機械

粵文又有叫或者簡稱，定義上係指某一啲特定類型嘅結構：一部機械具有唔曉郁嘅部份同曉郁嘅部份，重點特徵係能夠產生、轉變、或者運用機械能，並且用呢啲機械能達到某一啲特定嘅目的。一部機械會有：

功率來源，可以係人類同馬等嘅動物，又可以係風同水等自然物體所施嘅力；
部機械內部會有某啲機制，機制將呢啲 input 變成其設計者想要嘅 output；
呢啲輸出跟住可以做一啲有用嘅工作。

舉個例子說明，好似係一個電摩打噉，個摩打會由電嗰度攞功率，跟住佢內部嘅有一啲特殊設計嘅部件，令到佢每逢收到電能量，就會某啲部位旋轉，而呢個旋轉嘅部位如果駁落去個車轆嗰度，就可以用嚟驅動一架車。再廣義上啲噉睇嘅話，機械呢隻詞唔只包呢啲力學結構，仲可以包埋一啲運作嗰時主要產生、轉變或者運用機械能以外嘅能量做嘢嘅結構，例如電腦噉，就係一啲以非力學方式做運算嘅機械。

機械可以好簡單，又可以好複雜：六大簡單機械包括咗六款最基礎嘅機械，例如係槓桿同輪軸等，呢啲機械雖然簡單，但就能夠明顯噉令人用更少嘅力做更多嘅嘢；另一方面，廿一世紀嘅機械可以複雜得好交關，例如汽車、船、飛機、家用電器同埋係工廠嘅機械呀噉，呢啲機械有好多組成部份，有啲甚至會內置埋感應器同電腦，識監察自己做緊嘅工作係咪順利進行緊，或者做一啲好繁複－人手做唔嚟－嘅運算。呢啲各式各樣嘅機械喺各種行業當中都扮演咗不可或缺嘅角色。

基本概念

簡單機械 

簡單機械顧名思義，係最簡單嗰幾種機械。早喺公元前 2 世紀，古希臘數學家阿基米德經已有喺度思考「機械嘅組成元素」嘅諗頭，佢認為槓桿、滑輪、同螺旋係最簡單嘅機械，而且用呢三隻機械就可以砌嗮所有「可能存在嘅機械」出嚟，而佢及後嘅古希臘思想家仲有對佢嘅諗法做添加。打後 19 世紀德國機械工程師法蘭斯·烏勞斯研究咗 800 種基本嘅機械，佢指出，古典嘅簡單機械可以分做槓桿、滑輪、輪軸、鈄面、楔同螺旋六種。

簡單機械嘅共通點係冇任何識郁嘅組成部份，主要用途係改變一股力嘅方向或者大細：
槓桿，指一條剛硬、其中一個點以某啲方式固定咗嘅長條。如果有股力施落去枝槓桿嘅其中一端，另外一端就會有股向相反方向嘅力。現實例子有單車嘅手柄－一個踩單車嘅人能夠用手施力落去個手柄度，令到單車嘅前轆轉向。
輪軸由一個轆同一條軸組成，呢兩個元件之間通常靠啤令或者鉸接住，當枝軸轉嗰陣，個轆就會跟住轉。現實例子有車轆同埋多種嘅交通工具嘅轆。
滑輪，指用個轆嚟帶動繩或者纜等嘅長條，當個轆旋轉嗰時，能夠令到接駁咗喺條繩或者纜上面嘅物體郁動－由旋轉嘅力嗰度產生直線嘅郁動。現實例子有纜車嘅絞盤筒－喺纜車行駛嘅兩個點嘅尾端嗰度各有一個滑輪帶動一條鋼纜，而當兩個滑輪旋轉嗰時，吊喺條鋼纜上嘅列車就會跟住郁。
斜面即係打斜咗嘅平面，可以幫人用少啲力將一件物體由低位移上去高位嗰度。
楔，橫切面形狀呈三角形，一邊闊一邊尖，兩個側邊都係斜面。當尖嗰面撞落去一樣嘢嗰度，就比較容易將樣嘢破開兩邊。斧頭嘅頭就係一個典型嘅楔。 
螺旋係指一枝有螺旋條紋嘅桿，當枝桿旋轉嗰陣，就會令成枝桿向前或者向後郁－將旋轉嘅力轉做以直線施嘅力。螺絲就係一個典型嘅螺旋。

