Машина
Машина энергию — это физическая система, которая использует для приложения сил и управления движением для выполнения действия. Этот термин обычно применяется к искусственным устройствам, например, использующим двигатели или моторы, а также к естественным биологическим макромолекулам, таким как молекулярные машины . Машины могут приводиться в движение животными и людьми , природными 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 конкретного применения выходных сил и движения. Они также могут включать в себя компьютеры и датчики, которые контролируют производительность и планируют движение, часто называемые механическими системами .
Натурфилософы эпохи Возрождения определили шесть простых машин , которые были элементарными устройствами, приводящими груз в движение, и рассчитали соотношение выходной силы к входной силе, известное сегодня как механическое преимущество . [1]
Современные машины представляют собой сложные системы, состоящие из конструктивных элементов, механизмов и компонентов управления и включающие в себя интерфейсы для удобного использования. Примеры включают: широкий спектр транспортных средств , таких как поезда , автомобили , лодки и самолеты ; бытовая техника дома и в офисе, включая компьютеры, системы обработки воздуха и воды в зданиях ; а также сельскохозяйственная техника , станки , системы автоматизации производства и роботы .
Этимология
Английское слово « машина» пришло через среднефранцузский язык от латинского «machina» . [2] которое, в свою очередь, происходит от греческого ( дорического μαχανά makhana , ионического μηχανή mekhane «устройство, машина, двигатель», [3] происхождение от μῆχος mekhos 'средство, средство, средство' [4] ). [5] Слово « механический» (греч. μηχανικός ) происходит от тех же греческих корней. Более широкое значение слова «ткань, структура» встречается в классической латыни, но не в греческом языке. Это значение встречается во французском языке позднего средневековья и было заимствовано из французского языка в английский в середине 16 века.
В 17 веке слово «машина» могло также означать схему или сюжет, и это значение теперь выражается производной махинацией . Современное значение развивается из специального применения этого термина к сценическим машинам , используемым на театре военных действий , и к военным осадным машинам как в конце 16, так и в начале 17 веков. OED « прослеживает формальное современное значение Джона Харриса » Lexicon Technicum (1704 г.), в котором есть:
- Машина, или Двигатель, в механике — это все, что обладает Силой, достаточной для того, чтобы вызвать или остановить движение тела. Число простых машин обычно насчитывает шесть, а именно. Баланс, рычаг, шкив, колесо, клин и винт. Сложные машины или двигатели бесчисленны.
Слово « двигатель» , используемое как (почти) синоним как Харрисом, так и в более позднем языке, в конечном итоге происходит (через старофранцузский ) от латинского ingenium «изобретательность, изобретение».
История
Ручной топор , изготовленный путем раскалывания кремня в форме клина , в руках человека преобразует силу и движение инструмента в поперечные силы раскалывания и движение заготовки. Ручной топор — первый образец клина , старейшего из шести классических простых машин , на которых основано большинство машин. Второй древнейшей простой машиной была наклонная плоскость (рампа), [6] который использовался с доисторических времен для перемещения тяжелых предметов. [7] [8]
Остальные четыре простых машины были изобретены на древнем Ближнем Востоке . [9] Колесо механизмом вместе с колесно-осевым было изобретено в Месопотамии (современный Ирак) в V тысячелетии до нашей эры. [10] Рычажный механизм впервые появился около 5000 лет назад на Ближнем Востоке , где он использовался в простых весах . [11] и для перемещения крупных объектов по древнеегипетской технологии . [12] Рычаг также использовался в водоподъемном устройстве «Шадуф» — первой крановой машине, появившейся в Месопотамии ок. 3000 г. до н. э. , [11] а затем в древнеегипетской технологии c. 2000 г. до н.э. [13] Самые ранние свидетельства существования шкивов относятся к Месопотамии в начале 2-го тысячелетия до нашей эры. [14] и Древний Египет во времена Двенадцатой династии (1991-1802 гг. до н. э.). [15] Винт , последняя из изобретенных простых машин, [16] впервые появились в Месопотамии в неоассирийский период (911-609 гг. до н.э.). [14] Египетские пирамиды были построены с использованием трех из шести простых механизмов: наклонной плоскости, клина и рычага. [17]
Три простых машины были изучены и описаны греческим философом Архимедом примерно в III веке до нашей эры: рычаг, шкив и винт. [18] [19] принцип механического преимущества . Архимед открыл в рычаге [20] Позднее греческие философы определили пять классических простых машин (исключая наклонную плоскость) и смогли примерно рассчитать их механическое преимущество. [1] Герой Александрийский ( ок. 10 –75 н.э.) в своем труде «Механика» перечисляет пять механизмов, способных «приводить груз в движение»; рычаг, лебедка , шкив, клин и винт, [19] и описывает их изготовление и использование. [21] Однако понимание греков ограничивалось статикой (балансом сил) и не включало динамику (компромисс между силой и расстоянием) или понятие работы . [ нужна цитата ]
Самые ранние практические ветряные машины, ветряная мельница и ветряной насос , впервые появились в мусульманском мире во время Золотого века ислама , на территории современного Ирана, Афганистана и Пакистана, в 9 веке нашей эры. [22] [23] [24] [25] Самой ранней практической паровой машиной был паровой домкрат с приводом от паровой турбины , описанный в 1551 году Таки ад-Дином Мухаммадом ибн Маруфом в Османском Египте . [26] [27]
Хлопкоочистительная машина была изобретена в Индии в VI веке нашей эры. [28] а прялка была изобретена в исламском мире в начале 11 века, [29] оба из которых имели основополагающее значение 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 автоматический флейтист , изобретенный братьями Бану Муса и описанный в их «Книге гениальных устройств» в 9 веке. [31] [32] В 1206 году Аль-Джазари изобрел программируемые автоматы / роботы . Он описал четырех музыкантов -автоматов , в том числе барабанщиков, управляемых программируемой драм-машиной , где их можно было заставить играть разные ритмы и разные рисунки ударных. [33]
В эпоху Возрождения динамика механических сил , как называли простые машины, начала изучаться с точки зрения того, сколько полезной работы они могут выполнить, что в конечном итоге привело к новой концепции механической работы . В 1586 году фламандский инженер Саймон Стевин обнаружил механическое преимущество наклонной плоскости и включил ее в число других простых машин. Полная динамическая теория простых машин была разработана итальянским учёным Галилео Галилеем в 1600 году в книге Le Meccaniche («О механике»). [34] [35] Он был первым, кто понял, что простые машины не создают энергию , а лишь 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 г.) и получили дальнейшее развитие Шарля-Огюстена де Кулона (1785 г.). [36]
Джеймс Уатт запатентовал свою систему параллельного движения в 1782 году, что сделало паровой двигатель двойного действия практичным. [37] Паровой двигатель Бултона и Уатта , а затем проектировал паровозы , пароходы и заводы .
