人類在勞動(dòng)實(shí)踐中創(chuàng)造了生產(chǎn)工具,最早發(fā)明的一些簡單工具后來演變成為簡單機(jī)械,它包括劈、斜面、螺旋、杠桿和滑輪等。在中國戰(zhàn)國時(shí)期的著作《墨經(jīng)》中和古希臘阿基米德的著作中都有關(guān)于簡單機(jī)械及其力學(xué)原理的論述。
機(jī)械利益 起初人們應(yīng)用簡單機(jī)械主要是為了獲得機(jī)械利益,即用小的力來獲得大的力,或稱為增力。如稱施于機(jī)械上的驅(qū)動(dòng)力為輸入力,從機(jī)械所獲得的有用力為輸出力,則機(jī)械利益定義為輸出力與輸入力的比值。除了能改變力的大小外,有時(shí)為了改變作用力的方向或作用點(diǎn)的位置而應(yīng)用簡單機(jī)械。此外,有時(shí)為了增大位移而應(yīng)用簡單機(jī)械。例如,儀表的指針、鑷子等,在這種情況下,輸入力大于輸出力。
簡單機(jī)械工作時(shí)處于靜止或低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),分析其工作原理時(shí),可以應(yīng)用力和力矩的平衡條件求得輸入力和輸出力之間的關(guān)系式,此關(guān)系式中包含有簡單機(jī)械的幾何參數(shù),例如劈的楔角、斜面的傾角、螺旋的螺紋導(dǎo)角、杠桿支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離和滑輪的半徑等。如根據(jù)這種關(guān)系式來改變簡單機(jī)械的幾何參數(shù),可以使小的(或大的)輸入力與大的(或小的)輸出力相平衡。
機(jī)械功原理 當(dāng)簡單機(jī)械工作時(shí),可將它的運(yùn)動(dòng)分為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)這兩種不同形式的運(yùn)動(dòng)可用不同的方法來計(jì)算力所做的功;平動(dòng)時(shí)用力的大小與力的作用點(diǎn)沿力作用線的方向所移動(dòng)的距離的乘積來計(jì)算;轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)用力矩的大小與繞力矩轉(zhuǎn)軸所轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角的乘積計(jì)算。在一般情形下,輸入力做的功為正值,稱為輸入功;輸出力做的功為負(fù)值,稱為輸出功。如不考慮摩擦所消耗的功(例如杠桿和滑輪等),當(dāng)簡單機(jī)械處于平衡狀態(tài)時(shí),輸入功與輸出功的代數(shù)和為零,或輸入功與輸出功的大小相等,這稱為機(jī)械功原理。這說明簡單機(jī)械雖可省力但不能省功。輸入力小,但其作用點(diǎn)移動(dòng)距離大;輸出力大,但其作用點(diǎn)移動(dòng)距離小。所謂力學(xué)的“黃金律”:“得之于力者,失之于速度。”早在16世紀(jì)當(dāng)伽利略研究斜面上重物平衡問題時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn),這就是從實(shí)踐中總結(jié)出來的機(jī)械功原理。
研究斜面和螺旋等簡單機(jī)械時(shí),應(yīng)考慮摩擦力(見摩擦)所消耗的功。這時(shí)機(jī)械功原理表示為:輸入功、輸出功和摩擦力所消耗的功的代數(shù)和為零。輸出功的值小于輸入功的值。輸出功與輸入功的比值稱為機(jī)械效率。有摩擦?xí)r,機(jī)械效率總小于1。
簡單機(jī)械的應(yīng)用 簡單機(jī)械雖然十分古老,但它在現(xiàn)代各種機(jī)械和儀器中仍然被廣泛采用。在許多機(jī)器中都可以找到不同形式的簡單機(jī)械或由簡單機(jī)械演變而來的各種機(jī)械。典型實(shí)例之一如材料強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)中的螺旋加載裝置、楔形夾持器具、杠桿與滑輪組成的記錄裝置等。金屬切削機(jī)床中的操縱手把多由杠桿演變而來,夾具多由劈與斜面演變而來,絲杠則是螺旋的直接應(yīng)用。在物料運(yùn)輸和提升的裝置和設(shè)備中,斜面和螺旋的應(yīng)用更為普遍。這些實(shí)例說明:簡單機(jī)械是現(xiàn)代機(jī)械的基礎(chǔ)之一。