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簡單機械簡單機械

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Academic year: 2022

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(1)

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簡單機械

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簡單機械

為了生活上的各種生活需要與方便,

人們設計了各種機械裝置,藉助於 機械,以使用較小的力氣、較快的 速度或為了操作方便來達成作功的 目的

(3)

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使用機械的目的

(1) 省力

(2) 省時

(3) 操作方便

使用任何一種簡單機械的好處,僅 能有上述三種功能之一,即省時必 費力,省力必費時,不可能又省時 又省力。

(4)

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使用機械的目的

機械可以省力,但不能省功或是省能;

可以傳遞功與能,但是不能創造出額 外的功和能;由於機械摩擦的關係,

在能轉換的過程中,還會損失一部份 的功與能。

(5)

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簡單機械構造原理

可以分為下列兩種:

(1) 應用槓桿原理者:槓桿、滑輪、

輪軸。

(2) 應用斜面原理者:斜面、螺旋。

(6)

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槓桿

1. 槓桿:凡可以繞著一固定點或 固定軸而轉動的硬棒,均可以用 來當作槓桿使用。

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槓桿

2. 槓桿定律-當槓桿平衡時,對支 點所產生的順時鐘力矩和,等於逆

時鐘力矩和,此關係稱為槓桿定律。

(公式:d

1

F

1

=d

2

F

2

)

(8)

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槓桿

(9)

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槓桿定律

槓桿定律指出當施力與其從施力 點到支點距離的乘積等於抗力與

其從抗力點到支點距離的乘積時,

我們稱此一槓桿是處於平衡的狀 態下。

(10)

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槓桿的機械利益

從槓桿所能節省的施力或輸 出力與作用力之比皆可稱為 機械利益。例如,若施一力 100Kg可移動1,000Kg的物 體時,此機械利益等於10。

(11)

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槓桿的機械利益

雖然摩擦是必然存在的,通 常摩擦力太小對結果不會有 重大影響,所以忽略之。但 是槓桿本身的重量通常是必 須考慮的。槓桿重心所在的 位置,往往可使機械利益增 加、不變或減少。

(12)

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槓桿的種類

依支點、施力點、抗力點的相對位置 分成三種

支點在施力點與抗力點之間的槓桿 (支點在中間)

功用:省力費時或省時費力。

例:天平、蹺蹺板、剪刀、起釘器、

開罐器、坩堝鉗。

(13)

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第一類槓桿

支點位於施力點與抗力點之間。剪 刀及拔釘鎚即屬於此類槓桿。

(14)

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槓桿的種類

(15)

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槓桿的種類

(16)

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槓桿的種類

抗力點在支點與施力點之間的槓桿 (抗力點在中間)

功用:省力費時。

例:開瓶器、裁紙刀、獨輪手推車、

釘書機、破果鉗。

(17)

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第二類槓桿

抗力點位於支點及施力點之間。手推 車、胡桃鉗、開瓶器、裁紙刀即屬此 類槓桿。

重要優點在於可以較小力量舉起或移 動較重的重物

(18)

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槓桿的種類

(19)

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槓桿的種類

施力點在支點與抗力點之間的槓桿 (施力點在中間)

(1) 功用:省時費力。

(2) 例:如筷子、掃把、鎳子、麵包 夾、球拍、球棒、釣魚桿、鏟子、鋤 頭。

(20)

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第三類槓桿

施力點位於支點及抗力點之間。彎曲在 肘部的手臂、鑷子、筷子、掃帚即屬此 類槓桿。

優點在於增加施力所推動物體的速度,

所移動物體的距離較第二類槓桿所移動 的距離遠。

(21)

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槓桿的種類

(22)

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輪軸

1. 輪軸是兩個或多個半徑不等的圓 輪,固定在同一軸心所成的機械。

2. 例:方向盤、喇叭鎖、螺絲起子、

車軸帶動車輪。

(23)

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輪軸

(24)

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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R是輪 上作用力的力臂,而軸半徑r是 軸上作用力的力臂,此時的輪軸 恰為支點在中間的槓桿。

(25)

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輪軸的應用

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。

(26)

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輪軸的應用

水車是輪軸的 重要應用,水 的力量在槳葉 輪邊緣,可使 中心軸旋轉而

帶動其他機械。

(27)

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輪軸的應用

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。

(28)

