机械发展史

机械发展史第一章揭开技术发明的序幕•1、技术的萌芽•2、工业革命•3、动力的发展与进步•4、电的利用1、技术的萌芽我们人类的生活无不与机械有关，早晨起床时，穿在身上的衣服是用机械织成的布制作的；吃早饭时，所使用的电锅和烤面包箱等也是用机械制造的；喝茶时，使用的开水也是使用工厂里制造出来的燃料——煤气烧开的，白天乘坐的电车、汽车等也都是机械，而且，道路也是用机械修筑的。另外，我们居住的房子、城市里高高耸立的多层建筑也都是用机械盖起来的。因此，我们随时随地都在享受着机械带来的恩惠。这些机械是怎样制造出来的呢？最初的机械，当然不象现在的机械这样复杂，但正是这样极其简单的机械代替了人的手脚，被人们所使用，并逐渐发展起来了，最后才成为今天这个样子。而且，今后机械发展的趋势是将会越来越复杂。为了更好地理解现在我们所使用的、维持我们生活的各种复杂的机械，重要的是首先了解一下最初所使用的极其简单的机械是怎样发展成为复杂机械的这一过程。一．什么是机械？①古代的认识“机械”的最早定义机和械两的字起源，在我国很早。机在古代曾指弩箭的发动部分，如《书•太甲上》有：“若虞机张”；《说文解字》：“上发谓之机。”这里“机”指某种特定的机械，即“弩机”。弩机——利用机械力量发射箭镞的一种远射兵器，是由弓演变而来的，是弓的发展。械的古义为器械、用具。♠《荀子•王制》：“农夫不砍削，不陶冶，而足械用。”这里“械”指农具；♠《墨子•公输篇上》；“公输盘为楚造云梯之械成。”此“械”指军械；♠《文选•司马迁报任少卿书》：“淮阴，王也，受械于陈。”李善注：“械，谓桎梏也。”此“械”指刑具。机和械两个字有时同时使用，如♠《莊子•外篇》中记载，子貢給机械定义为：“能使人用力寡而見功多的器械”；机械一词是什么时候合二为一的？说法不一，还有待考证。结论：综上所述，不论是机，或者是械，或机械，都有“用力少、致功多”的作用，以达到某种预期的使用目的。因此，自古以來，人们认识的机械有如下特征：第一、机械的目的是省力、提高效率；第二、机械是机巧的发明，而絕不是意味“死板”。②现代一般的说法现对自行车、内燃机、电动机、车床、汽车等机械分析(组成、运动与功能)如下：自行车1)组成2）运动3）工作内燃机1)组成2）运动3）工作序号机械名称主要组成运动关系实现功能备注1自行车车架、前轮、后轮、辐条、中轴、后轴、前轴、大链轮、小链轮、链条、脚蹬、车座等大链轮（转动）→链条→小链轮（转动），有确定的相对运动关系做机械功2内燃机汽缸、汽缸套、活塞、连杆、曲轴、齿轮、凸轮轴、进排气门、气缸盖、汽缸体、进排气管等活塞（移动）→连杆→曲轴（转动），有确定的相对运动关系热能→机械能3电动机电机壳、定子、转子、线圈、电机轴、轴承、电机端盖、螺钉、三相接线等通电电动机轴转动，有确定的相对运动关系电能→机械能4车床床头箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、机身、电机、带传动、齿轮、齿轮轴、主轴、光杠、丝杠等主轴（工件）转动、车刀移动→去除多余的材料，有确定的相对运动关系做机械功5汽车发动机、变速箱、传动系统、底盘行走系统、转向系统、电气系统、照明系统、车厢等发动机输出轴转动→传动轴→后轴传动，有确定的相对运动关系做机械功由上分析可知，机械具有三个共同特征：第一，由多个实物組合而成，或是多个实物的組合体；第二，各实物间具有確定的相对运动；第三，工作时，能转换机械能或完成有效的机械功。1）机械定义：凡具有以上全部特征的物体称机器；仅具有前二个特征的称机构；机械是机器与机构的总称。即：机构是由实物组成的、具有确定的相对运动以传递或转换运动的机械装置，如连杆机构、凸轮机构等；机器是由实物组成的、具有确定相对运动的、同时传递或利用机械能以达到预期使用目的的机械装置，如内燃机、电动机、水轮机发电机、运输机、金属切削机床等各种工作机；机械是机构、机器等的总称，包括机械工具和机组等。