёс. См. также статью «Параллельное движение». Успех связи Уатта привёл к разработке аналогичных связей, генерирующих приближённую прямую линию, таких как связь Хокена и связь Чебышёва. Связь Посельера генерирует истинную прямую линию из вращательного движения. Связь Саррюса – это пространственная связь, которая генерирует прямолинейное движение из вращательного. Связи Кланна и Янсена – это недавние изобретения, обеспечивающие интересные движения, имитирующие ходьбу. Они представляют собой соответственно шести- и восьмишатунные связи.

Плановый механизм

Планарный механизм — это механическая система, в которой движение точек всех тел системы ограничено плоскостями, параллельными базовой плоскости. Оси вращения шарнирных соединений, соединяющих тела в системе, перпендикулярны этой базовой плоскости.

Сферический механизм

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

Пространственный механизм

Пространственный механизм — это механическая система, содержащая как минимум одно тело, движущееся таким образом, что траектории его точек являются пространственными кривыми общего вида. Оси вращения шарнирных соединений, связывающих тела в системе, образуют в пространстве линии, не пересекающиеся и имеющие различные общие нормали.

Механизмы сгиба

Сгибательный механизм состоит из ряда жестких тел, соединенных податливыми элементами (также известными как гибкие шарниры), предназначенными для создания геометрически точно определенного движения при приложении силы.

Элементы машины

Элементарные механические компоненты машины называются элементами машины. Эти элементы состоят из трех основных типов: (i) конструктивных элементов, таких как элементы каркаса, подшипники, валы, шлицы, крепеж, уплотнения и смазочные материалы, (ii) механизмов, управляющих движением различными способами, таких как зубчатые передачи, ременные или цепные приводы, шарнирные соединения, кулачковые механизмы, включая тормоза и сцепления, и (iii) элементов управления, таких как кнопки, переключатели, индикаторы, датчики, исполнительные механизмы и компьютерные контроллеры. Хотя обычно не рассматриваются как элементы машины, форма, текстура и цвет кожухов являются важной частью машины, обеспечивающей стилистический и функциональный интерфейс между механическими компонентами машины и ее пользователями.

Структурные компоненты

Ряд машинных элементов выполняют важные конструктивные функции, такие как рама, подшипники, шлицы, пружины и уплотнения. Осознание того, что рама механизма является важным машинным элементом, привело к изменению названия трехзвенного механизма на четырехзвенный. Рамы обычно собираются из ферменных или балочных элементов. Подшипники – это компоненты, предназначенные для управления взаимодействием между движущимися элементами и являющиеся источником трения в машинах. Как правило, подшипники предназначены для чисто вращательного или прямолинейного движения. Шлицы и шпонки – это два способа надежного крепления вала к колесу, шкиву или шестерне для передачи крутящего момента через соединение. Пружины создают силы, которые могут удерживать компоненты машины в заданном положении или служить подвеской для поддержки части машины. Уплотнения используются между сопрягающимися частями машины для предотвращения утечки жидкостей, таких как вода, горячие газы или смазочные материалы, между сопрягающимися поверхностями. Крепежные элементы, такие как винты, болты, пружинные зажимы и заклепки, имеют решающее значение для сборки компонентов машины. Крепежные элементы обычно считаются разъемными. В отличие от них, методы соединения, такие как сварка, пайка, обжим и применение клеев, как правило, требуют разрушения деталей для разборки компонентов.

Контроллеры

Контроллеры объединяют датчики, логику и исполнительные механизмы для поддержания работы компонентов машины. Пожалуй, наиболее известным примером является центробежный регулятор паровой машины. Примеры таких устройств варьируются от термостата, который при повышении температуры открывает клапан для подачи охлаждающей воды, до регуляторов скорости, таких как система круиз-контроля в автомобиле. Программируемый логический контроллер (ПЛК) заменил реле и специализированные механизмы управления программируемым компьютером. Сервомоторы, точно позиционирующие вал в ответ на электрический сигнал, – это исполнительные механизмы, благодаря которым возможны роботизированные системы.

Вычислительные машины

Чарльз Бэббидж разработал машины для вычисления логарифмов и других функций в 1837 году. Его дифференциальный двигатель можно считать усовершенствованным механическим вычислителем, а его аналитический двигатель – предшественником современного компьютера, хотя ни один из более крупных проектов не был завершен при жизни Бэббиджа. Арифмометр и Комптометр – это механические вычислительные машины, являющиеся предшественниками современных цифровых компьютеров. Модели, используемые для изучения современных компьютеров, называются конечными автоматами и машинами Тьюринга.

