機械動圖與大家見面啦~那些日常生活中習(xí)以為常的設(shè)施，你知道它們內(nèi)部有著怎樣的機械構(gòu)造嗎？一組動圖，帶你了解生活中的機械原理。
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收放卷尺
原理：卷尺是最能體現(xiàn)發(fā)條彈簧儲能原理的工具，5米長的鋼條標(biāo)尺末端連接著發(fā)條彈簧前端，發(fā)條彈簧的末端則固定在卷尺的正中間。發(fā)條拉到最長和收到最短的差值會大于5米，這意味著每次標(biāo)尺歸零后，發(fā)條還有余力保證標(biāo)尺收緊；當(dāng)標(biāo)尺拉伸達(dá)到5米時，也不會使彈簧超過形變極限而無法收回。
螺旋形的發(fā)條彈簧。
圖片來源：123rf.com.cn正版圖片庫
自動販賣機
1.鑒別硬幣
原理：在投入自動售貨機之后，機器可以通過檢測硬幣尺寸、金屬成分來鑒別它們的面額和真假。以現(xiàn)行第五套人民幣為例，不同的硬幣在直徑、厚度、材質(zhì)上都是不同的：
首先，是通過光電傳感器測量硬幣直徑尺寸，第一次鑒別硬幣種類；之后硬幣滾動經(jīng)過金屬探測傳感器，由于不同材質(zhì)金屬反射電磁波的相位延遲也不同，這樣就可以對硬幣種類進(jìn)行進(jìn)一步鑒別。如果兩次均無法鑒別，硬幣就會進(jìn)入退幣槽，吐出機器，而鑒別成功的硬幣在區(qū)分出不同的面額后分流滾入不同滑道進(jìn)行存儲。
2.食品掉落
原理：當(dāng)售貨機收到掉落某種食品的指令后，固定在不同食品欄后的單個伺服電機轉(zhuǎn)動預(yù)先設(shè)定的圈數(shù)，正好使卡位彈簧前進(jìn)一個食品位置的行程，食物在掉落的過程中會經(jīng)過紅外傳感光束，這就完成了一次掉落。如果系統(tǒng)一直沒有檢測到食物經(jīng)過紅外傳感光束，這就有可能是該位置的食品出現(xiàn)了漏放，那系統(tǒng)將會讓伺服電機再次運行，直至食品掉落。
ATM機
1.ATM機如何出鈔？
原理：每臺ATM機的保險柜內(nèi)都配有兩個錢箱，歸攏的紙鈔被2個鋸齒狀的橡膠輥通過摩擦力帶出。為了防止紙鈔粘連，紙鈔還會經(jīng)過一對前后放置的平滑橡膠輥進(jìn)行分揀，之后進(jìn)入一系列軸承和滾輪組成的傳送帶中。在經(jīng)過傳感器檢測，確保沒有紙鈔粘連在一起之后，ATM機就會以每秒5張紙鈔的速度出鈔了。
2.室外的ATM機如何確保安全？
原理：ATM機內(nèi)置一個重達(dá)200千克的保險柜，柜門內(nèi)裝有2厘米厚的可滑動實心鋼板，鋼板被大型螺栓固定在柜門上。當(dāng)轉(zhuǎn)動把手關(guān)閉柜門時，2厘米厚的實心鋼板就橫向滑動鎖住保險柜。整個滑動鋼板結(jié)構(gòu)在保險柜關(guān)閉時被門后的一個頂門完全鎖死，而頂門由密碼鎖控制。所以，打開保險柜的唯一途徑就是擁有保險柜鍵盤密碼鎖的密碼。
PS：猛砸ATM機是無法得到保險柜里的錢的，這樣做大概只會弄壞屏幕，并且被拘留而已……
漁線輪
原理：現(xiàn)代的魚竿可遠(yuǎn)不是一根桿栓上一根繩那么簡單，要經(jīng)受住百余斤大魚的拉扯，這非?？简灢牧系捻g性和強度。除此之外，作為另一個受力主體的漁線輪，在與大魚“僵持—放線—回線”的過程中，也承載著滾動軸承的高速運轉(zhuǎn)和直齒齒輪的精密嚙合。
這種演示內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式被稱為“機械爆炸圖”，它直觀地展現(xiàn)了機械的內(nèi)部零件組成，以及它們之間的立體裝配關(guān)系。在實際的機械制造中，它也被稱作“機械裝配圖”，用于加工作業(yè)的流水線操作。
一體成型加工
原理：這里展示的是一個利用一體成型技術(shù)加工的漁線輪框架。所謂“一體成型”加工，首先是將整個毛坯航空鋁在車床上進(jìn)行外部粗加工與內(nèi)部切削鏤空，之后粗加工成品再安裝到數(shù)控機床的專用夾具上，最后通過預(yù)置的切削程序進(jìn)行精細(xì)加工。得到的漁線輪框架成品如下圖右側(cè)所示，輕盈的同時保證了堅固（整體性能更好）與耐用（使用壽命更長）。
一體化切削成型加工前后對比圖
值得一提的是，鋁沖壓一體成型技術(shù)最為人熟知的應(yīng)用就是蘋果筆記本的“Unibody”一體式機身，鋁合金材質(zhì)本身輕便且散熱效率高，而選用一體式的制作工藝主要考慮是能讓組裝部件的數(shù)量和拼接處大大減少，還能讓主機更加耐震。
