人類(lèi)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(jiǎn)單工具后來(lái)演變成為簡(jiǎn)單機械,它包括劈、斜面、螺旋、杠桿和滑輪等。在中國戰國時(shí)期的著(zhù)作《墨經(jīng)》中和古希臘阿基米德的著(zhù)作中都有關(guān)于簡(jiǎn)單機械及其力學(xué)原理的論述。
機械利益 起初人們應用簡(jiǎn)單機械主要是為了獲得機械利益,即用小的力來(lái)獲得大的力,或稱(chēng)為增力。如稱(chēng)施于機械上的驅動(dòng)力為輸入力,從機械所獲得的有用力為輸出力,則機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)的位置而應用簡(jiǎn)單機械。此外,有時(shí)為了增大位移而應用簡(jiǎn)單機械。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(jiǎn)單機械工作時(shí)處于靜止或低速運動(dòng)狀態(tài),分析其工作原理時(shí),可以應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(jiǎn)單機械的幾何參數,例如劈的楔角、斜面的傾角、螺旋的螺紋導角、杠桿支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離和滑輪的半徑等。如根據這種關(guān)系式來(lái)改變簡(jiǎn)單機械的幾何參數,可以使小的(或大的)輸入力與大的(或小的)輸出力相平衡。
機械功原理 當簡(jiǎn)單機械工作時(shí),可將它的運動(dòng)分為平動(dòng)和轉動(dòng),對這兩種不同形式的運動(dòng)可用不同的方法來(lái)計算力所做的功;平動(dòng)時(shí)用力的大小與力的作用點(diǎn)沿力作用線(xiàn)的方向所移動(dòng)的距離的乘積來(lái)計算;轉動(dòng)時(shí)用力矩的大小與繞力矩轉軸所轉動(dòng)的轉角的乘積計算。在一般情形下,輸入力做的功為正值,稱(chēng)為輸入功;輸出力做的功為負值,稱(chēng)為輸出功。如不考慮摩擦所消耗的功(例如杠桿和滑輪等),當簡(jiǎn)單機械處于平衡狀態(tài)時(shí),輸入功與輸出功的代數和為零,或輸入功與輸出功的大小相等,這稱(chēng)為機械功原理。這說(shuō)明簡(jiǎn)單機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?!痹缭?6世紀當伽利略研究斜面上重物平衡問(wèn)題時(shí)已經(jīng)發(fā)現,這就是從實(shí)踐中總結出來(lái)的機械功原理。
研究斜面和螺旋等簡(jiǎn)單機械時(shí),應考慮摩擦力(見(jiàn)摩擦)所消耗的功。這時(shí)機械功原理表示為: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(chēng)為機械效率。有摩擦時(shí),機械效率總小于1。
簡(jiǎn)單機械的應用 簡(jiǎn)單機械雖然十分古老,但它在現代各種機械和儀器中仍然被廣泛采用。在許多機器中都可以找到不同形式的簡(jiǎn)單機械或由簡(jiǎn)單機械演變而來(lái)的各種機械。典型實(shí)例之一如材料強度試驗機中的螺旋加載裝置、楔形夾持器具、杠桿與滑輪組成的記錄裝置等。金屬切削機床中的操縱手把多由杠桿演變而來(lái),夾具多由劈與斜面演變而來(lái),絲杠則是螺旋的直接應用。在物料運輸和提升的裝置和設備中,斜面和螺旋的應用更為普遍。這些實(shí)例說(shuō)明:簡(jiǎn)單機械是現代機械的基礎之一。