Промышленная революция — это период с 1750 по 1850 годы, когда изменения в сельском хозяйстве, производстве, горнодобывающей промышленности, транспорте и технологиях оказали глубокое влияние на социальные, экономические и культурные условия того времени. Оно началось в Соединенном Королевстве , а затем распространилось 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 ранее использовался ручной труд и тягловая животноводческая экономика, начался переход к машинному производству. Все началось с механизации текстильной промышленности, развития технологий производства железа и увеличения использования очищенного угля . [38]
Простые машины
Идея о том, что машину можно разложить на простые подвижные элементы, привела Архимеда к определению рычага , шкива и винта как простых машин . Ко времени Возрождения этот список расширился и включил в себя колесо и ось , клин и наклонную плоскость . Современный подход к характеристике машин фокусируется на компонентах, обеспечивающих движение, известных как суставы .
Клин (ручной топор): Пожалуй, первым примером устройства, предназначенного для управления силой, является ручной топор , также называемый бифасом и Olorgesailie . Ручной топор изготавливается путем раскалывания камня, обычно кремня, с образованием двустороннего лезвия или клина . Клин — это простая машина, преобразующая боковую силу и движение инструмента в поперечную силу раскалывания и перемещение заготовки. Доступная мощность ограничена усилием человека, использующего инструмент, но поскольку мощность является продуктом силы и движения, клин усиливает силу, уменьшая движение. Это усиление, или механическое преимущество , представляет собой соотношение входной скорости и выходной скорости. Для клина это определяется соотношением 1/tanα, где α — угол при вершине. Грани клина моделируются как прямые линии, образующие скользящее или призматическое соединение .
Рычаг: Рычаг — еще одно важное и простое устройство для управления мощностью. Это тело, которое вращается на опоре. Поскольку скорость точки, расположенной дальше от оси вращения, больше, чем скорость точки рядом с точкой поворота, силы, приложенные вдали от оси вращения, усиливаются вблизи оси вращения за счет соответствующего уменьшения скорости. Если a — расстояние от шарнира 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 поворотное соединение .
Колесо: Колесо — важная ранняя машина, такая как колесница . Колесо использует закон рычага, чтобы уменьшить силу, необходимую для преодоления трения при тяге груза. Чтобы увидеть это, обратите внимание, что трение, связанное с перемещением груза по земле, примерно такое же, как трение в простом подшипнике, поддерживающем нагрузку на оси колеса. Однако колесо образует рычаг, который увеличивает тяговую силу, преодолевая сопротивление трения в подшипнике.
Классификация простых машин , обеспечивающая стратегию проектирования новых машин, была разработана Францем Рёло , который собрал и изучил более 800 элементарных машин. [40] Он признал, что классические простые машины можно разделить на рычаг, шкив, колесо и ось, которые образованы телом, вращающимся вокруг шарнира, и наклонную плоскость, клин и винт, которые аналогичным образом представляют собой блок, скользящий по плоской поверхности. [41]
Простые машины — это элементарные примеры кинематических цепей или связей , которые используются для моделирования механических систем , от парового двигателя до роботов-манипуляторов. Подшипники, которые образуют точку опоры рычага и позволяют вращаться колесу, оси и шкивам, являются примерами кинематической пары , называемой шарнирным соединением. Точно так же плоская поверхность наклонной плоскости и клина являются примерами кинематической пары , называемой скользящим соединением. Винт обычно идентифицируется как отдельная кинематическая пара, называемая винтовым соединением.
