Máy cuốn thuốc lá của James Albert Bonsack, được phát minh năm 1880 và được cấp bằng sáng chế năm 1881
Các nhà triết học tự nhiên thời kỳ Phục hưng đã xác lập sáu máy cơ đơn thuần là những thiết bị cơ bản đặt tải trọng vào hoạt động và thống kê giám sát tỷ suất giữa lực đầu ra với lực nguồn vào, ngày này được gọi là lợi thế cơ khí. [ 1 ]
Máy móc hiện đại là một hệ thống phức tạp gồm các yếu tố cấu trúc, cơ chế, thành phần điều khiển và giao diện. Ví dụ về máy móc bao gồm nhiều loại. Chúng xuất hiện trong hầu hết cuộc sống hàng ngày của con người như: phương tiện giao thông (như xe đạp, xe máy, ô tô, tàu thuyền,… máy bay), thiết bị gia dụng (như máy bơm, tủ lạnh, bình nóng lạnh (là các máy nhiệt), điều hòa, quạt điện,…), cũng như các máy nông nghiệp, máy công cụ và robot.
Rìu tay, được sản xuất bằng cách bẻ vụn đá để tạo thành hình nêm, được con người cầm vào tay để biến lực và hoạt động của dụng cụ thành lực chia cắt ngang và hoạt động của phôi. Rìu cầm tay là ví dụ tiên phong về cái nêm, là loại máy truyền kiếp nhất trong số 6 loại máy đơn thuần cổ xưa mà hầu hết những máy đều dựa trên. Máy đơn thuần truyền kiếp thứ hai là mặt phẳng nghiêng ( đoạn đường nối ), [ 2 ] đã được sử dụng từ thời tiền sử để vận động và di chuyển những vật nặng. [ 3 ] [ 4 ]
Bốn loại máy đơn giản khác được phát minh ở Cận Đông cổ đại.[5] Bánh xe, cùng với bánh xe và cơ cấu trục, được phát minh ở Lưỡng Hà (Iraq hiện đại) trong thiên niên kỷ thứ 5 TCN.[6] Cơ chế đòn bẩy xuất hiện lần đầu tiên vào khoảng 5.000 năm trước ở Cận Đông, nơi nó được sử dụng trong một quy mô cân bằng đơn giản,[7] và để di chuyển các vật thể lớn trong công nghệ Ai Cập cổ đại.[8] Các đòn bẩy cũng được sử dụng trong thiết bị bơm nước shadoof lên cao,là dạng máy cần cẩu đầu tiên, đã xuất hiện ở vùng Lưỡng Hà vào khoảng năm 3000 TCN[7] và sau đó trong công nghệ Ai Cập cổ đại vào khoảng năm 2000 TCN.[9] Bằng chứng sớm nhất về ròng rọc có từ thời Lưỡng Hà vào đầu thiên niên kỷ thứ 2 TCN,[10] và Ai Cập cổ đại trong Vương triều thứ 12 (1991-1802 trước Công nguyên).[11] Vít, loại máy đơn giản cuối cùng được phát minh,[12] lần đầu tiên xuất hiện ở Lưỡng Hà trong thời kỳ Tân-Assyria (911-609) TCN.[10] Các kim tự tháp Ai Cập được xây dựng bằng cách sử dụng ba trong số sáu máy đơn giản, mặt phẳng nghiêng, nêm và đòn bẩy, để tạo ra các cấu trúc giống như Kim tự tháp Giza.[13] Ba trong số những cỗ máy đơn giản đã được nhà triết học Hy Lạp Archimedes nghiên cứu và mô tả vào khoảng thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên: đòn bẩy, ròng rọc và trục vít.[14] Archimedes đã khám phá ra nguyên tắc lợi thế cơ học trong đòn bẩy.[15] Các nhà triết học Hy Lạp sau này đã định nghĩa năm loại máy đơn giản cổ điển (không bao gồm mặt phẳng nghiêng) và có thể tính toán sơ bộ lợi thế cơ học của chúng.[1] Heron of Alexandria (khoảng 10–75 SCN) trong tác phẩm Cơ học liệt kê năm cơ chế có thể “thiết lập tải trong chuyển động”; đòn bẩy, tời gió, ròng rọc, nêm và vít,[14] và mô tả cách chế tạo và sử dụng của chúng.[16] Tuy nhiên, sự hiểu biết của người Hy Lạp chỉ giới hạn ở tĩnh học (sự cân bằng của lực) và không bao gồm động lực học (sự cân bằng giữa lực và khoảng cách) hay khái niệm về công trong vật lý.
