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豹萧
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1 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊中文機械與結構我們身邊的機器甚麼是力學 / 機械學電動馬達蝸齒輪組門閘 / 欄柵轉台 / 轉盤齒輪傳動曲柄齒輪組車輛驅動器帶鏈條的齒輪傳動裝置帶轉向的車輛帶多個齒輪的齒輪箱行星齒輪組錐齒輪組廚房用具差動齒輪心軸螺旋桿及軸節汽車千斤頂剪叉式升降台車床聯接器機理擋風玻璃水撥 / 刮水器四桿鏈系弓形鋼鋸槓桿橫桿磅秤帶滑動砝碼的磅秤繩索輪與起重滑車組結構 / 靜力學的世界桌子人字梯鋼樑橋底橫樑式橋樑頂橫樑式橋樑瞭望高架台起重機第 2 頁第 2 頁第 2 頁第 3 頁第 3 頁第 3 頁第 4 頁第 4 頁第 5 頁第 5 頁第 6 頁第 7 頁第 8 頁第 9 頁第 9 頁第 9 頁第 10 頁第 10 頁第 11 頁第 11 頁第 12 頁第 12 頁第 12 頁第 13 頁第 13 頁第 13 頁第 14 頁第 14 頁第 16 頁第 16 頁第 17 頁第 17 頁第 18 頁第 18 頁第 19 頁第 19 頁 1 目錄

2 中文 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊我們身邊的機器 (Machines around us) n 今時今日, 有誰還會帶著重物到處走動而不靠工具? 又有誰會只靠肌肉的力量徒手在牆上鑽孔? 有誰仍然以洗衣板來清洗衣物? 恐怕沒有幾個人了! 人類發明了很多裝置, 從工廠中的機器, 到珍寶客機上的噴射引擎, 以及電腦, 目的是要讓我們的生活和工作容易一些這些替我們工作或讓我們節省力氣的裝置有一個專門名稱, 那就是機器 (machines) 機器能替我們 : 搬動物件處理物料把電能轉為動能處理資料例子貨車汽車吊機 / 起重機 (crane) 挖泥機 (excavator) 等麵團混合器 (dough mixer) 水泥攪拌機 (cement mixer) 等電動馬達 (electric motor) 計算機 (pocket calculator) 電腦等甚麼是力學 / 機械學 (What is Mechanics) n 力學 / 機械學研究力 (force) 對靜止和移動物件的作用力學 / 機械學又分為結構學 / 靜力學 (Statics) 動力學 (Dynamics) 動作學 (Kinetics) 熱動力學 (Thermodynamics) 等範疇在這裡, 我們會集中研究動力學和結構學即使在古代世界, 科學家已經涉獵到力學的各個範疇例如 : 當古代的建築工匠建造的教堂越來越高時, 其實是把平衡力量的試驗發揮到極點今日, 結構工程師 (structural enginner) 會為了建築物的穩定性 (stability), 作出大量的計算其實他的專業主要來自力學的其中一個範疇 : 結構學 (statics) 你會在結構學的部份學習到更多機器 (machines) 或齒輪組合 (gear units) 的各種運轉均為動態 (dynamic) 動力學 (Dynamics) 就是研究力量與物件的移動, 例如 : 軸 (Shaft) 的轉動來回動作 (back-andforth movements) 或齒輪傳動 (toothed gear transmission) 等動力學是研究動作變化的科學, 你會在以下幾章中學習這些知識電動馬達 (The electric motor) n 馬達可以用來驅動 (drive) 機器馬達主要有兩種 : 燃燒馬達 (combustio motor) 和電動馬達 (electric motor) 例如 : 汽車是由燃燒馬達驅動的當然, 你的組件包內並沒有這種複雜的馬達你只有一個比較簡單的電動馬達 ( 簡稱 E-motor) 而已大部份的日常機器都是由電動馬達驅動的只要有電源的地方便能使用電動馬達本組件中的電動馬達是以高速旋轉, 每分鐘轉速 (revolutions per minute 或作 RPM) 之高, 甚至我們無法以肉眼觀察到每一圈的轉動然而, 馬達的輸出力量卻很弱, 意味著它不能用來吊起重物或驅動任何車輛因此, 我們需要一個齒輪組合 (gear unit) 來降低馬達的轉速和提升馬達的輸出力量 2