簡單機械曾經俾人認為係所有機械嘅基本組成元素，所有複雜嘅機械都係由簡單機械組成嘅，例如單車就用咗槓桿、輪軸同埋滑輪嘅原理，而好似單車呢啲由多種簡單機械砌出嚟嘅機械有陣時會俾人稱為複合機械。不過現代工程學經已得知，齋靠呢六種簡單機械係唔足以砌嗮所有現代機械出嚟嘅。

機械效益 

機械嘅主要價值在於佢哋能夠幫人類「用少啲力做多啲嘢」。一架機械會受到一股力，並且向一個負荷力作功，如果忽略摩擦力所引致嘅作功流失，「作用力施嘅作功」會等如「負荷力受嘅作功」，但係喺現實世界，前者基本上實會細過後者，而作用力同負荷力之間嘅比例就係所謂嘅機械效益，即係話：

，
當中  係負荷力所受嘅力，而  係施嘅力。

用比較似日常用語嘅語言嚟講：一個人空手做嘢會有一個作功同相應嘅機械效益，而佢用一件機械做嘢都會有一個作功同相應嘅機械效益；一件簡單機械要有人肯用，佢最起碼要能夠令個人做嘢嘅機械效益提升；舉個例，有個工人要郁一件貨物，佢可以空手㧬，噉做佢會向件貨物施力，令件嘢郁，噉做會有個機械效益；另一方面，佢又可以擺啲轆喺件貨物下面，再㧬郁件貨，重點係喺有轆嘅情況下，佢可以用更少嘅力嚟㧬郁件貨－機械效益高咗，所以轆呢種機械會有人肯用。一件設計優良嘅機械會能夠令用佢做嘢嘅機械效益有咁大得咁大，而一部複合機械嘅機械效益係佢每個組成部件各自嘅機械效益乘埋一齊得出嘅數。

數學模型 

要用數學模型模擬一個機械系統嗰陣時，工程師好多時會將組成件機械嘅簡單機械視為運動鏈同連桿機構，即係當每件簡單機械係一件唔會變形嘅物體，而每件嘅形狀同長度限制咗同佢相連嗰啲部件嘅郁動。例如想像圖 1 入面嗰個連桿機構喺用數學模型模擬呢個連桿機構嗰陣，機械工程師會當正嗰幾碌槓桿唔會變形，用一個坐標表示第一個關節嘅位置 ，而因為經已假設咗個連桿機構形狀同長度唔會變，加埋畢氏定理，所以另外嗰一個關節嘅位置  實會同  成一個固定嘅幾何關係：

；，
當中  係中間條桿嘅長度。喺假設咗條桿係剛體嘅情況下， 會係一個常數。

噉就有咗一個局部描述成個系統嘅數學模型。當一個機械工程師手上有咗大量呢啲噉嘅算式，佢就能夠模擬「當部機械呢個部份喺呢個位置嗰陣，另外呢個部份會喺乜位置」等等，形成一個能夠精確噉描述部機械嘅運作嘅大數學模型。

功率來源 

一部機械要做嘢，就梗要消耗能量，呢啲能量實要由某啲地方嚟，即係話一部機械一定要有個功率來源－功率係能量傳遞總量除時間，所以反映咗能量傳遞得有幾快。個功率來源會以一定嘅功率傳遞能量俾部機械，令到部機械有能量做佢要做嘅工作。功率可以嚟自好多嘢。

