机器

定义

《现代汉语词典》一类工具书对机器的通行解释是：由零部件组装而成、可以运转的装置，作用是代替人的劳动、完成能量变换或产生有用功^[1]。台湾《国语辞典》的表述与之相近，强调机器由各种零件构成，经操控运转可节省人力，使工作更为便利^[5]。汉语大词典还录有另一层用法，即以机器比喻机构或活动的机体^[4]。

在机械原理中，机器的界定更为严格。学界通常给出 3 项特征：它是人为的实物组合体；各组成部分之间具有确定的相对运动；能在生产过程中代替或减轻人的劳动，完成有用的机械功或实现机械能的转换。只满足前两项而缺少第三项的装置称为机构，例如钟表与绘图装置。机器与机构的合称则是机械^[3]。

原理

机器做功的基础是力与运动的传递。机械工程学把机器看作刚体或抗变形物体的组合，动力由动力部分产生，经传动部分改变运动形式与力的方向，再由工作部分作用于对象，控制部分则协调各部分动作^[6]。这一过程中，机器本身并不产生能量，只把输入的能量转换为所需形式，或把力转移到需要克服阻力的位置^[7]。

对于简单机械，其效益可用机械优势描述，即输出力与施力之比。以杠杆为例，平衡时满足 $F_1 L_1 = F_2 L_2$，其中 $F_1$、$F_2$ 为动力与阻力，$L_1$、$L_2$ 为对应的力臂^[8]。由此可知，省力必然要以增大施力点的位移为代价，功本身既不能由机械创造，也不能被机械消灭，理想情况下输入功等于输出功^[9]。

以电动卷扬机为例，电动机把电能转为机械能，转子经三角带、轴与齿轮减速后带动卷筒旋转，卷筒收放钢丝绳并通过滑轮组升降重物，从而把机械能转变为提升载荷所需的机械功^[10]。

发展历程

「机器」在古代汉语里先指一般的器械、器具。宋代诗文已出现该词，如黄庭坚诗中有「机器爬沙聚水兵」之句；清代文献则用它指借助机械装置制造的器物，与人力作业相对照^[4]。现代工程学意义上的机器概念，是伴随西方工业革命逐步形成的^[11]。

在西方，简单机械的知识可追溯到公元前 3 世纪。阿基米德研究杠杆、滑轮与螺旋，提出杠杆机械优势的原理^[12]。亚历山大城的赫隆在《力学》中列出杠杆、卷扬机、滑轮、楔块与螺钉 5 类装置，并说明其制法与用法，但古希腊人的认识主要限于静力平衡，尚未涉及功的概念^[12]。

文艺复兴以后，对机器的研究转入动力学。1586 年弗兰德工程师西蒙·斯蒂文求出斜面的机械优势，伽利略于 1600 年在《论力学》中建立简单机械的动力学理论，并指出机械只能改变能量而不能创造能量^[12]。19 世纪，英国学者威利斯在 1841 年的《机械学原理》中、德国学者勒洛在 1875 年的《理论运动学》中，分别给出以构件连接和确定运动为核心的机器定义，机器概念由此趋于严密^[3]。

中文「机械」的现代含义多经日语转译而来。20 世纪以后，机械原理课程把机器与机构并列讲授，机器、机构、构件、零件等术语形成层次分明的体系^[7]。

应用

机器广泛用于生产与服务各环节。按功能可分为动力机械、加工机械、运输机械、信息机械等；按服务行业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械、包装机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等^[10]。中国机械行业曾把主要机械产品归为 12 大类，包括农业机械、重型矿山机械、工程机械、石化通用机械、电工机械、机床、汽车、仪器仪表、基础机械、包装机械、环保机械等^[10]。

在日常生活中，缝纫机、洗衣机、汽车、火车、轮船、飞机、起重机以及机器人都是机器的具体形态，构造与用途差异很大^[10]。就连自行车这类看似简单的器具，也把车轮、杠杆与滑轮组合在一起，属于复合机器的范畴^[12]。

局限

机器能够省力或改变施力方向，但不能同时省力又省时，也不能凭空增加功。任何简单机械在使用时只有省力、省时、便于操作三者之一，省力必然费时，省时必然费力^[13]。由于摩擦不可避免，能量转换过程中还会损失一部分功与能^[13]。

从定义上看，单纯传递或改变运动形式的装置只是机构，并不构成机器；机器必须另有动力与做功环节^[6]。此外，「简单机械」只是一种便于分析的归纳，工业革命以后出现的现代机器形态与复杂程度已超出 6 种简单机械的分类所能涵盖的范围^[12]。

参见

• 机械 —— 机器与机构的总称，是机械工程学的基本概念。

• 机构 —— 各构件具有确定相对运动的组合体，只传递运动而不必然完成功。

• 简单机械 —— 杠杆、滑轮、斜面、螺旋、楔块、轮轴等构成复杂机器的基本元件。

• 杠杆 —— 绕支点转动的刚性杆件，是最早被系统研究的简单机械之一。

• 机械优势 —— 输出力与施力之比，用于衡量机械放大力量的程度。