Молекулярные машины

Биологическая молекула миозина реагирует на АТФ и АДФ, чтобы поочередно связываться с актиновым филаментом и изменять свою форму таким образом, чтобы оказывать силу, а затем разъединяться для восстановления исходной формы, или конформации. Это действует как молекулярный двигатель, вызывающий сокращение мышц. Аналогично, биологическая молекула кинезин имеет два участка, которые поочередно связываются и разъединяются с микротрубочками, заставляя молекулу двигаться вдоль микротрубочек и транспортировать везикулы внутри клетки, а динеин перемещает груз внутри клеток к ядру и обеспечивает аксонемальное биение подвижных ресничек и жгутиков. "По сути, подвижная ресничка – это наномашина, состоящая, возможно, из более чем 600 белков в молекулярных комплексах, многие из которых также функционируют независимо как наномашины. Гибкие линкеры позволяют подвижным белковым доменам, соединенным ими, привлекать свои связывающие партнеры и индуцировать аллостерию на больших расстояниях посредством динамики белковых доменов. " Другие биологические машины отвечают за производство энергии, например, АТФ-синтаза, которая использует энергию протонных градиентов через мембраны для приведения в движение турбиноподобного механизма, используемого для синтеза АТФ – энергетической валюты клетки. Еще другие машины отвечают за экспрессию генов, включая ДНК-полимеразы для репликации ДНК, РНК-полимеразы для производства мРНК, сплайсосому для удаления интронов и рибосомы для синтеза белков. Эти машины и их наномасштабная динамика гораздо сложнее, чем любые молекулярные машины, которые были искусственно созданы на сегодняшний день. Эти молекулы все чаще рассматриваются как наномашины. Исследователи использовали ДНК для создания наноразмерных четырехзвенных механизмов.

Механизация и автоматизация

Механизация (или механизация в BE) предоставляет операторам машины, которые помогают им в выполнении физических усилий, требуемых при работе, или заменяют эти усилия. В некоторых областях механизация включает использование ручного инструмента. В современном понимании, например, в инженерии или экономике, механизация подразумевает машины, более сложные, чем ручной инструмент, и не включает простые устройства, такие как мельница, приводимая в движение лошадью или ослом без механической передачи. Устройства, изменяющие скорость или преобразующие поступательное движение во вращательное и наоборот, с использованием шестерен, шкивов, блоков и ремней, валов, кулачков и кривошипов, обычно считаются машинами. После электрификации, когда большинство небольших машин перестало приводиться в действие вручную, механизация стала синонимом моторизованных машин. Автоматизация – это использование систем управления и информационных технологий для снижения потребности в человеческом труде при производстве товаров и услуг. В контексте индустриализации автоматизация представляет собой следующий шаг после механизации. Если механизация предоставляет операторам машины для облегчения физических усилий, то автоматизация значительно снижает потребность в человеческих сенсорных и умственных способностях. Автоматизация играет все более важную роль в мировой экономике и повседневной жизни.

Автоматы

Автомат (множественное число: автоматы или автома́ты) — это самодействующая машина. Это слово иногда используется для описания робота, в особенности автономного робота. Игрушечный автомат был запатентован в 1863 году.

Механика

Ушер сообщает, что трактат Герона Александрийского по механике был посвящен изучению подъема тяжелых грузов. Сегодня механика подразумевает математический анализ сил и движения механической системы и включает в себя изучение кинематики и динамики этих систем.

Динамика машин

Динамический анализ машин начинается с модели твердого тела для определения реакций в опорах, после чего учитываются эффекты упругости. Динамика твердых тел изучает движение систем связанных тел под действием внешних сил. Предположение о том, что тела являются твердыми, то есть не деформируются под действием приложенных сил, упрощает анализ, уменьшая количество параметров, описывающих конфигурацию системы, до поступательного и вращательного движения систем отсчета, связанных с каждым телом. Динамика системы твердых тел определяется ее уравнениями движения, которые выводятся с использованием либо законов Ньютона, либо лагранжевой механики. Решение этих уравнений движения определяет, как изменяется конфигурация системы твердых тел во времени. Формулировка и решение задач динамики твердого тела является важным инструментом при компьютерном моделировании механических систем.

Кинематика машин

Динамический анализ машины требует определения движения, или кинематики, ее составных частей, что известно как кинематический анализ. Если исходить из предположения, что система состоит из жестких элементов, вращательное и поступательное движение можно математически представить в виде евклидовых, или жестких преобразований. Это позволяет определить положение, скорость и ускорение всех точек компонента, исходя из этих характеристик для опорной точки, а также угловое положение, угловую скорость и угловое ускорение самого компонента.