喺比較原始嘅世界，一部機械嘅功率來源可以係動物。好似馬車就係一個好出名嘅例子：一架馬車包括咗多個轆同埋載住乘客嘅車廂等嘅部份，但就噉一架馬車喺平地上面係唔識郁嘅，要有啲嘢俾能量佢先得－如果接駁一隻馬係架馬車前面，隻馬跑嗰陣會有股拉力拉架車向前郁，而隻馬做嘅作功會令架馬車得到動能－
，
當中  件物體嘅質量，而  件物體嘅速度。喺人類史上，人亦都有試過用牛等嘅動物拉郁啲機械。

水能 

自然環境當中嘅水同風會流動，而水同風會郁動 ，就表示佢哋帶有動能，而當水流或者氣流沖向一件物體嗰陣，會或多或少噉令件物體跟住郁－想像一股水流，股水流帶有  咁多動能，佢跟住撞到阻住佢流動嘅障礙物，件障礙物原本係唔郁嘅，但跟住股水流撞到佢嗰陣將一部份嘅動能傳俾件障礙物－
撞前：水流 ，障礙物 ；
撞後：水流 ，障礙物 ，當中 ，而如果冇能量流失，。

即係話自然環境當中嘅水流同氣流係一個可能嘅功率來源。

想像以下呢個設計：個設計用咗一個輪軸原理，由一條打橫嘅軸，條軸其中一端駁落去一個能夠旋轉嘅水車嗰度，而假設條軸嘅另一端固定咗，除咗旋轉之外唔會郁，當有一股力量夠勁嘅水流流過個水車嗰時，就會俾動能個水車，令到個水車轉動。個工程師跟住可以將呢條曉旋轉嘅輪軸駁落去第部機械嗰度，用由水流嗰度嚟嘅動能帶動第部機械。喺古代，啲小村落好多時會用小型嘅水車帶動屋企入面嘅細機械，而現代嘅水力發電都係運用咗類似嘅原理，用有返咁上下勁嘅水流嘅能量嚟帶動機械。

風能 

風車嘅原理同水車大同小異，都係運用自然環境當中嘅某啲嘢嘅流動嚟帶動一個曉旋轉嘅輪軸結構，主要分別在於風車所使用嘅係風嘅動能：風車往往有住同水車好相似嘅設計，喺受到有返咁上下勁嘅風吹嗰時會轉，而呢股轉動表示股風將動能傳遞咗俾架風車，而如果將架風車駁落去第啲機械嗰度，就能夠帶動第啲機械跟住郁。風力發電都係用咗噉嘅原理。

熱同電 

喺水車同風車嘅例子入面，工程師用咗水同風嘅動能嚟俾動能落部機械度，但亦都有方法可以由非動能嘅來源嚟提供動能。熱引擎就係將熱能轉化做動能嘅引擎，呢種引擎係廿一世紀嘅社會不或可缺，好多發電廠都係用咗將熱能轉化做動能嚟發電嘅，例如喺 2014 年，美國有成 85% 嘅電力都係靠蒸汽渦輪產生嘅。

想像以下噉嘅設計：假想而家
有一個煙囪，下面有一缸水，缸水下面有個大火爐煲緊啲水，
個煙囪上少少嘅地方有個渦輪，個渦輪－好似水車同風車噉－喺有某啲液體或者氣體流過佢嗰陣會轉，
缸水滾嗰陣，啲水會變成好熱嘅水蒸汽，蒸汽會向上陞，然後就會向個渦輪施一股力，只要股力夠勁，個渦輪就會轉－跟住同水車以及風車同一道理，如果將渦輪駁落去某啲機械嗰度，就做到「用熱能帶動一部機械」嘅效果。
廿一世紀嘅發電廠好多時就係用一啲大規模嘅蒸汽渦輪，利用上述呢個原理，由燒煤炭或者核能等嘅熱力源嗰度帶動大型渦輪轉動。