Những cỗ máy chạy bằng nước thực tiễn sớm nhất, guồng nước và cối xay nước, lần tiên phong Open ở Đế chế Ba Tư, ở Iraq và Iran ngày này, vào đầu thế kỷ thứ 4 TCN. [ 17 ] Những cỗ máy chạy bằng nguồn năng lượng gió trong thực tiễn sớm nhất, cối xay gió và máy bơm gió, lần tiên phong Open ở quốc tế Hồi giáo trong Thời kỳ Vàng của Hồi giáo, ở Iran, Afghanistan và Pakistan, vào thế kỷ thứ 9 sau Công nguyên. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] Máy chạy bằng hơi nước trong thực tiễn sớm nhất là máy kích hơi chạy bằng tuabin hơi, được Taqi al-Din Muhammad ibn Ma’ruf ở Ottoman, Ai Cập diễn đạt vào năm 1551. [ 22 ] [ 23 ]Máy tách bông được ý tưởng ở Ấn Độ vào thế kỷ thứ 6 sau Công nguyên, [ 24 ] và bánh xe quay được ý tưởng ở quốc tế Hồi giáo vào đầu thế kỷ 11, [ 25 ] cả hai đều là cơ sở cho sự tăng trưởng của ngành công nghiệp bông. Bánh xe quay cũng là tiền thân của jenny quay, đây là một bước tăng trưởng quan trọng trong cuộc Cách mạng Công nghiệp đầu thế kỷ 18. [ 26 ] Trục khuỷu và trục cam được Al-Jazari ở Bắc Lưỡng Hà ý tưởng vào khoảng chừng năm 1206, [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] và sau đó chúng trở thành TT của máy móc văn minh như động cơ hơi nước, động cơ đốt trong và điều khiển và tinh chỉnh tự động hóa. [ 30 ]
Máy móc lập trình được sớm nhất được phát triển ở thế giới Hồi giáo. Máy chơi nhạc tuần tự, một nhạc cụ lập trình được, là loại máy lập trình sớm nhất. Bộ phối ghép âm nhạc đầu tiên là một máy thổi sáo tự động do anh em Banu Musa phát minh, được mô tả trong Sách về những thiết bị khéo léo của họ, vào thế kỷ thứ 9.[31] Năm 1206, Al-Jazari đã phát minh ra máy tự động/robot có thể lập trình được. Ông mô tả bốn nhạc công tự động hóa, bao gồm cả những người đánh trống được vận hành bởi một máy đánh trống lập trình được, và họ có thể được tạo ra để chơi các nhịp điệu khác nhau và các kiểu đánh trống khác nhau.[32] Các tháp đồng hồi, một đồng hồ thiên văn chạy bằng sức nước cơ khí được Al-Jazari phát minh, là máy tính tương tự đầu tiên lập trình được.[33][34]
Trong thời kỳ Phục hưng, động lực học của Sức mạnh cơ học, như những cỗ máy đơn giản được gọi, bắt đầu được nghiên cứu trên quan điểm về mức độ hữu ích mà chúng có thể thực hiện, dẫn đến khái niệm mới về công cơ khí. Năm 1586, kỹ sư người Flemish, Simon Stevin, rút ra được lợi thế cơ học của mặt phẳng nghiêng, và nó được đưa vào cùng với các máy đơn giản khác. Lý thuyết động lực học hoàn chỉnh của các máy đơn giản được nhà khoa học người Ý Galileo Galilei đưa ra vào năm 1600 trong cuốn Le Meccaniche (“Về cơ học”).[35][36] Ông là người đầu tiên hiểu rằng máy móc đơn giản không tạo ra năng lượng, chúng chỉ biến đổi nó.[35]
Các quy tắc cổ xưa của ma sát trượt trong máy móc được Leonardo da Vinci ( 1452 – 1519 ) tìm ra, nhưng vẫn chưa được xuất bản trong sổ tay của ông. Chúng được phát hiện lại bởi Guillaume Amontons ( 1699 ) và được Charles-Augustin de Coulomb ( 1785 ) tăng trưởng thêm. [ 37 ]James Watt đã được cấp bằng bản quyền sáng tạo về link hoạt động song song của mình vào năm 1782, điều này đã làm cho động cơ hơi nước ảnh hưởng tác động kép trở nên thực tiễn. [ 38 ] Động cơ hơi nước Boulton và Watt và sau này phong cách thiết kế những đầu máy chạy bằng hơi nước, tàu hơi nước và nhà máy sản xuất chạy những động cơ này .Cách mạng Công nghiệp là một tiến trình từ năm 1750 đến năm 1850, nơi những đổi khác trong nông nghiệp, sản xuất, khai thác mỏ, giao thông vận tải vận tải đường bộ và công nghệ tiên tiến có ảnh hưởng tác động thâm thúy đến những điều kiện kèm theo xã hội, kinh tế tài chính và văn hóa truyền thống của thời đại. Nó khởi đầu ở Vương quốc Anh, sau đó lan rộng ra khắp Tây Âu, Bắc Mỹ, Nhật Bản và ở đầu cuối là phần còn lại của quốc tế .Bắt đầu từ cuối thế kỷ 18, khởi đầu có sự quy đổi trong những bộ phận của nền kinh tế tài chính lao động chân tay và động vật hoang dã trước kia của Vương quốc Anh sang sản xuất dựa trên máy móc. Nó mở màn với việc cơ giới hóa những ngành công nghiệp dệt, sự tăng trưởng của kỹ thuật luyện sắt và tăng cường sử dụng than tinh luyện .