这里，工具是最早的机械、是一种特殊的简單机械、是一切机械的起點，一切复杂的机械都是由工具发展的結果。2）机械的分类中国古代机械历史悠久，发明创造丰富，种类繁多。为研究方便，对机械进行分类归纳整理，通常有以下分类：按中国机械的发展过程及使用时间分为：远古机械（简单工具）、古代机械、近代机械、現代机械等；按机械的功能分为：动力机械、传动机械、起重机械、运输机械、加工（粉碎）机械等；按机械服务的行业分为：农业机械、水利机械、化工机械、矿山机械、纺织机械、交通机械、工程机械等；按机械工作原理分为：热力机械、流体机械、电力机械、风力机械、仿生机械等；按机械复杂的程度分为：简单机械与复杂机械兩大类：简单机械有尖劈、杠杆、滑轮、轮轴和螺旋五种；而复杂机械是由原动机、传动机和工作机三部分組成的各种机械。2、什么是中国机械史？1）机械史的定义机械史是记述机械工具、机构、机器和机组在其原理、动力、材料、设计、制造、应用等方面的发展过程，分析其内在联系，研究机械科学技术的进步与社会发展的关系，探索机械发展规律及其应用（分析机械现状、预测机械术来、改进当前机械、指导今后机械发展）的科技史学科，它是机械科学技术的重要组成部分。中国机械历史悠久，发明创造丰富，种类繁多。英國李約瑟博士在其《中国科学技术史》的第一卷“总论”中，列举了中国古代传到欧洲、影响巨大的发明26种，其中机械有18种,占69%。可见：古代机械发明的种类之丰、數量之多、影響之大，都明显地多於现代机械所占的比例。1、技术的萌芽•1）人类和工具猿人一百万年前鱼类、两栖类、爬行类、哺乳类二十亿年前原始生物三十五亿年前人树上的类人猿到地下寻找食物，手里拿着木棒、石块打猎和保卫自己。这是天然工具，后来他们敲击和磨制加工木棒和石块，开始有意识制造可以满足某种目的的容易使用的工具。•1）人类和工具“使用工具”的创举是创造出人类的决定因素。使用工具劳动，大脑逐渐发达起来，后来学会使用火，生活发生变化，吃火烤或煮熟的动物和植物，食物丰富起来，生活得到改善。“火的发现和利用”对人类来说具有十分重大的意义。钻木取火弓钻钻孔•1）人类和工具公元前三~四千年左右，人类发现金属，学会熔炼，制造出任意形状的青铜工具。•1）人类和工具①简单工具自古以来被称之为五种简单的机械：杠杆、车轮、滑轮、斜面和螺旋今天，这些简单的机械作为机械技术的基础仍占有极其重要的地位古代埃及金字塔的建造就是这五种简单机械的典型应用。•1）人类和工具②神殿的自动开闭门2000年前的古希腊，有一个非常出色的技师叫希罗，他制造出了神殿自动门、神水自动出售机、里程表等。神殿自动门当有人拜神时，点燃祭坛上的油火，油火产生的热量就会使一个箱子里的空气膨胀，球形容器内的空气因膨胀产生压力，把容器内的水挤到桶内，桶内水多了，在重力作用下带动大门转轴转动，门就打开了。当火熄灭后，空气受冷缩小，大门于是就会关闭。当时的人们由于没有什么科学知识，还以为是神仙显灵，为他们开门呢！其实这种装置也就是现在人们经常使用的发动机的原理。•2）制粉机和水车最初是用石臼和木杵舂米粉或面，为了提高效率，在木杵上装了一个手柄，手握手柄捣谷物。后来在手柄设了一个支点，利用杠杆的原理，换成脚踏式的。后来人们发现可以利用水流的动能代替人力的水冲自动式。后来由发现了一种新的方法，把两块石头重合在一起，谷物放在两块石头之间，转动上面的石头就可以加工面粉了，这就是磨。•2）制粉机和水车•2）制粉机和水车卧式水车：石磨和水车的轴都是垂直的。立式水车：转动顺利，用木制齿轮，把水平轴的转动传递给垂直轴简单齿轮：圆板周围按一定的间隔插上小圆棒。①罗马型水车•2）制粉机和水车水车就是利用自然力的最早的动力。东方也造出了水车用于磨面（公元650年），在桃山时代，使用大型灌溉用水车，直径有15米。水车的动力应用到锻造工作。水车的动力应用到炼铁风箱操作，为了保证从水车到风箱的运动传递，发明了连杆机构。技术工作是改善人类生活的基础，是极其重要的。水车其他方面的应用：粉碎矿石、锯木头、驱动深井汲水泵。