3 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊中文 n 蝸齒輪組是用來降低馬達轉速的最佳工具要做到這個功能, 你要先把蝸齒輪 (worm gear) 連接到馬達軸 (motor shaft) 上,( 馬達軸是指馬達向外延伸的小桿 ), 再以蝸齒輪驅動一個普通齒輪 (toothed gear) 這樣的齒輪組合就能在一個狹窄的空間內, 把馬達轉動的高速降低蝸齒輪能推動普通齒輪, 而普通齒輪卻不能推動蝸齒輪, 因此蝸齒輪組有自我鎖定 (self-locking) 的特性和功能蝸齒輪組 (Worm Gear Pair) n 蝸齒輪組的安全自我鎖定特性讓它適合應用於門閘 / 欄柵 (bar) 和吊機 / 起重機 (crane) 上門閘或吊機負載物的重量不能使蝸齒輪組反向 (reversing) 操作門閘 / 欄柵 (Bar) 組裝門閘的模型轉動曲柄 (crank), 使門閘向上轉你需要轉動曲柄多少次, 才能把門閘轉至 90 度垂直位置? 嘗試以手指把門閘向下壓它會怎樣? 當然, 你需要把曲柄轉動多次才能把門閘轉至 90 度垂直位置你能把門閘壓下嗎? 你看, 具備自我鎖定功能的齒輪組就是這樣運作了這個蝸齒輪組增加了你的驅動力量, 讓你使用小小的曲柄, 便能把這麼大的門閘升起蝸齒輪組有很多的好處 : 它能節省空間它能把馬達每分鐘的旋轉速度 (RPM) 大大降低它不能反向操作 (irreversible) 它能增加驅動的力量它把轉動的方向作 90 度旋轉 n 蝸齒輪組的機理 (mechanism) 可以應用於很多機器上轉台 (turntable) 就是其中一個簡單的例子你接著要組裝的模型, 也就是它轉台 / 轉盤 (Turntable) 在這個模型中, 旋轉的速度會被降低, 旋轉的方向也會被改變而轉台即使負重後, 對馬達的阻力 (resistance) 也不足以使之停頓組裝轉台的模型在轉台上放一杯水或一杯泥, 注意杯子不要大過轉台這個細小的馬達真的能轉動這一大個杯嗎? 3

4 中文 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊齒輪傳動 (Toothed Gearing) n 在本章中, 你會學到更多以齒輪 (toothed wheel) 組成的齒輪組 (gear unit) 齒輪是機器中最古老和最結實的零件之一它有不同的種類和大小你的單車亦有類似的齒輪傳動但齒輪的功能由帶齒鏈輪 (chain sprockets) 和鏈條 (chain) 代替了使用齒輪傳動, 你可以傳動和改變旋轉動作 (rotational movements) 因為齒輪傳動可以 : 傳動旋轉的動作改變旋轉的速度 (RPM) 增加或減少旋轉的力度改變旋轉的方向曲柄齒輪組 (Crank Gears) n 下面兩款模型都會使用柱狀正齒輪 (straight toothed cylindrical gears) 來組裝齒輪傳動 (toothed gearing) 組件如果齒輪旋轉的動作是要傳至與之平行的軸 (parallel shaft) 上, 就需要用到這種柱狀正齒輪了組裝第一款曲柄齒輪模型轉動曲柄一個圈, 另一個齒輪上的標誌軸 (shaft) 轉了多少個圈? 以順時針方向轉動曲柄, 受驅動齒輪 (driven gear) 向那個方向轉動? 如果以這個齒輪組來驅動車輛的話, 你會移動得很慢, 而且你會倒後走這個模型只是示範如何組裝一個簡單的齒輪組, 並為齒輪組作一些計算計算齒輪傳動的傳動比率 (transmission ratio): 驅動齒輪受驅動齒輪齒輪號碼 1 2 齒輪的齒數 Z1 Z2 每分鐘旋轉速度 (rpm) n1 n2 旋轉方向 ( 左右 ) 組裝第二款曲柄齒輪模型轉動曲柄一個圈, 另一個齒輪上的標誌軸轉了多少個圈? 以順時針方向轉動曲柄, 受驅動齒輪向那個方向轉動? 4