一部機械仲可以由第部機械帶動：一部蒸汽渦輪嘅旋轉件如果駁落去一部發電機，就會產生電，而呢股電能夠透過電纜傳遞到去普通人嘅屋企嗰度。呢股電如果通過一個電飯煲，一個普通市民就可以用電流過物體嗰陣時產生嘅熱能嚟煲飯－人類由太陽、風、水同埋各種燃料等嘅自然來源嗰度攞能量，而啲機械因為得到能量而郁，跟住仲一部帶動下一部，形成咗令到現代社會能夠運作嘅機械系統。

構件 

構件係複合機械最基本嘅組成部份，包括六大簡單機械，可以分做幾類：
負責支撐住部機械嘅結構件、
負責將力同能量轉化嘅機制、同埋
負責令個使用者有得控制部機械嘅控制器三種。
除咗噉之外，架機械嘅形狀同色水都有一定作用，例如係話俾個使用者知部機械係做啲乜嘅。

機件部份 

機制，又或者叫「機件」，係指喺一部機械當中將力同能量轉化嘅構件，可以分做齒輪、輪系、凸輪、同連杆機構等多種。呢啲構件共通點係能夠改變啲力嘅方向同傳遞能量，令到部機械嘅 input 同 output 之間成某啲特定嘅關係。喺機械工程上，常見嘅機制有以下呢幾種：

其餘部份 

結構件定義上係指一啲負責確保部機械嘅各部份唔會走位嘅構件：
支架由桁架同樑等嘅元件組成；
啤令起到支撐旋轉體嘅作用，令到郁動嘅部件之間嘅摩擦力減低，令部機行起上嚟暢順啲而且冇咁容易磨蝕，例如滾珠啤令就係一種常用嘅啤令，涉及用一粒粒滾珠保持個旋轉構件同一個外殼之間嘅分隔距離；
彈弓可以用嚟令到一個構件唔會偏離本身位置太多或者吊住某啲構件；
機械密封指啲用嚟確保部機械裏面嘅流體唔會流走嘅構件，例如係塞；
緊固件包括咗螺絲同窩釘等，作用在於將部機械嘅唔同構件固定埋一齊。另一方面，要將部機械嘅唔同構件固定埋一齊，仲可以用銲接、軟銲、或者膠水等嘅方法，但用呢啲方法固定埋一齊嘅機械部件要分返開比較難，所以好多時工程師會比較想用螺絲等嘅緊固件－用緊固件接埋一齊嘅部件要分返開比較容易。

控制器包括咗感應器以及電腦等控制部機械嘅構件，作用在於自動監察部機械嘅運作以及俾個使用者控制部機械。例如蒸汽機會內置一啲自動調溫器，喺溫度高得滯嗰陣會打開一個喉嘴，等凍水流入去部機械嗰度，令到成部機械嘅溫度大致上處於穩定，再複雜啲嘅機械可以內置具有人工智能程式嘅電腦，能夠展現更加複雜嘅自我控制能力，例如係各種內置可程式化邏輯控制器嘅機械噉。

出名機械

渦輪 

渦輪係指會受流體影響而旋轉嘅機械。一個渦輪嘅設計係要俾某啲流體流過佢嘅旋轉件，令到個旋轉件旋轉。喺設計上，一個渦輪會有若干塊旋轉件喺一條軸周圍向外延伸，旋轉件會係噉咦打斜，所以當有流體流過嗰陣，流體所施嘅力會有一部份轉化成令個旋轉件轉嘅力。