②水车的利用•3）钟表匠远在公元前，人们为了使农业劳动有规律，把一年分为365天，昼夜12等分。如何测量一日的长短呢？日晷，刻有因季节不同而不同的分度，阴天和夜晚不能使用；漏壶，底部钻有一小孔的桶，即使晚上也能计时；沙漏，以上的计时器，十分不准确，必须有人经常监视，十分不方便。•3）钟表匠①基特希比沃斯的漏壶公元前2000年左右，居住在古埃及亚历山大地方的工匠基特希比沃斯制作了一种特殊的漏壶，这种漏壶可以使水少许而均匀地按固定的速度从上部流进圆筒形容器里。将浮标插入容器内，浮标上放一个小偶人，随着水的增加浮标也上升，小偶人手中拿着的指示棒就能指示出表示时间的线，这种线是刻划在圆筒周围上的分度线，可以表示时间。表示这种时刻的分度因月份不同其间隔也不同。古时候人们把白天和夜间分成十二等分作一小时的时间长度，所以，如果是夏季和冬季的话，一小时的长度也是不同的。•3）钟表匠②机械钟13世纪制造出走时较准确的机械钟，里面有摆轮或擒纵机构。摆轮或擒纵机构——钟针能按一定速度转动的调速装置。欧洲最早的机械钟是图1所画的重锤式机械钟，这也是欧洲最早的一种依靠擒纵装置进行守时的计时器。•3）钟表匠②机械钟图2画出了这种机械钟主要工作机构的简化图。这种钟以一个重锤提供驱动力，悬挂重锤的绳子缠绕在一根轴上，重锤下落，带动轴转动，并将转动传递给守时机构。守时机构包括一套擒纵装置和横摆，擒纵装置主要由棘轮和带棘爪的心轴组成，心轴上方与横摆相连。当棘轮在重锤的带动下转动，上方的轮齿推开心轴上部的棘爪，使心轴转过一个角度，而这样刚好又使心轴下部的棘爪转过来挡在下方轮齿的去路上，棘轮继续转动将它推开后，心轴就转回原来的位置，完成了一次摆动。心轴每摆动一次，棘轮都转过一个相同的角度，而这种摆动的频率通过连在心轴上的横摆得到控制，从而具有等时性(如同单摆的等时性一样，这种等时性是可以用经典力学证明的)，这样，将棘轮的运动通过中轴传递给表盘上的指针，指针就可以匀速转动了。•3）钟表匠②机械钟13世纪制造出走时较准确的机械钟，里面有摆轮或擒纵机构。摆轮或擒纵机构——钟针能按一定速度转动的调速装置。1360年，德国的亨利·德威克为法国国王查理五世制造了一架重227千克、长9.8米的大钟，至今这座钟仍然安放在巴黎的正义宫内，它是现存的欧洲最早的金属机械钟，堪称欧洲金属钟的“老祖宗”。十五世纪末，德国贝塔·亨赖茵用发条代替砝码，从而制成小型的机械钟——怀表（纽伦堡的鸡蛋）•3）钟表匠②机械钟1538年，伽利略从教堂的挂灯的摆动意外发现了振摆的等时性。但是利用这种性质制成振摆钟的却是荷兰物理学家惠更斯，1660年制成。但是在航海中因船的摇摆而不能使用。1680年，伦敦钟表匠克莱曼发明了锚形擒纵轮，这种擒纵轮是通过和振摆一起运动的卡子摆来控制擒纵轮动作的。•3）钟表匠十七世纪中叶，出现了钟表店铺，由于制作齿轮和细轴的需要，发展了车床和钻床，店铺成了最好的培训学校，后来钟表匠利用积累的技术发明了纺织机、珍妮机、蒸汽轮船等等。1679年，罗伯特·虎克将游丝和摆轮安装到钟表里取代振摆，这种钟表就可以装在船上了。1679年，他发表了应力和应变的比例关系——著名的胡克定律。1736年，英国的哈里逊设计出一种精确的精密计时器，可以消除温度的影响，是一种精确的航海钟表。•4）从辘轳到车床水车的圆木棒和钟表的精密零部件需要准确加工。将绳子系在要切削的木棒上，交替拉动绳子的两端，棒子就可以转动了。再用刀具接触木棒，就可以顺利地切削圆棒。将绳子系在一根木棒“桥”（这叫做木条）上，该“桥”是安装在一根较高的棒子上，再将绳子绕在工件上，在下端安上一个踏板。而且，用脚踏下面的踏板，工件就可以左右转动。高棒上的木条就起了弹簧的作用。这种简单车床叫钢球车床脚踏踏板是最简单的驱动装置，到中世纪结束的时候，这种方法被应用于多种机械。另外，脚踏踏板使其转动的装置——曲轴，很早也被发明出来了，它是把往复运动变为旋转运动的最重要的方法之一。•4