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輪軸的應用

絞盤也是輪 軸的應用,

操作時由水 手合力推動 長柄,中心 軸繞著繩子 或鐵鍊旋轉

而將錨拉起。

(29)

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輪軸的應用

門的喇叭鎖是輪與軸的例子。圓形把手 的半徑較穿過門的心軸為大。使我們能 以較小作用力來旋轉心軸。若是取掉圓 形把手只靠心軸本身來旋轉,將發現沒

有輪軸機械的幫助,旋轉軸心非常困難。

其他如:方向盤、螺絲起子等也是輪軸 的應用。

(30)

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輪軸的應用

輪、軸兩者都可用不同尺寸的齒輪取 代,如:自行車的鏈輪。

(31)

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滑輪

滑輪是邊緣有凹槽,能繞中心軸 自由旋轉的小輪。有定滑輪及動 滑輪兩種。

(32)

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定滑輪

定滑輪:滑輪的 軸固定不動的,

稱為「定滑 輪」。

(33)

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定滑輪

定滑輪可視為支點在中間,

且兩臂等長的槓桿應用。以 定滑輪吊起重物時,繩上施

力與物重相等,即不會省力。

(34)

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定滑輪

使用定滑輪吊起物體時,只 是為了改變力的作用方向,

達到操作方便的目的。

(35)

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定滑輪

使用定滑輪時,繩子拉力的 方向和拉力的大小無關,此

因拉力的方向總是和臂垂直,

故物體被拉升的方向與拉繩 子的方向無關。

(36)

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動滑輪

動滑輪:滑輪 的軸可隨物體 上下移動),

稱為「動滑 輪」。

(37)

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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 槓桿的應用。

(38)

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動滑輪

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。

(39)

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動滑輪

使用動滑輪時,拉力的大小 和拉繩的方向有關。拉力F 的大小視拉繩方向和垂直方 向之夾角的增加而增大。

(40)

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動滑輪

動滑輪像抗力點在中間的槓桿(抗力 點在中間)省力施力大小為物體與滑 輪重量和的一半;施力拉動距離為物 體上升高度的兩倍。

(41)

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動滑輪

若將動滑輪及定滑輪合成滑 輪組,則既省力又可改變力 量的方向。

(42)

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滑輪組

(43)

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斜面

斜面是與水平面成一傾斜角度的平 面,是一種省力的機械。

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斜面

若摩擦力可忽略時:施力所 做的功 = 物體所獲得的重力 位能。

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斜面

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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 的力將物體檯至高處。

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斜面

斜角愈小愈省力,但費時。

例:樓梯蜿蜒而的山路、螺絲、附 螺紋的瓶蓋刀子。

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斜面

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。刀、

斧及人類門牙均為 楔的例子。

(49)

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斜面

早在西元前 2500年埃及 人建金字塔 時,即使用 斜面來移動 巨大石塊。

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當一物體沿一光滑

斜面

斜面向上推時,將 其提高到斜面頂端 所需的力是F=wh/d

Fd= w h (F作功=增加的位能) F=w h / d

F:平行斜面施於物 體的外力

W:物重

h:斜面高度

d:斜面長度

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斜面

•斜面減少了提高物體所需 之外力,因斜面具有機械 利益,即d/h比值。斜面 越平緩,機械利益越大。

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斜面

拉鏈也是斜面 應用的一種,

斜面使拉拉鏈 的微小力量轉 換成足以分合 鏈齒的強大力 量。

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螺旋

(54)

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螺旋

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、附螺紋的瓶 蓋、螺旋式汽車千 斤頂等都是應用螺 旋的裝置。

(55)

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螺旋

螺旋是效率極高用 途極廣的機械設備 的元件。阿基米德 螺旋機是最早的螺 旋機械之一,當時 的人用它來把水從 低位升到高位。

(56)

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螺旋

其他的螺旋機械包 括:經由溝槽運送

物體的螺旋運送機;

把肉送入切刀的家 庭絞肉機;讓木屑 片可順其螺紋跑出 的木工鑽孔機等。

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結論

省力、省時、改變方向;但絕不能省功。

1. 各種機械都能傳遞功但不能省功。

2. 有些機械可以省力又改變力量的方向。

3. 有些機械可以省時又改變力量的方向。

4. 機械無法同時省力又省時。

參考文獻

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