凡能使我們省力或得到方便的工具,都可稱為「機械」,因此我們首先必須要知道的是,機關偃甲究竟如何幫助我們「省力」。 一般常用的機械大都是由槓桿、輪軸、滑輪以及斜面等幾種基本元件組合而成,機械可以幫我們省力、或加快速度(省時)、或操作方便(改變力的方向)。以下便由「槓桿、輪軸、滑輪、斜面」四種省力方式來概述。 一、槓桿: 由「支點」、「施力點」、「抗力點」所組成,凡可繞著一固定點而轉動的棍子,均可視為「槓桿」。 利用槓桿有時是為了省力(代價是施力的移動距離加長),有時是為了加速(代價是運用較大的力),有的是為了獲得方向改變的效果。不管其目的如何,當槓桿在施力與抗力作用下平衡時,由槓桿原理可知施力對支點產生的力矩必等於抗力對支點產生的力矩。 舉凡日常生活中常見之筷子、剪刀、火鉗、拔釘器等,均使用了槓桿原理。 二、輪軸: 由兩個半徑不等的圓輪,固定在同一軸心上,這種機械稱為輪軸。輪軸事實上是槓桿的變體,若把軸心當做支點,則輪半徑是為輪上作用力的力臂,而軸半徑是為軸上作用力的力臂,此時的輪軸恰為支點在中間的槓桿。 若施力在輪上時,由於施力臂較大,因此施力會小於抗力,此時的輪軸必省力,而代價則是施力移動距離加長。若施力在軸上時,由於施力臂較小,因此施力會大於抗力,此時的輪軸必費力,但施力的移動距離較短。 一般常見的包括竹蜻蜓、擀麵棍兒、螺絲起子、馬車車輪等,均為輪軸的應用。 三、滑輪: 邊緣有凹槽,能繞中心軸自由旋轉的心輪,稱為「滑輪」,可分為定滑輪與動滑輪兩種。 滑輪的軸固定不動的,稱為「定滑輪」,定滑輪可視為支點在中間,且兩臂等長的槓桿應用。使用定滑輪吊起物體時,當繩上施力與物重相等,只是為了改變力的作用方向,達到操作方便的目的,並不會省力,例如打井水所使用的「轆轤」便是依此原理。 滑輪的軸可隨物體上下移動者,稱為「動滑輪」。動滑輪可視為抗力點在中間,且施力臂為抗力臂兩倍長的槓桿應用。以動滑輪吊升物體時,繩上施力的大小約為物重的一半,可以達到省力的效果。例如軍用器具中的「絞車」,便是此原理。 自然,倘若將「定滑輪」及「動滑輪」結合運用,則可達到省力又改變施力方向的效果。 四、斜面: 和水平面成傾斜的光滑平面,稱為「斜面」。 以斜面裝置拉動滑車至高處的施力,比直接吊起滑車至高處的施力要小,也就是說,斜面可以用較小的力將物體抬至高處。斜面愈長或斜面高愈短即斜角愈小,則愈省力。 日常生活中有很多事物應用斜面的原理而達到省力的目的,如樓梯、蜿蜒而上的山路等等均是,若將兩個斜面結合在一起,則形成一種稱為「楔」(或稱為劈)的簡易機器。楔在切割並分裂東西非常有用,常見的刀、斧均為楔的例子。若將斜面圍繞在圓柱上,則形成稱為螺旋的簡易機器。常用來鎖住物體的螺絲等都是應用螺旋的裝置。 ◆課文參考出處 |