5 PROFI MECHANIC + STATIC ACTIVITY BOOKLET 機械與結構活動手冊中文如果以此齒輪組來驅動車輛的話你會比第一個模型跑得快些請計算此模型的傳動比率計算齒輪傳動裝置的傳動比率驅動齒輪受驅動齒輪齒輪號碼 1 2 齒輪的齒數 Z1 Z2 每分鐘旋轉速度(RPM) n1 n2 旋轉方向(左右) n 現在你已經學習了不少有關齒輪組的知識可以應用在模型上了請組裝第一款模型車這個有馬達和齒輪組的模型是個真正的車輛驅動器(real vehicle drive) 車輛驅動器 (Vehicle Drives) 如果你想讓車輛跑得更快請組裝第二款模型車此車輛能比第一款車輛快1.5倍但這個傳動比率在上坡時就有問題了與第二款模型車相比第三款車有一個倒車齒輪組(reversed gear unit)結構它的速度與其他兩款車相比如何第一款模型的傳動比率是1:1 它的旋轉速度及扭距(Torque)與馬達輸出相同第二款模型的傳動比率是1:1.5和減低了的扭距它能跑得更快但力量(force)卻減少了第三款模型的傳動比率是2:1 它會比其他兩款模型跑得慢所以被稱為減速比率(reduction ratio) 這款傳動裝置的優點是它有更強的扭距 (力量 ) 這個效果可應用於拖拉機 (tractor)上相比汽車拖拉機會跑得慢一些但卻具有更強的力量從單車換檔(gear shift)中你可以看到這三種傳動比率在平地上你會以前方車輪 (front wheel)的大齒輪帶動後方車輪(rare wheel)的小齒輪(small gear pinion) 讓你跑得快一些當你爬坡時你會把傳動比率降低如1 1 如要爬更陡峭的山坡的話傳動比率甚至會降到2 1 帶鏈條的齒輪傳動裝置 (Toothed Gearing with Chains) R D 5 AF T n 如果兩個齒輪軸(shafts)距離較遠便要使用一個張力齒輪組(tension gear unit)來處理一般會使用皮帶(belts)或鏈條(chains)來連接距離較遠的驅動齒輪(drive gear)和受驅動齒輪(driven gear) 皮帶和鏈條成為兩個齒輪的張力媒介 (tension medium) 使兩個齒輪能相互作用(interact)

6 中文 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊組裝帶鏈條驅動的車輛模型請先以曲柄代替馬達轉動曲柄一個圈, 齒輪轉動了多少個圈? 以順時針方向轉動曲柄, 齒輪向那個方向轉動? 計算齒輪傳動的傳動比率 : 驅動齒輪受驅動齒輪齒輪號碼 1 2 齒輪的齒數 Z1 Z2 每分鐘旋轉速度 (RPM) n1 n2 旋轉方向 ( 左右 ) 你的單車也有這樣的齒輪組其上的腳踏 (pedal drive) 與後輪 (rear wheel) 間的距離就是由鏈條連接爬山單車 (mountain bike) 或比賽單車 (racing bike) 上都不會只有一個齒輪, 而是有多個齒輪可供選擇, 使你可以按所需的力度和轉速來調節車速在這裡, 這個齒輪不是一個柱狀正齒輪, 而是一個帶齒鏈輪 (chain sprockets) 現在請為模型安裝馬達, 再配上驅動鏈條這樣的傳動裝置跟電單車或是摩托自行車 (moped) 一樣當然, 你也可以用慧魚的組件, 來自製一輛電單車之前的各個模型, 說明了合適的齒輪比例 (toothed wheel ratio), 對不同用途和速度要求的車輛有多重要現在請組裝一個帶轉向裝置 (steering) 的車輛模型, 讓車輛轉彎, 使你不用因它只向單一方向移動而要追著它帶轉向的車輛 (Vehicle with Steering) n 這個轉向裝置是人類最早發明出來的和最簡單的轉向裝置, 稱為第五輪轉向 (fifth wheel steering) 凱爾特人 (The Celts) 為他們的手拉車 (wagon) 裝上了這種裝置, 使他們能轉動前軸 (axle), 以致整輛車都能轉動這種第五輪轉向, 今日仍在許多拖車 (trailers) 手拉車 (hand carts) 和馬車 (horse-drawn wagons) 上使用所謂第五輪其實是在前軸的軸心和輪子上加上一個像凳子的支架 (carrier), 然後把這個支架, 與手拉車的底盤 (base plate/chassis) 上一個可旋轉的軸釘 (rotatable pin) 連接要控制這個轉向系統, 你可把樞軸銷 (pivot pin) 延長, 成為轉向柱 (steering column), 或是在馬車的第五輪上連接拉桿 (rod), 成為車舌 (tongue), 方便拉動在某些小孩的滑行車, 第五輪轉向裝置可以由孩子的雙腳或兩條繩索來操作樞軸銷 (Pivot pin) 轉向盤 / 駄盤 (Steering wheel) 車舌 (Tongue) 軸 (Axle) 第五輪 (Fifth wheel) 轉向柱 (Steering column) 6