Это понимание показывает, что именно суставы или соединения, обеспечивающие движение, являются основными элементами машины. Начиная с четырех типов соединений: вращающегося соединения, скользящего соединения, кулачкового соединения и зубчатого соединения, а также связанных с ним соединений, таких как тросы и ремни, можно понимать машину как совокупность твердых частей, которые соединяют эти соединения, называемую механизмом . [42]
Два рычага, или кривошипа, объединяются в плоскую четырехзвенную связь путем присоединения звена, соединяющего выход одного кривошипа со входом другого. Дополнительные звенья могут быть присоединены для образования шестизвенной связи или последовательно для формирования робота. [42]
Механические системы
Механическая система управляет мощностью для выполнения задачи, включающей силы и движение. Современные машины представляют собой системы, состоящие из (i) источника энергии и исполнительных механизмов , генерирующих силы и движение, (ii) системы механизмов , которые формируют входной сигнал исполнительного механизма для достижения конкретного приложения выходных сил и движения, (iii) контроллера с датчиками. который сравнивает выходные данные с целевыми показателями производительности, а затем направляет входные данные привода, и (iv) интерфейс для оператора, состоящий из рычагов, переключателей и дисплеев. Это можно увидеть на примере парового двигателя Уатта, в котором мощность обеспечивается за счет расширения пара, приводящего в движение поршень. Шагающая балка, муфта и кривошип преобразуют линейное движение поршня во вращение выходного шкива. Наконец, вращение шкива приводит в движение регулятор флайбола, который управляет клапаном подачи пара в поршневой цилиндр.
Прилагательное «механический» относится к навыкам практического применения искусства или науки, а также относится к движению, физическим силам, свойствам или агентам или вызвано ими, например, с которыми имеет дело механика . [43] Аналогично словарь Мерриама-Вебстера [44] определяет «механический» как относящийся к машинам или инструментам.
Поток мощности через машину дает возможность понять работу устройств, начиная от рычагов и зубчатых передач и заканчивая автомобилями и роботизированными системами. Немецкий механик Франц Рело. [45] писал: «Машина есть совокупность сопротивляющихся тел, устроенных таким образом, что с их помощью можно заставить механические силы природы совершать работу, сопровождаемую известным определенным движением». Обратите внимание, что силы и движение в совокупности определяют мощность .
Совсем недавно Uicker et al. [42] заявили, что машина — это «устройство для подачи энергии или изменения ее направления». Маккарти и Со [46] описывают машину как систему, которая «обычно состоит из источника энергии и механизма контролируемого использования этой энергии».
Источники питания
 | Это раздел нуждается в дополнительных ссылок для проверки . ( ноябрь 2021 г. ) |
Усилия людей и животных были первоначальными источниками энергии для первых машин. [ нужна цитата ]
Водяное колесо: Водяные колеса появились по всему миру около 300 г. до н. э., чтобы использовать проточную воду для создания вращательного движения, которое применялось для помола зерна, а также для привода в действие пиломатериалов, механической обработки и текстильных операций . Современные водяные турбины используют воду, текущую через плотину , для привода электрического генератора .
Ветряная мельница. Ранние ветряные мельницы использовали энергию ветра для создания вращательного движения для фрезерных операций. Современные ветряные турбины также приводят в движение генератор. Это электричество, в свою очередь, используется для привода двигателей , образующих приводы механических систем.
Двигатель: Слово «двигатель» происходит от слова «изобретательность» и первоначально относилось к устройствам, 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 Героя Александрийского. Это называется двигатель внешнего сгорания .
Автомобильный потому двигатель называется двигателем внутреннего сгорания, 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 сгорает с топливом, так что он расширяется через сопло, обеспечивая тягу самолета , и это также «двигатель внутреннего сгорания». [48]
Электростанция: тепло от сгорания угля и природного газа в котле генерирует пар, который приводит в движение паровую турбину, приводящую во вращение электрический генератор . Атомная электростанция использует тепло ядерного реактора для выработки пара и электроэнергии . Эта мощность распределяется через сеть линий электропередачи для промышленного и индивидуального использования.
Двигатели: Электродвигатели используют переменный или постоянный электрический ток для создания вращательного движения. Электрические серводвигатели являются приводами для механических систем, от робототехнических систем до современных самолетов .
Гидравлическая энергия: в гидравлических и пневматических системах используются насосы с электрическим приводом для подачи воды или воздуха соответственно в цилиндры для обеспечения линейного движения .
Электрохимия. Химические вещества и материалы также могут быть источниками энергии. [49] Они могут химически разряжаться или нуждаться в перезарядке, как в случае с аккумуляторами . [50] или они могут производить электроэнергию, не меняя своего состояния, как это происходит с солнечными элементами и термоэлектрическими генераторами . [51] [52] Однако всем этим по-прежнему требуется источник энергии из других источников. В случае с батареями это уже существующая химическая потенциальная энергия . внутри [50] В солнечных элементах и термоэлектриках источником энергии является свет и тепло соответственно. [51] [52]
Механизмы
Механизм элементами механической системы собирается из составных частей, называемых машины . Эти элементы обеспечивают структуру системы и управляют ее движением.
Конструктивными компонентами, как правило, являются элементы рамы, подшипники, шлицы, пружины, уплотнения, крепежные детали и крышки. Форма, текстура и цвет крышек создают стильный и функциональный интерфейс между механической системой и ее пользователями.