Các máy móc đơn thuần[sửa|sửa mã nguồn]
Bảng các cơ chế máy móc đơn giản, từ Chambers ‘Cyclopædia, 1728.[39] Máy móc đơn giản cung cấp một “từ vựng” để hiểu các máy móc phức tạp hơn.
Ý tưởng rằng một cỗ máy hoàn toàn có thể được phân rã thành những thành phần hoàn toàn có thể hoạt động đơn thuần hơn đã khiến Archimedes định nghĩa đòn kích bẩy, ròng rọc và trục vít là những cỗ máy đơn thuần. Đến thời kỳ Phục hưng, list này tăng lên gồm có bánh xe và trục, nêm và mặt phẳng nghiêng. Cách tiếp cận văn minh để diễn đạt đặc tính của máy tập trung chuyên sâu vào những thành phần được cho phép hoạt động, được gọi là khớp nối .
Wedge (rìu tay): Có lẽ ví dụ đầu tiên về một thiết bị được thiết kế để quản lý quyền lực là rìu cầm tay, còn được gọi là biface và Olorgesailie. Một chiếc rìu cầm tay được làm bằng cách mài đá, thường là đá lửa, để tạo thành một cạnh hai mặt, hoặc hình nêm. Nêm là một máy đơn giản biến lực ngang và chuyển động của dụng cụ thành lực tách ngang và chuyển động của phôi. Sức mạnh sẵn có bị giới hạn bởi nỗ lực của người sử dụng công cụ, nhưng vì sức mạnh là sản phẩm của lực và chuyển động, nêm khuếch đại lực bằng cách giảm chuyển động. Sự khuếch đại này, hay lợi thế cơ học là tỷ số giữa tốc độ đầu vào và tốc độ đầu ra. Đối với một cái nêm, giá trị này được cho bởi 1 / tanα, trong đó α là góc chóp. Các mặt của hình nêm được mô hình hóa dưới dạng các đường thẳng để tạo thành khớp trượt hoặc khớp lăng trụ.
Đòn bẩy: Đòn bẩy là một thiết bị quan trọng và đơn giản khác để quản lý lực. Đòn bẩy là một vật thể xoay trên một điểm tựa. Vì vận tốc của một điểm ở xa trục lớn hơn vận tốc của một điểm gần trục nên các lực tác dụng ở xa trục được khuếch đại gần trục bằng sự giảm tốc độ liên quan. Nếu a là khoảng cách từ trục quay đến điểm đặt lực đầu vào và b là khoảng cách đến điểm đặt lực đầu ra thì a / b là lợi thế cơ học của đòn bẩy. Điểm tựa của đòn bẩy được mô phỏng như một khớp bản lề hoặc khớp quay.
Bánh xe: Bánh xe là một máy móc quan trọng, chẳng hạn như một cỗ xe. Một bánh xe sử dụng định luật đòn bẩy để giảm lực cần thiết để thắng ma sát khi kéo một tải trọng. Để thấy điều này, chú ý rằng ma sát liên quan đến việc kéo một tải trọng trên mặt đất xấp xỉ với ma sát trong một ổ trục đơn giản hỗ trợ tải trọng lên trục của bánh xe. Tuy nhiên, bánh xe tạo thành một đòn bẩy giúp phóng đại lực kéo để nó vượt qua lực cản ma sát trong ổ trục.