渦輪最重要嘅用途係可以攞嚟發電：自然界有好多嘢都會流動，例如係水同風等等，郁緊嘅嘢都會帶有動能，所以有可能由當中攞能量嚟用；當流體流過人造嘅渦輪嗰陣，股能量愈勁，可以帶動愈多質量跟住郁，發電機等嘅機械仲能夠將渦輪由流體吸收嘅動能變成電能；想像一個噉嘅設計－有一條大嘅河由高處流去低處，一班工程師同建築工人喺高處嗰度起個水壩，用水壩控制住啲水，水壩當中有個渦輪，渦輪連接住一大柞發電機，每當開閘俾水流嗰陣，高處嘅水就會勁流落去低處，令個渦輪郁，發電機將大量嘅動能轉化成大量嘅電能，呢啲電能可以用電纜傳送返去城市嗰度使用，或者用電池嘅型式儲起。

蒸汽機 

蒸汽機係指一部用蒸汽嘅能量嚟做力作功嘅機械：喺熱力學上已知，假設容量同物質量不變，溫度  上升會令一團氣體嘅壓力  上升－

所以想像一條好似圖 S 入面嗰條噉嘅空心管，如果有方法令黃色嗰笪空間有熱嘅氣體同冇咁熱嘅氣體交替噉存在，就會令到個活塞交替噉受熱氣體嘅強壓力同凍氣體嘅弱壓力，於是個活塞就會週期性噉打橫移動，帶動一個輪旋轉－而如果嗰個輪駁咗落去一個轆嗰度，就會做到「用蒸汽嘅能量帶動物件旋轉」嘅效果。

蒸汽機有好多用途：蒸汽機能夠產生旋轉，而旋轉嘅動能可以用嚟做好多嘢；舉個簡化嘅例子說明，想像一個火車頭，火車頭上面有部蒸汽機，以及產生蒸汽要用嘅架生同物料，令嗰部蒸汽機可以係噉行一段時間，而個火車頭嘅設計係用咗好多個齒輪同輪軸，用部蒸汽機嘅旋轉部份嘅旋轉帶動個火車頭嘅轆跟住旋轉，如果部蒸汽機嘅力夠勁，就能夠令個火車頭以高速前進。

時鐘 

鐘係指用某啲能量計時間嘅機械。唔同種類嘅鐘運作原理都唔同，但共通點係會運用一啲週期恆定嘅物理過程嚟計時，例如根據對簡諧運動等力學現象嘅研究表明，如果有一個左右兩邊揈嘅鐘擺，只要個鐘擺揈嘅幅度有返咁上下細，個鐘頭嘅週期可以用以下呢條式計：
；

呢條式講嘅係，週期取決於三個數－、、同 ，當中圓周率係常數， 喺地球上會係常數，而  要維持不變好容易－即係話一個噉嘅鐘擺嘅週期會係一個恆定不變嘅數值，於是人就可以靠數住個鐘擺擺咗幾多次嚟計時間，例：設計一個鐘，個鐘擺條繩嘅長度設好咗，令個鐘擺會每 1 秒擺一次，如果個鐘擺有用齒輪等機制駁落去一支秒針嗰度，就會做得到用個鐘擺計時嘅效果。

運算機 

電腦係指能夠進行算術同邏輯運算嘅機械。舉個簡單例子，想像以下呢個設計：家吓個工程師手上有一柞邏輯門，邏輯門係一種電子元件，唔同種類嘅邏輯門有唔同嘅輸入輸出關係，喺收到某啲特定嘅 0同 1訊號嗰陣會俾出 0或者 1訊號做輸出；例如：
一個簡單嘅異或門會收兩個輸入，如果兩個輸入值一樣，個門會俾 0，如果兩個輸入值唔同，個門會俾 1；
一個簡單嘅與門會收兩個輸入，只有當兩個輸入都係 1 嗰陣，個門先會俾 1；