Узлы, управляющие движением, также называют « механизмами ». [45] [53] Механизмы обычно классифицируются как шестерни и зубчатые передачи , которые включают в себя ременные и цепные передачи , кулачковые и ведомые механизмы, а также рычаги , хотя существуют и другие специальные механизмы, такие как зажимные рычаги, индексирующие механизмы , спусковые механизмы и фрикционные устройства, такие как тормоза и сцепления .
Число степеней свободы механизма, или его подвижность, зависит от количества звеньев и соединений, а также от типов соединений, используемых в конструкции механизма. Общая подвижность механизма — это разница между неограниченной свободой звеньев и количеством ограничений, налагаемых шарнирами. Он описывается критерием Чебычева–Грюблера–Куцбаха .
Шестерни и зубчатые передачи
Передачу вращения между соприкасающимися зубчатыми колесами можно проследить до Антикитерского механизма Греции и колесницы, указывающей на юг в Китае . На иллюстрациях ученого эпохи Возрождения Георгиуса Агриколы изображены зубчатые передачи с цилиндрическими зубьями. Внедрение эвольвентного зуба позволило получить стандартную конструкцию шестерни, обеспечивающую постоянное передаточное число. Некоторые важные особенности зубчатых передач и зубчатых передач:
- Соотношение делительных кругов сопряженных шестерен определяет передаточное число и механическое преимущество зубчатого ряда.
- Планетарная зубчатая передача обеспечивает высокое передаточное число в компактном корпусе.
- Можно спроектировать зубья шестерен некруглой формы , но при этом плавно передавать крутящий момент.
- Передаточные числа цепных и ременных передач рассчитываются так же, как и передаточные числа. См. велосипедную передачу .
Кулачковые и следящие механизмы
Кулачок толкатель и . образуются путем прямого контакта двух звеньев специальной формы Ведущее звено называется кулачком (см. также кулачковый вал ), а звено, которое приводится в движение за счет прямого контакта их поверхностей, называется ведомым. Форма соприкасающихся поверхностей кулачка и толкателя определяет движение механизма.
Связи
Связь . – это совокупность звеньев, соединенных суставами Как правило, звенья являются структурными элементами, а суставы допускают движение. Пожалуй, самым полезным примером является плоское четырехзвенное соединение . Однако существует еще много специальных связей:
- Рычаг Уатта представляет собой четырехзвенную связь, образующую приблизительную прямую линию. Это имело решающее значение для работы его конструкции парового двигателя. Эта связь также присутствует в подвесках транспортных средств, чтобы предотвратить перемещение кузова из стороны в сторону относительно колес. Также смотрите статью Параллельное движение .
- Успех связи Уотта привел к созданию подобных приблизительных прямолинейных связей, таких как связь Хукена и связь Чебышева .
- Рычаг Поселье генерирует настоящий прямолинейный выходной сигнал из вращающегося входного сигнала.
- Связь Сарруса — это пространственная связь, которая генерирует прямолинейное движение от вращательного воздействия.
- Рычаг Клана и рычаг Янсена — недавние изобретения, обеспечивающие интересные движения при ходьбе. Это соответственно шестизвенная и восьмизвенная рычажная система.
Планарный механизм
Плоский механизм — это механическая система, которая ограничена таким образом, что траектории точек во всех телах системы лежат в плоскостях, параллельных базовой плоскости. Оси вращения шарнирных соединений, соединяющих тела в системе, перпендикулярны этой заземленной плоскости.
Сферический механизм
Сферический механизм — механическая система, в которой тела движутся так, что траектории точек системы лежат на концентрических сферах. Через центр этой окружности проходят оси вращения шарнирных соединений, соединяющих тела в системе.
Пространственный механизм
Пространственный механизм — это механическая система, имеющая хотя бы одно тело, которое движется так, что траектории его точек представляют собой общие пространственные кривые. Оси вращения шарнирных соединений, соединяющих тела в системе, образуют в пространстве линии, не пересекающиеся и имеющие четко выраженные общие нормали.
Механизмы изгиба
Механизм изгиба состоит из ряда твердых тел, соединенных податливыми элементами (также известными как изгибные соединения), которые предназначены для создания геометрически четко определенного движения при приложении силы.
Элементы машины
Элементарные механические детали машины называются элементами машины . Эти элементы состоят из трех основных типов (i) конструктивных компонентов , таких как элементы рамы, подшипники, оси, шлицы, крепежные детали , уплотнения и смазочные материалы, (ii) механизмов , которые контролируют движение различными способами, таких как зубчатые передачи , ременные или цепные передачи , рычажные системы , кулачковые и ведомые системы, включая тормоза и сцепления , и (iii) компоненты управления , такие как кнопки, переключатели, индикаторы, датчики, приводы и компьютерные контроллеры. [54] Хотя форма, текстура и цвет крышек обычно не считаются элементом машины, они являются важной частью машины, которая обеспечивает стиль и рабочий 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.
- Признание того, что рама механизма является важным элементом машины, изменило название трехзвенной связи на четырехзвенную . Каркасы 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 чистого вращения или прямолинейного движения .
- Шлицы и шпонки — это два способа надежного крепления оси к колесу, шкиву или шестерне, чтобы крутящий момент мог передаваться через соединение.
- Пружины создают силы, которые могут либо удерживать компоненты машины на месте, либо действовать как подвеска , поддерживая часть машины.
- Уплотнения используются между сопрягаемыми частями машины, чтобы гарантировать, что жидкости, такие как вода, горячие газы или смазка, не просачиваются между сопрягаемыми поверхностями.
