機械的力量與美

齒輪、滑輪、杠桿、斜面、螺旋……這些我們常見的小零件，通過精密地配合、完美地協(xié)調(diào)，組成了大型的機械，它們能夠代替人類在惡劣環(huán)境中完成危險系數(shù)高的工作和生產(chǎn)，造就了人類科技與工業(yè)文明的奇跡。機械所展現(xiàn)出的力量、秩序、精度，都營造出奇妙的美感。

從日常生活到高科技領(lǐng)域，機械普遍存在，現(xiàn)在就讓我們“化繁為簡”，一起來欣賞機械之美吧！

圓圓，方方，奇形怪狀

齒輪是輪緣有齒，能實現(xiàn)連續(xù)互相嚙合的機械元件。齒輪的分類方法有很多：按齒形可以分為圓柱齒輪、錐齒輪、非圓齒輪、齒條、蝸桿蝸輪等：按齒線形狀可分為直齒輪、斜齒輪、人字齒輪、曲線齒輪等：按輪齒所在的表面可分為外齒輪、內(nèi)齒輪：按制造方法可分為鑄造齒輪、切制齒輪、軋制齒輪、燒結(jié)齒輪等。

其中有一種特殊的齒輪——非圓齒輪，它也被稱作“異形齒輪”。非圓齒輪主要有鸚鵡螺齒輪、方形齒輪、橢圓齒輪以及其他各種非圓形齒輪組合。

在天津科學技術(shù)館“機械之巧”展區(qū)就有這樣一件由8組不同非圓齒輪組成的展品——非圓齒輪。通過手輪、內(nèi)部傳動單元等零件的配合，參觀者可以觀察到非圓齒輪的嚙合狀態(tài)。

實驗檔案

實驗名稱：非圓齒輪

實驗原理：非圓齒輪是分度曲面不是旋轉(zhuǎn)曲面的齒輪，它和另一個齒輪組成齒輪副以后，在嚙合過程中，其瞬時角速度比按某種既定的運動規(guī)律變化。

展品應用：雖然非圓齒輪形狀的多樣性給其制造帶來了一定的難度，但它同樣也是用以實現(xiàn)某種特定的運動要求，或改善運動性能和動力特性的必備零件，被廣泛應用于自動化儀表、解算裝置印刷機械、紡織機械等各種專用機械中。

機械動起來

要想讓機械動起來，光有齒輪可不行，生活中我們用到的各種自動、半自動化的設備，都是由不同的機械機構(gòu)組成的，它們之間又通過機械傳動的方式，讓不同的設備動起來。

繼續(xù)深入“機械之巧”展區(qū)可以看到10組由不同實用機構(gòu)構(gòu)成的大展臺——機械傳動。參觀者通過點擊按鈕，帶動機構(gòu)運轉(zhuǎn)，可以直觀感受生活中以及工業(yè)生產(chǎn)中的機械傳動之美。

機械傳動主要可分為兩種：一是靠機件間的摩擦力傳遞動力和運動的摩擦傳動，包括帶傳動、繩傳動和摩擦輪傳動等：二是靠主動件與從動件嚙合或借助中間件嚙合傳遞動力或運動的嚙合傳動，包括齒輪傳動、鏈傳動、螺旋傳動等。

小齒輪有大作為

要說起在現(xiàn)代各種設備中應用最廣泛的機械傳動形式，還要數(shù)齒輪傳動，即由齒輪傳遞運動和動力的裝置。

說它是最廣泛的傳動形式，你可別不信，其實在我們每個人的家里就有它的應用實例。不信，你可以將家里的掛鐘拿下來，翻過來會發(fā)現(xiàn)在掛鐘的背后就有兩個齒輪樣式的零件，轉(zhuǎn)動齒輪，掛鐘上的指針就開始了轉(zhuǎn)動，這就是最普遍的一種齒輪傳動。

齒輪傳動具有傳動精度高、傳遞的功率范圍寬、可實現(xiàn)平行軸、相交軸、交錯軸等空間任意兩軸間的傳動，以及工作可靠，使用壽命長等特點，因此能夠用于大功率的場合，但對于制造精度和安裝精度具有較高的要求。

展品手搖風扇就是這樣一件利用了齒輪傳動方式的展品，但它較為特別的地方是采用了更為精密的行星齒輪傳動方式。

實驗檔案

實驗名稱：手搖風扇

實驗原理：展品由行星齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪、齒輪、鏈條、防護罩以及風扇等零件組成。行星齒輪是指除了能像傳統(tǒng)齒輪那樣圍繞自身的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，還能夠隨著行星架圍繞其他齒輪的軸線進行轉(zhuǎn)動的齒輪系統(tǒng)，就像太陽系中的行星們圍繞中心太陽進行運動那樣，因此得名。太陽輪中心軸上安裝有齒輪，齒輪通過齒形皮帶帶動為扇葉輸出動力。行星齒輪傳動與普通齒輪傳動相比，最顯著的特點是在傳遞動力時可以進行功率的分流，并且其本身的輸入軸和輸出軸處在同一條水平線上。

展品應用：行星齒輪傳動現(xiàn)在已被廣泛應用于各種機械傳動系統(tǒng)中的減速器、增速器和變速裝置之中。

不容小覷的連桿機構(gòu)

離開緊密嚙合的小齒輪，參觀者即將步入“連桿”地帶。連桿機構(gòu)，又稱“低副機構(gòu)”，是機械的組成部分中的一類，往往由兩個或以上有確定相對運動的構(gòu)件用轉(zhuǎn)動副或移動副聯(lián)接組成的機構(gòu)，具有制造簡便，易于獲得較高的制造精度的特點。