然後有咗呢啲元件，一個工程師可以整出以下嘅半加法器集成電路：

呢個電路嘅真值表如下：

用日常講嘅話，即係話當 A 同 B 呢兩個輸入都係 0 嗰陣，輸出會係 00；當 A 同 B 是但一個係 1 另一個係 0 嗰陣，輸出會係 01；最後，如果兩個輸入都係 1，噉個輸出會係 10。如果用二進制睇嘅話，上述呢個電路做得到  嘅簡單運算：
當兩個輸入都係 0，，
當得其中一個輸入係 1，，
而當兩個輸入都係 1 嗰陣時，，當中 10 喺二進制入面相當於十進制嘅 2。
事實上，呢個電路就係電子工程上講嘅半加法器，憑住唔同種類嘅邏輯門，電子工程師仲能夠砌出做加法、做減法同埋多種其他運算嘅電路－一部電腦就係用咗大量嘅呢啲電路組成嘅超級運算機械，呢種機械喺廿一世紀嘅社會不可或缺。

機械設計 

設計機械嘅過程同一般嘅工程學設計過程大致上相同。喺設計機械嘅過程入面，一個工程師嘅目標係要設計出一部能夠最有效噉達到目標嘅機械－當中「目標」可以係「幫工廠盡可能有效率噉生產件產品」、「幫手令架車嘅最大速度提升」、或者「幫手將一啲物體由一個地點移動到去第個地點」呀噉。一般嚟講，設計機械嘅過程如下：
界定問題：個工程師要了解部機械要達到啲乜嘢目標，並且制定好用乜嘢指標嚟量度「部機械係咪達到目標」；
做研究：由其他人嘅經驗當中學習－個工程師要做吓資料搜集，睇吓其他人有冇遇到過類似嘅問題，同埋佢哋係點樣解決個問題嘅；
講明要求：睇吓類似嘅解決問題方案有乜共通點，知道最後件成品有啲乜嘢必要特徵；
諗計：諗吓有啲乜嘢可能嘅設計能夠達到目標；
揀好設計：用數學模型模擬吓唔同嘅計仔，睇吓邊個效益最高，揀最好嗰個設計；
發展設計：慢慢噉執個設計，睇吓佢有乜嘢可能嘅漏洞；呢個過程好多時到部機械送咗出去俾個客嗰時都仲做緊；
整原型：整一個行得到嘅版本出嚟；
測試同重新設計：測試吓個原型，睇吓呢個設計行起上嚟掂唔掂；好多時個工程師都會發現一啲原先估唔到嘅問題而要做重新設計；
發佈結果：喺個原型進行過多種測試之後，個工程師要整個報告向所相關人員發佈佢嘅結果，跟住啲相關人員就會評估部機械出唔出得街。

相關領域 

工程學
機械工程
結構工程
建築工程
物理學
幾何學
數學分析

科學概念 

力
作功
機械能
熱力學

拉雜相關 
自動化
工廠
科技
創新
工程學詞彙表

文獻 

Oberg, Erik; Franklin D. Jones; Holbrook L. Horton; Henry H. Ryffel (2000). Christopher J. McCauley; Riccardo Heald; Muhammed Iqbal Hussain (eds.). Machinery's Handbook (26th ed.). New York: Industrial Press Inc. ISBN 978-0-8311-2635-3.
Oberg, Erik; Franklin D. Jones; Holbrook L. Horton; Henry H. Ryffel (2000). Christopher J. McCauley; Riccardo Heald; Muhammed Iqbal Hussain (eds.). Machinery's Handbook (30th ed.). New York: Industrial Press Inc. ISBN 9780831130992.
Reuleaux, Franz (1876). The Kinematics of Machinery. Trans. and annotated by A. B. W. Kennedy. New York: reprinted by Dover (1963).
Uicker, J. J.; G. R. Pennock; J. E. Shigley (2003). Theory of Machines and Mechanisms (3rd Ed.). New York: Oxford University Press.

攷

拎 

Reuleaux Collection of Mechanisms and Machines at Cornell University.
Machine Design，一本講機械設計嘅網上雜誌。
Journal of Mechanical Engineering，一本機械工程學嘅學術期刊。