Hình minh họa về liên kết bốn thanh từ tác phẩm Động học của Máy móc, 1876
Việc phân loại những loại máy đơn thuần để đưa ra kế hoạch phong cách thiết kế những loại máy mới được tăng trưởng bởi Franz Reuleaux, người đã tích lũy và nghiên cứu và điều tra hơn 800 máy cơ bản. [ 40 ] Ông nhận ra rằng những máy móc đơn thuần cổ xưa hoàn toàn có thể được tách thành đòn kích bẩy, ròng rọc và bánh xe và trục được tạo thành bởi một khung hình quay quanh bản lề, và mặt phẳng nghiêng, nêm và vít tương tự như như một khối trượt trên một mặt phẳng. [ 41 ]
Máy móc đơn giản là những ví dụ cơ bản về chuỗi động học hoặc liên kết được sử dụng để mô hình hóa các hệ thống cơ khí khác nhau, từ động cơ hơi nước đến người điều khiển robot. Các ổ trục tạo thành điểm tựa của đòn bẩy và cho phép bánh xe, trục và ròng rọc quay là ví dụ về một cặp động học được gọi là khớp bản lề. Tương tự, mặt phẳng của một mặt phẳng nghiêng và nêm là những ví dụ về cặp động học được gọi là khớp trượt. Trục vít thường được xác định là cặp động học riêng của nó được gọi là khớp xoắn.
Nhận thức này cho thấy rằng chính những khớp, hoặc những liên kết phân phối hoạt động, là những yếu tố chính của máy móc. Bắt đầu với bốn loại khớp là khớp quay, khớp trượt, khớp cam và khớp bánh răng và những khớp tương quan như dây cáp, dây đai, hoàn toàn có thể hiểu máy là một tập hợp những cụ thể rắn liên kết những khớp này gọi là cơ cấu tổ chức. [ 42 ]Hai đòn kích bẩy, hoặc tay quay, được kết hợp thành một link bốn thanh phẳng bằng cách gắn một link liên kết đầu ra của một tay quay với nguồn vào của một tay quay khác. Các link bổ trợ hoàn toàn có thể được gắn để tạo thành link sáu thanh hoặc tiếp nối đuôi nhau để tạo thành rô bốt. [ 42 ]
Hệ thống cơ khí[sửa|sửa mã nguồn]
Động cơ hơi nước Boulton & Watt, 1784
Một hệ thống cơ khí quản lý công suất để hoàn thành một nhiệm vụ liên quan đến lực và chuyển động. Máy móc hiện đại là hệ thống bao gồm (i) nguồn công và các bộ truyền động tạo ra lực và chuyển động, (ii) một hệ thống các cơ cấu định hình đầu vào của bộ truyền động để đạt được ứng dụng cụ thể của lực đầu ra và chuyển động, (iii) bộ điều khiển với các cảm biến so sánh đầu ra với mục tiêu hiệu suất và sau đó hướng đầu vào của bộ truyền động và (iv) một giao diện với người vận hành bao gồm đòn bẩy, công tắc và màn hình.
Điều này hoàn toàn có thể được nhìn thấy trong động cơ hơi nước của Watt ( xem hình minh họa ), trong đó nguồn năng lượng được phân phối bởi hơi nước co và giãn để dẫn động piston. Cần trục chuyển dời, bộ ghép và tay quay đổi khác hoạt động thẳng của piston thành hoạt động quay của ròng rọc ở đầu ra. Cuối cùng, hoạt động quay của ròng rọc dẫn động bộ kiểm soát và điều chỉnh quả cầu điều khiển và tinh chỉnh van cho hơi nguồn vào xi lanh piston .Tính từ ” cơ khí ” đề cập đến kỹ năng và kiến thức trong ứng dụng trong thực tiễn của một môn thẩm mỹ và nghệ thuật hoặc khoa học, cũng như tương quan đến hoặc gây ra bởi hoạt động, lực vật lý, đặc tính hoặc tác nhân như được giải quyết và xử lý bởi cơ học. [ 43 ] Tương tự Merriam-Webster Dictionary [ 44 ] định nghĩa ” cơ khí ” là tương quan đến máy móc hoặc công cụ .Luồng nguồn năng lượng qua máy phân phối một cách để hiểu hiệu suất của những thiết bị khác nhau, từ đòn kích bẩy và hộp số đến xe hơi và mạng lưới hệ thống rô bốt. Nhà cơ học người Đức Franz Reuleaux [ 45 ] đã viết, ” một cỗ máy là sự tích hợp của những cơ quan chịu lực được sắp xếp sao cho bằng những lực cơ học của tự nhiên hoàn toàn có thể bị ép buộc làm việc làm kèm theo một số ít hoạt động xác lập. ” Chú ý rằng lực và hoạt động tích hợp để xác lập hiệu suất .Gần đây hơn, Uicker et al. [ 42 ] công bố rằng máy móc là ” một thiết bị để sử dụng nguồn năng lượng hoặc đổi khác hướng của nó. ” McCarthy và Soh [ 46 ] miêu tả một cỗ máy như một mạng lưới hệ thống ” thường gồm có một nguồn nguồn năng lượng và một chính sách sử dụng có trấn áp nguồn nguồn năng lượng này. ”
Nguồn nguồn năng lượng[sửa|sửa mã nguồn]
Động cơ diesel, ly hợp ma sát và bộ truyền bánh răng của ô tô.