- Крепежные детали , такие как винты , болты, пружинные зажимы и заклепки, имеют решающее значение для сборки компонентов машины. Крепежные элементы обычно считаются съемными. Напротив, методы соединения, такие как сварка , пайка , обжатие и применение клея , обычно требуют разрезания деталей для разборки компонентов.
Контроллеры
Контроллеры объединяют датчики , логику и исполнительные механизмы для поддержания производительности компонентов машины. Пожалуй, самым известным из них 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 приводами, которые делают возможными робототехнические системы .
Вычислительные машины
Чарльз Бэббидж сконструировал машины для табулирования логарифмов и других функций в 1837 году. Его Разностную машину можно считать усовершенствованным механическим калькулятором , а его аналитическую машину — предшественником современного компьютера , хотя ни одна из более крупных проектов не была завершена при жизни Бэббиджа.
Арифмометр — это механические компьютеры , и Комптометр которые являются предшественниками современных цифровых компьютеров . Модели, используемые для изучения современных компьютеров, называются « Машиной состояний» и «Машиной Тьюринга» .
Молекулярные машины
Биологическая молекула миозина реагирует на АТФ и АДФ, поочередно взаимодействуя с актиновой нитью и изменяя ее форму таким образом, что возникает сила, а затем отделяется, чтобы восстановить свою форму или конформацию. Это действует как молекулярный двигатель, вызывающий сокращение мышц. Аналогичным образом, биологическая молекула кинезин состоит из двух секций, которые попеременно взаимодействуют с микротрубочками и отсоединяются от них, заставляя молекулу двигаться по микротрубочкам и транспортируя пузырьки внутри клетки, и динеин , который перемещает груз внутри клетки по направлению к ядру и вызывает аксонемное биение подвижных ресничек и жгутики . «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 соединенным ими мобильным белковым доменам на большие расстояния. рекрутировать своих партнеров по связыванию и вызывать аллостерию через динамику белковых доменов ». [55] За производство энергии отвечают другие биологические машины, например АТФ-синтаза , которая использует энергию градиента протонов через мембраны для приведения в движение турбинного движения, используемого для синтеза АТФ , энергетической валюты клетки. [56] отвечают и другие машины За экспрессию генов , в том числе ДНК-полимеразы для репликации ДНК . [ нужна цитата ] РНК-полимеразы для производства мРНК , [ нужна цитата ] сплайсосома для удаления интронов и рибосома для синтеза белков . Эти машины и их наноразмерная динамика гораздо сложнее, чем любые молекулярные машины , которые до сих пор были созданы искусственно. [57] Эти молекулы все чаще рассматриваются как наномашины . [ нужна цитата ]
Исследователи использовали ДНК для создания наноразмерных четырехстержневых связей . [58] [59]
Влияние
Механизация и автоматизация
Механизация (или механизация в BE ) обеспечивает людей-операторов оборудованием, которое помогает им выполнять мышечную работу или заменяет мышечную работу. В некоторых областях механизация включает использование ручных инструментов. В современном использовании, например, в технике или экономике, механизация подразумевает оборудование, более сложное, чем ручные инструменты, и не включает простые устройства, такие как неприводная лошадь или ослиная мельница. Устройства, которые вызывают изменение скорости или переход от возвратно-поступательного движения к вращательному движению с использованием таких средств, как шестерни , шкивы или шкивы и ремни, валы , кулачки и кривошипы , обычно считаются машинами. После электрификации, когда большая часть мелкой техники больше не приводилась в движение вручную, механизация стала синонимом моторизованных машин. [60]
Автоматизация – это использование систем управления и информационных технологий для снижения потребности в человеческом труде при производстве товаров и услуг. В рамках индустриализации автоматизация представляет собой шаг за пределы механизации . В то время как механизация обеспечивает людей-операторов оборудованием, помогающим им справляться с мускульными потребностями в работе, автоматизация также значительно снижает потребность в сенсорных и умственных потребностях человека. Автоматизация играет все более важную роль в мировой экономике и повседневной жизни.
Автоматы
Автомат (множественное число: автоматы или автоматы) — это самодействующая машина. Это слово иногда используется для описания робота , точнее автономного робота . Игрушечный автомат был запатентован в 1863 году. [61]
Механика
Ашер [62] сообщает, что трактат Героя Александрийского по механике был посвящен изучению поднятия 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 твердого тела для определения реакций подшипников, после чего учитываются эффекты упругости. Динамика твердого тела изучает движение систем взаимосвязанных тел под действием внешних сил. Предположение о том, что тела являются жесткими, а значит, не деформируются под действием приложенных сил, упрощает анализ, сводя параметры, описывающие конфигурацию системы, к перемещению и вращению систем отсчета, прикрепленных к каждому телу. [63] [64]
Динамика системы твердого тела определяется ее уравнениями движения , которые выводятся с использованием либо законов движения Ньютона, либо лагранжевой механики . Решение этих уравнений движения определяет, как изменяется конфигурация системы твердых тел в зависимости от времени. Формулировка и решение динамики твердого тела является важным инструментом компьютерного моделирования механических систем .