在天津科學技術(shù)館“機械之巧”展區(qū)，參觀者可以親自操作一件由6個不同的精巧連桿機構(gòu)組成的展品——精巧連桿。參觀者通過轉(zhuǎn)動手柄，可以透過玻璃窗觀察連桿機構(gòu)進行轉(zhuǎn)動、擺動、移動和平面或空間復雜運動。

實驗檔案

實驗名稱：精巧連桿

實驗原理：連桿機構(gòu)由若干連桿、軸組成，而軸與桿的相對運動很明顯是相對轉(zhuǎn)動——即轉(zhuǎn)動副，同時在連桿機構(gòu)演變中，圓周率運動，擺動會被演化為直線運動。

展品應用：平面連桿機構(gòu)是一種常見的傳動機構(gòu)，其最基本并且應用最廣泛的一種形式是由四個構(gòu)件組成的平面四桿機構(gòu)，它被廣泛應用于各種機械和儀表中。生活中最為常見的例子便是車輛必備的雨刮器，它通過相連的軸使四連桿機構(gòu)左右擺動，而四連桿機構(gòu)通過連接軸帶動雨刷做幅度相同的左右擺動，從而達到刮水效果。此外，展品中模仿飛行以及爬行動作的連桿機構(gòu)還催生了機械仿生學。

撬起世界的杠桿

沿著展廳繼續(xù)前進，率先映入眼簾的是一句廣為流傳的話語：“給我一個支點，我就能撬起整個地球?！边@是被譽為“力學之父”的古希臘哲學家阿基米德說過的名言。在撬起地球的過程中，除了支點這個已經(jīng)明確提出的要素，還有一件必不可少的裝備——杠桿。

杠桿也是一種簡單機械，它是指在力的作用下能繞著固定點轉(zhuǎn)動的硬棒。杠桿形狀各異，使用時實現(xiàn)替人們省力或者省距離的效果。阿基米德就曾利用杠桿解決了很多難題。

阿基米德如何撬起地球 趣聊科學家之阿基米德

阿基米德青年時期曾只身前往埃及學習幾何學。有一天他看見建造金字塔的人們利用撬棍把沉重的石塊往上撬，當?shù)厝诉€用汲水吊桿從井里取水等現(xiàn)象，他感到很好奇，為什么通過這樣的“杠桿”，會很省力呢？他陷入了深深的思考，并從中得到了啟示。經(jīng)過反復地實驗和推算，阿基米德確立了杠桿的平衡定律：力臂和力（重量）成反比例。換句話說，就是：小重量是大重量的多少分之一重，長力臂就應當是短力臂的多少倍長。為此，他給國王寫信道：“我不費吹灰之力，就可以隨便移動任何重量的東西。只要給我一個支點，給我一根足夠長的杠桿，我連地球都可以撬動?！?/p>

之后，阿基米德回國利用這一原理，國王也想要知道阿基米德究竟有多大的本事，就讓他去碼頭看看他是否有辦法把皇家輪船建造者從麻煩中解救出來，他們剛建造了一艘豪華的輪船，打算將它獻給埃及國王托勒密，卻無法使它下水。

阿基米德來到碼頭一看，這艘船竟然有4000噸，他微微一笑，心想，這不就是杠桿定理發(fā)揮作用的時候了嘛！于是，他叫工匠在船的前后左右安裝了一套設計精巧的滑車和杠桿，然后叫100多人在大船前面，一起抓住一根繩子，再讓國王另外牽動一根繩，眾人一起用力，杠桿的力使滑車移動，大船就慢慢地滑入了海中。

鎖頭里的秘密

在展廳的最后還擺著一件大家非常熟悉的物件——鎖。

雖然現(xiàn)在發(fā)達的科技已經(jīng)改造了人們的家門，智能門鎖被更多的人廣泛使用，但其實鎖在中國也具有悠久的歷史。

在遠古時代，聰明的人類已經(jīng)懂得把個人貴重的物品用獸皮包裹起來并在開啟處打上特殊的繩結(jié)。利用一個名字叫作“錯”的工具才能挑開。它由獸牙或獸骨制成，形狀像鐮刀狀的鉤子。這個繩結(jié)就是最早的鎖具，工具“錯”就是最早的鑰匙，它們共同組成了我國鎖具的雛形。

后來逐漸出現(xiàn)了木制的鎖“門閂”和金屬的鎖“三簧鎖”，此時的金屬鎖已與我們常用的鎖的原理基本一致了。全機械結(jié)構(gòu)的鎖，雖然結(jié)構(gòu)簡單，卻結(jié)實可靠，操作簡單，后來走進千家萬戶，成為每一個家庭的“守護者”。

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實驗名稱：現(xiàn)代密碼鎖

實驗原理：一般密碼鎖有一個連接到心軸的密碼撥號盤。在鎖內(nèi)部，心軸連通幾個轉(zhuǎn)輪和一個驅(qū)動凸輪。凸輪機構(gòu)是由凸輪、從動件和機架三個基本構(gòu)件組成的高副機構(gòu)。凸輪一般為主動件，作等速回轉(zhuǎn)運動或往復直線運動。與凸輪連接的從動件的運動規(guī)律取決于凸輪的輪廓線或凹槽的形狀，凸輪可將連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為往復的直線運動，可以實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律。通過左右轉(zhuǎn)動，將各輪片盤上的缺口重合在一起，就可成功打開鎖。