Máy phát điện Ganz sơ khai ở Zwevegem, Tây Flanders, Bỉ
Nỗ lực của con người và động vật hoang dã là nguồn nguồn năng lượng khởi đầu cho máy móc sơ khai .
Bánh xe nước: Bánh xe nước xuất hiện trên khắp thế giới vào khoảng năm 300 trước Công nguyên để sử dụng nước chảy để tạo ra chuyển động quay, được áp dụng để xay xát ngũ cốc, cung cấp năng lượng cho các hoạt động gia công và dệt. Các tuabin nước hiện đại sử dụng nước chảy qua đập để chạy máy phát điện.
Cối xay gió: Những chiếc cối xay gió ban đầu sử dụng năng lượng gió để tạo ra chuyển động quay cho các hoạt động xay xát. Các tuabin gió hiện đại cũng dẫn động một máy phát điện. Điện này đến lượt nó được sử dụng để điều khiển động cơ tạo thành các bộ truyền động của hệ thống cơ khí.
Động cơ: Từ động cơ bắt nguồn từ “sự khéo léo” và ban đầu được dùng để chỉ các thiết bị có thể là thiết bị vật lý hoặc không. Xem định nghĩa của Merriam-Webster về động cơ. Động cơ hơi nước sử dụng nhiệt để đun sôi nước chứa trong bình áp suất; hơi giãn nở dẫn động một piston hoặc một tuabin. Nguyên tắc này có thể được nhìn thấy trong aeolipile của Hero of Alexandria. Đây được gọi là động cơ đốt ngoài.
Động cơ xe hơi được gọi là động cơ đốt trong vì nó đốt cháy nguyên vật liệu ( một phản ứng hóa học tỏa nhiệt ) bên trong một xi lanh và sử dụng những khí nở ra để dẫn động một piston. Động cơ phản lực sử dụng một tuabin để nén không khí được đốt cháy bằng nguyên vật liệu để nó nở ra qua vòi phun để phân phối lực đẩy cho máy bay, và như vậy cũng là một ” động cơ đốt trong “. [ 47 ]
Nhà máy điện: Nhiệt từ quá trình đốt cháy than và khí tự nhiên trong lò hơi tạo ra hơi nước làm quay tua bin hơi nước để quay máy phát điện. Nhà máy điện hạt nhân sử dụng nhiệt từ lò phản ứng hạt nhân để tạo ra hơi nước và năng lượng điện. Nguồn điện này được phân phối thông qua mạng lưới đường dây tải điện cho mục đích công nghiệp và cá nhân.
Động cơ: Động cơ điện sử dụng dòng điện AC hoặc DC để tạo ra chuyển động quay. Động cơ servo điện là thiết bị truyền động cho các hệ thống cơ khí từ hệ thống robot đến máy bay hiện đại.
Năng lượng chất lỏng: Hệ thống thủy lực và khí nén sử dụng máy bơm dẫn động bằng điện để dẫn nước hoặc không khí tương ứng vào xi lanh để cung cấp năng lượng cho chuyển động thẳng.
- Machine tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
- Oberg, Erik (2000). Christopher J. McCauley, Riccardo Heald, and Muhammed Iqbal Hussain (biên tập). Machinery’s Handbook. Franklin D. Jones, Holbrook L. Horton, and Henry H. Ryffel (ấn bản 26). New York: Industrial Press Inc. ISBN 0-8311-2635-3.
Máy cuốn thuốc lá của James Albert Bonsack, được phát minh năm 1880 và được cấp bằng sáng chế năm 1881