Кинематика машин
Динамический анализ машины требует определения движения или кинематики ее составных частей, известного как кинематический анализ. Предположение о том, что система представляет собой совокупность жестких компонентов, позволяет математически моделировать вращательное и поступательное движение как евклидовы или жесткие преобразования . Это позволяет определять положение, скорость и ускорение всех точек компонента на основе этих свойств опорной точки, а также углового положения, угловой скорости и углового ускорения компонента.
Конструкция машины
Проектирование машины относится к процедурам и методам, используемым для решения трех этапов жизненного цикла машины :
- изобретение, которое включает в себя выявление потребности, разработку требований, создание концепции, разработку прототипа, производство и проверочные испытания;
- проектирование производительности включает повышение эффективности производства, снижение требований к обслуживанию и техническому обслуживанию, добавление функций и повышение эффективности, а также проверочные испытания;
- переработка — это этап вывода из эксплуатации и утилизации, включающий восстановление и повторное использование материалов и компонентов.
Смотрите также
- Автомат
- Зубчатая передача
- История технологии
- Соединение (механическое)
- Список компаний-производителей механического, электрического и электронного оборудования по выручке
- Механизм (инжиниринг)
- Механическое преимущество
- Схема автоматизации
- Схема машин
- Мощность (физика)
- Простые машины
- Технологии
- Виртуальная работа
- Работа (физика)
Рекомендации
- ^ Перейти обратно: а б Ашер, Эбботт Пейсон (1988). История механических изобретений . США: Courier Dover Publications. п. 98. ИСБН 978-0-486-25593-4 . Архивировано из оригинала 18 августа 2016 г.
- ^ Словарь американского наследия , второе издание для колледжа. Компания Хоутон Миффлин, 1985 г.
- ^ «μηχανή». Архивировано 29 июня 2011 г. в Wayback Machine , Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, Греко-английский лексикон , о проекте «Персей».
- ^ «μῆχος». Архивировано 29 июня 2011 г. в Wayback Machine , Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, Греко-английский лексикон , о проекте «Персей».
- ^ Оксфордские словари, машина
- ^ Карл фон Лангсдорф (1826) Машиноведение , цитируется в Рело, Франц (1876). Кинематика машин: Очерки теории машин . Макмиллан. стр. 604 .
- ^ Тереза МакГуайр, Свет на священных камнях , в Конн, Мари А.; Тереза Бенедикт Макгуайр (2007). Не запечатлено в камне: очерки о ритуальной памяти, душе и обществе . Университетское издательство Америки. п. 23. ISBN 978-0-7618-3702-2 .
- ^ Датч, Стивен (1999). «Догреческие достижения» . Наследие Древнего мира . Страница профессора Стива Датча, Univ. Висконсин в Грин Бэй. Архивировано из оригинала 21 августа 2016 года . Проверено 13 марта 2012 г.
- ^ Мури, Питер Роджер Стюарт (1999). Древние месопотамские материалы и промышленность: археологические свидетельства . Эйзенбрауны . ISBN 9781575060422 .
- ^ Д.Т. Поттс (2012). Спутник археологии Древнего Ближнего Востока . п. 285.
- ^ Перейти обратно: а б Пайпетис, SA; Чеккарелли, Марко (2010). Гений Архимеда - 23 века влияния на математику, науку и технику: материалы международной конференции, состоявшейся в Сиракузах, Италия, 8-10 июня 2010 г. Springer Science & Business Media . п. 416. ИСБН 9789048190911 .
- ^ Кларк, Сомерс; Энгельбах, Реджинальд (1990). Древнеегипетское строительство и архитектура . Курьерская компания . стр. 86–90. ISBN 9780486264851 .
- ^ Файэлла, Грэм (2006). Технология Месопотамии . Издательская группа Розен . п. 27. ISBN 9781404205604 .
- ^ Перейти обратно: а б Мури, Питер Роджер Стюарт (1999). Древние месопотамские материалы и промышленность: археологические свидетельства . Эйзенбрауны . п. 4. ISBN 9781575060422 .
- ^ Арнольд, Дитер (1991). Строительство в Египте: каменная кладка фараонов . Издательство Оксфордского университета. п. 71. ИСБН 9780195113747 .
- ^ Вудс, Майкл; Мэри Б. Вудс (2000). Древние машины: от клиньев до водяных колес . США: Книги XXI века. п. 58. ИСБН 0-8225-2994-7 .
- ^ Вуд, Майкл (2000). Древние машины: от ворчания до граффити . Миннеаполис, Миннесота: Runestone Press. стр. 35, 36 . ISBN 0-8225-2996-3 .
- ^ Азимов, Исаак (1988), «Понимание физики» , Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Barnes & Noble, стр. 88, ISBN 978-0-88029-251-1 , заархивировано из оригинала 18 августа 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б Чиу, Ю.К. (2010), Введение в историю управления проектами , Делфт: Eburon Academic Publishers, стр. 42, ISBN 978-90-5972-437-2 , заархивировано из оригинала 18 августа 2016 г.
- ^ Остдик, Верн; Борд, Дональд (2005). Запрос по физике . Томпсон Брукс/Коул. п. 123. ИСБН 978-0-534-49168-0 . Архивировано из оригинала 28 мая 2013 г. Проверено 22 мая 2008 г.