不過，一體成型的切削工藝比較費材料，所以它也是企業(yè)不差錢的體現(xiàn)……
抽水馬桶
原理：當(dāng)水箱里的排水閥被打開，水流會分散流經(jīng)桶身周圍呈特殊角度的十余個布水孔，最后形成一股大水流強力沖刷排泄物。馬桶的下水管道有S形的彎曲，這里利用了虹吸原理。馬桶內(nèi)水面高過下水管道內(nèi)水面，這就產(chǎn)生了虹吸現(xiàn)象，在重力作用下，水流和污物一同被吸走。而當(dāng)虹吸現(xiàn)象停止后，S形管道的彎里還留存著一些清水，這有效阻隔了來自下水管道的惡臭。每次沖水時水封都會被更新，這也保證了抽水馬桶的衛(wèi)生。
值得一提的是，有一種被稱為“畢達(dá)哥拉斯杯”或者“公道杯”的小東西和抽水馬桶的虹吸原理幾乎一模一樣。這種杯子一旦被倒得太滿，其中的液體就會流光：
▲公道杯原理示意圖
在不同版本的“世界最偉大發(fā)明”中，總有抽水馬桶的一席之地。中世紀(jì)整整一千余年，歐洲各國大多數(shù)人處理排泄物的方式都一直停留在“往窗外倒”的水平，衛(wèi)生條件令人發(fā)指，而這更突顯了抽水馬桶的重要性。
1596年，英國女王伊利莎白一世的大臣約翰·哈林頓設(shè)計出第一個抽水馬桶并獻(xiàn)給女王。以現(xiàn)在的眼光來看，這個馬桶還顯得太簡陋——它僅僅是通過閥門控制，可以即時沖水罷了。而它帶來的問題也很明顯：為了將排泄物直接沖走，就勢必要將馬桶和下水管道連接在一起。這就使得下水管道的臭氣會回流到室內(nèi)……于是，這世界上第一臺的抽水馬桶就被女王雪藏了。
直到近200年后的1775年，蘇格蘭的一個鐘表匠亞力山大卡明終于將關(guān)鍵的S形管道加到了馬桶中。人們逐漸開始接受家用抽水馬桶，不過，這距離現(xiàn)代的抽水馬桶還差一次改革。
▲1775年，亞力山大卡明給馬桶裝上了S形管道
不久之后，約瑟夫·布拉梅又對馬桶進(jìn)行了一次關(guān)鍵的技術(shù)改進(jìn)。當(dāng)時還是抽水馬桶安裝工的他頻繁收到用戶反饋，抱怨說排水閥一到嚴(yán)冬就會被凍住，于是，他就開始搗鼓改良馬桶。他先是把原來的閥門改成鉸鏈連接的止水皮碗（這類似于將左右滑門改成了前后拉門），開合機構(gòu)利用杠桿原理，加個把手開關(guān)就好。布拉梅一鼓作氣還設(shè)計了一個自動儲水結(jié)構(gòu)，這就是現(xiàn)代馬桶最主要的機構(gòu)——浮球回路系統(tǒng)（打開家里的馬桶水箱蓋，你就能看到它）。距離“S形管道”問世僅3年的1778年，布拉梅改進(jìn)的抽水馬桶申請到了專利，在這之后，馬桶的普及只是時間問題了。
▲1778年，約瑟夫·布拉梅改良的抽水馬桶
花絮：從改進(jìn)了抽水馬桶之后，布拉梅在發(fā)明和改良的道路上一發(fā)不可收拾，從此變身發(fā)明大王。他設(shè)計的鎖還在英國上演了著名的營銷活動“誰能開掉我的鎖，我重金酬謝啊！”，結(jié)果這鎖直到67年后才被人打開。
由于布拉梅想要不斷改進(jìn)鎖的精度，他順手鉆研并優(yōu)化了當(dāng)時的加工機床。在這之后，他還改良了啤酒泵、刨床、造紙機、消防車以及馬車……從1778年到1812年，布拉梅的設(shè)計共獲得了18項專利，而這其中最重要的發(fā)明是在現(xiàn)代機械裝備中已然不可或缺的液壓機。
液壓機的設(shè)計基于帕斯卡原理（F1/S1=F2/S2），在封閉的液壓系統(tǒng)內(nèi)，一個活塞上施加一定的壓力，將在另一個活塞上產(chǎn)生相同的壓力增量。如果第二個活塞的面積是第一個活塞面積的5倍，那么作用于第二個活塞上的力，將增大為原來的5倍，而兩個活塞上的壓強仍然相等。
液壓機基本原理示意圖，你還記得它嗎？
圖片來自：wikipedia
布拉梅設(shè)計的液壓機可以算作原型機，當(dāng)時封閉在液壓缸內(nèi)的介質(zhì)還是——水。這之后油基介質(zhì)以潤滑和粘度方面的出色性能逐漸取代了水基，現(xiàn)在市面上常見的液壓液一般都是抗燃液壓油，且?guī)в蓄伾?，使得滲漏很容易被發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過這200余年的發(fā)展，如今大到挖掘機開山挖路，小到汽車后備箱開合，液壓機械的應(yīng)用處處可見。
液壓機不僅處處可見，甚至還成了網(wǎng)紅……在youtube上，致力于壓壞一切的視頻博主Hydraulic Press Channel吸引了不少眼球。本圖中不幸遇難的是一個保齡球。
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