- ^ Стрижак, Виктор; Игорь Пеньков; Тойво Паппель (2004). «Эволюция конструкции, применения и прочностные расчеты резьбы и резьбовых соединений» . HMM2004 Международный симпозиум по истории машин и механизмов . Издательство Kluwer Academic. п. 245. ИСБН 1-4020-2203-4 . Архивировано из оригинала 7 июня 2013 г. Проверено 21 мая 2008 г.
- ^ Ахмад И. Хасан , Дональд Рутледж Хилл (1986). Исламские технологии: иллюстрированная история , с. 54. Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-42239-6 .
- ^ Лукас, Адам (2006), Ветер, Вода, Работа: древние и средневековые технологии фрезерования , Brill Publishers, стр. 65, ISBN 90-04-14649-0
- ^ Элдридж, Фрэнк (1980). Ветровые машины (2-е изд.). Нью-Йорк: Litton Educational Publishing, Inc., с. 15 . ISBN 0-442-26134-9 .
- ^ Шепард, Уильям (2011). Производство электроэнергии с использованием энергии ветра (1-е изд.). Сингапур: World Scientific Publishing Co. Pte. ООО с. 4. ISBN 978-981-4304-13-9 .
- ^ Таки ад-Дин и первая паровая турбина, 1551 г. н. э. Архивировано 18 февраля 2008 г. на веб-странице Wayback Machine , доступ в Интернете 23 октября 2009 г.; на этой веб-странице имеется ссылка на Ахмада И. Хасана (1976), Таки ад-Дин и арабское машиностроение , стр. 34–5, Институт истории арабской науки, Университет Алеппо .
- ^ Ахмад Ю. Хасан (1976), Таки ад-Дин и арабское машиностроение , стр. 34–35, Институт истории арабской науки, Университет Алеппо.
- ^ Лаквете, Анжела (2003). Изобретение хлопкоочистительной машины: машина и миф в довоенной Америке . Балтимор: Издательство Университета Джона Хопкинса. стр. 1–6. ISBN 9780801873942 .
- ^ Пейси, Арнольд (1991) [1990]. Технологии в мировой цивилизации: тысячелетняя история (первое издание MIT Press в мягкой обложке). Кембридж, Массачусетс: MIT Press. стр. 23–24.
- ^ Жмолек, Михаил Эндрю (2013). Переосмысление промышленной революции: пять столетий перехода от аграрного к промышленному капитализму в Англии . БРИЛЛ. п. 328. ИСБН 9789004251793 .
Вращающаяся Дженни была, по сути, адаптацией своего предшественника — прялки.
- ^ Кутсер, Теун (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 .
- ^ Капур, Аджай; Карнеги, Дейл; Мерфи, Джим; Лонг, Джейсон (2017). «Дополнительные громкоговорители: история электроакустической музыки без громкоговорителей» . Организованный звук . 22 (2). Издательство Кембриджского университета : 195–205. дои : 10.1017/S1355771817000103 . ISSN 1355-7718 .
- ^ Профессор Ноэль Шарки, Программируемый робот 13-го века (Архив) , Университет Шеффилда .
- ^ Перейти обратно: а б Кребс, Роберт Э. (2004). Революционные эксперименты, изобретения и открытия средневековья . Издательская группа Гринвуд. п. 163. ИСБН 978-0-313-32433-8 . Архивировано из оригинала 28 мая 2013 г. Проверено 21 мая 2008 г.
- ^ Стивен, Дональд; Лоуэлл Кардуэлл (2001). Колеса, часы и ракеты: история техники . США: WW Norton & Company. стр. 85–87. ISBN 978-0-393-32175-3 . Архивировано из оригинала 18 августа 2016 г.
- ^ Армстронг-Элуври, Брайан (1991). Управление машинами с трением . США: Спрингер. п. 10. ISBN 978-0-7923-9133-3 . Архивировано из оригинала 18 августа 2016 г.
- ^ Пеннок, Г.Р., Джеймс Ватт (1736-1819), Выдающиеся деятели в области механизма и машиноведения, изд. М. Чеккарелли, Springer, 2007 г., ISBN 978-1-4020-6365-7 (печать) 978-1-4020-6366-4 (онлайн).
- ^ Бек Б., Роджер (1999). Всемирная история: закономерности взаимодействия . Эванстон, Иллинойс: Макдугал Литтел.
- ^ Чемберс, Эфраим (1728 г.), «Таблица механики», Циклопедия, Полезный словарь искусств и наук , том. 2, Лондон, Англия, с. 528, фото 11 .
- ^ Мун, ФК , Коллекция кинематических механизмов Рело в Корнельском университете, 1999 г. Архивировано 18 мая 2015 г. в Wayback Machine.
- ^ 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 Корнельского университета .
- ^ Перейти обратно: а б с Дж. Дж. Уикер, Г. Р. Пеннок и Дж. Э. Шигли, 2003, Теория машин и механизмов , Oxford University Press, Нью-Йорк.
- ^ «механический» . Оксфордский словарь английского языка (онлайн-изд.). Издательство Оксфордского университета . (Требуется подписка или членство участвующей организации .)
- ^ в словаре Merriam-Webster. Определение механического слова Архивировано 20 октября 2011 г. в Wayback Machine.
- ^ Перейти обратно: а б Рело, Ф., 1876 г. Кинематика машин. Архивировано 2 июня 2013 г. в Wayback Machine (пер. и с аннотациями ABW Кеннеди), переиздано Дувром, Нью-Йорк (1963).
- ^ Дж. М. Маккарти и Г. С. Со, 2010, Геометрический дизайн связей, Архивировано 19 августа 2016 г. в Wayback Machine Springer, Нью-Йорк.
- ^ Определение двигателя Мерриам-Вебстер
- ^ «Двигатель внутреннего сгорания», Краткая энциклопедия науки и технологий , третье издание, Сибил П. Паркер, изд. McGraw-Hill, Inc., 1994, с. 998 .
- ^ Бретт, Кристофер М.А.; Бретт, Ана Мария Оливейра (1993). Электрохимия: принципы, методы и приложения . Оксфорд; Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-855389-2 . OCLC 26398887 .
- ^ Перейти обратно: а б Кромптон, TR (20 марта 2000 г.). Справочник по аккумуляторам . Эльзевир. ISBN 978-0-08-049995-6 .
- ^ Перейти обратно: а б «Солнечные элементы — характеристики и использование» .
- ^ Перейти обратно: а б Фернандес-Яньес, П.; Ромеро, В.; Армас, О.; Серретти, Дж. (01 сентября 2021 г.). «Тепловый менеджмент термоэлектрических генераторов для утилизации отходов энергии» . Прикладная теплотехника . 196 : 117291. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2021.117291 . ISSN 1359-4311 .
- ^ Дж. Дж. Уикер, Г. Р. Пеннок и Дж. Э. Шигли, 2003, Теория машин и механизмов , Oxford University Press, Нью-Йорк.
- ^ Роберт Л. Нортон, Проектирование машин, (4-е издание), Прентис-Холл, 2010 г.
- ^ Сатир, Питер; Сорен Т. Кристенсен (26 марта 2008 г.). «Строение и функции ресничек млекопитающих» . Гистохимия и клеточная биология . 129 (6): 687–93. дои : 10.1007/s00418-008-0416-9 . ПМК 2386530 . ПМИД 18365235 . 1432-119Х.
- ^ Кинбара, Казуши; Аида, Такудзо (1 апреля 2005 г.). «На пути к интеллектуальным молекулярным машинам: направленное движение биологических и искусственных молекул и агрегатов». Химические обзоры . 105 (4): 1377–1400. дои : 10.1021/cr030071r . ISSN 0009-2665 . ПМИД 15826015 .
- ^ Бу Зи, Callaway DJ (2011). «Белки ДВИГАЮТСЯ! Динамика белков и дальняя аллостерия в передаче сигналов в клетках». Структура белка и болезни . Достижения в области химии белков и структурной биологии. Том. 83. стр. 163–221. дои : 10.1016/B978-0-12-381262-9.00005-7 . ISBN 9780123812629 . ПМИД 21570668 .
- ^ Маррас, А., Чжоу, Л., Су, Х. и Кастро, CE. Программируемое движение механизмов ДНК-оригами, Труды Национальной академии наук, 2015. Архивировано 4 августа 2017 г. в Wayback Machine.
- ^ Маккарти, К., Механизмы и машины ДНК-оригами | Mechanical Design 101, 2014 г. Архивировано 18 сентября 2017 г. в Wayback Machine.
- ^ Джером (1934) дает отраслевую классификацию станков как «отличных от ручного привода». Начиная с переписи населения США 1900 года, использование электроэнергии было частью определения фабрики, что отличало ее от мастерской.
- ^ «Ведомство по патентам и товарным знакам США, патент № 40891, игрушечный автомат » . Гугл Патенты . Проверено 7 января 2007 г.
- ^ А. П. Ашер, 1929, История механических изобретений. Архивировано 2 июня 2013 г. в Wayback Machine , издательство Гарвардского университета (перепечатано Dover Publications, 1968).
- ^ Б. Пол, Кинематика и динамика планарных машин, Прентис-Холл, Нью-Джерси, 1979.
- ^ Л.В. Цай, Анализ роботов: механика последовательных и параллельных манипуляторов, Джон-Уайли, Нью-Йорк, 1999.
дальнейшее чтение
- Оберг, Эрик; Франклин Д. Джонс; Холбрук Л. Хортон; Генри Х. Риффель (2000). Кристофер Дж. МакКоли; Риккардо Хилд; Мухаммед Икбал Хусейн (ред.). Справочник по машинам (26-е изд.). Industrial Press Inc. Нью-Йорк: ISBN 978-0-8311-2635-3 .
- Рело, Франц (1876). Кинематика машин . Пер. и аннотировано ABW Кеннеди. Нью-Йорк: перепечатано Дувром (1963).
- Уикер, Джей-Джей; Г. Р. Пеннок; Дж. Э. Шигли (2003). Теория машин и механизмов . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
- Оберг, Эрик; Франклин Д. Джонс; Холбрук Л. Хортон; Генри Х. Риффель (2000). Кристофер Дж. МакКоли; Риккардо Хилд; Мухаммед Икбал Хусейн (ред.). Справочник по машинам (30-е изд.). Industrial Press Inc. Нью-Йорк: ISBN 9780831130992 .
Внешние ссылки
СМИ, связанные с машинами, на Викискладе? 
Цитаты, связанные с машиной, в Wikiquote - Коллекция механизмов и машин Рело - Корнельский университет
Промышленно - технологическая революция |
|---|