7 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊中文 n 以下的模型讓你把簡單的齒輪傳動 (toothed wheel transmission) 擴建成為一個具有多個換檔齒輪 (gear changing) 的裝置這種裝置是在汽車鑽頭 (drill) 和摩托自行車 (moped) 中都能見到本模型是一個複合齒輪組合 (compound gear unit), 因為它是由超過兩個齒輪組成的請你逐一實驗不同齒輪組合串聯而成 (in a series) 的齒輪對 (pairs of toothed wheel) 所產生的傳動效果 (transmission effect) 帶多個齒輪的齒輪箱 (Gearbox with Several Gears) 組裝齒輪組模型啟動馬達, 然後慢慢把換檔桿 (gear shift lever), 從第一檔 (gear1) 移到第三檔 (gear3) 移動時請確保齒輪能正確地互相咬合 (mesh) 把你觀察到的情況寫下來觀察結果 ( 每個齒輪的情況 ) 齒輪號齒輪速度 ( 快些慢些 ) 旋轉方向 ( 相同反向 ) 第三檔的旋轉方向和第一二檔不同因為第三檔共有三個齒輪串聯連接在一起運作當連接於一起運作的齒輪數目為單數時, 驅動齒輪 (drive gear) 和受驅動齒輪 (driven gear) 的旋轉方向相同這個效果已被應用於汽車, 使汽車能倒後行走 (backward) 其他實驗 : 自行組裝模型, 嘗試把不同數量的齒輪串聯連接在一起, 觀察運作的情況以繞線盤 (winding drum) 來代替轉台 (turntable) 模型中的轉台, 現在你有一個像起重機 (crane) 一樣的電纜絞車 (cable winch), 來吊起不同的重物你能把更多的齒輪加入齒輪組內嗎? 請盡量利用套件中的齒輪來試驗進深任務 : 組裝一個帶鏈條的齒輪組 7

8 中文 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊行星齒輪組 (The Planetary Gear) n 行星齒輪組是一個包含多種類齒輪非常複雜的系統它被應用於多個領域, 例如廚房用的攪拌器 (stirrer), 汽車的自動換檔系統 (automatic transmission) 等請注意, 那些結構較這個模型更為複雜組裝行星齒輪模型轉動曲柄 (crank) 來驅動模型, 觀察那一個軸 (shafts) 齒輪 (toothed wheels) 和齒輪組 (toothed wheel combinations) 會跟隨曲柄轉動你可以使用滑動桿 (slider), 就是模型下方的推桿 (lever) 裝置, 來堵著行星支架 (planet carrier) 或中空齒輪 (hollow wheel), 讓兩個零件的其中一個不能轉動行星齒輪組的目的很簡單, 它容許在負載下, 即驅動齒輪 (drive gear) 和受驅動齒輪 (driven gear) 仍然咬合下, 轉換傳動比率 (transmission ratio) 因為中空齒輪 (hollow gear) 的輪齒是向內 (internal toothing) 的, 其他齒輪便可以以緊密的方式鋪排另外, 行星齒輪不需要額外的反向惰輪 (reverse idler gear) 及軸心 (shaft) 來處理倒後檔的功能行星齒輪組合最簡單的結構包括 (1) 太陽齒輪 (sun gear);(2) 行星齒輪 (planet wheels);(3) 行星齒輪架 (planet carrier) 及 (4) 中空齒輪 (hollow wheel) 在這個簡單的組合中, 位於中央的太陽齒輪與多個行星齒輪連接, 再與輪齒向內的中空齒輪緊構而成太陽齒輪行星齒輪架和中空齒輪都可以作為驅動齒輪 (drive) 受驅動齒輪 (be driven) 或停轉不動 (stalled) 你可以使用滑動桿(slider) 來操作齒輪組合這樣, 你便不需要額外的齒輪, 便可以通過停轉 (stalling) 行星支架 (3) 來調節 (adjust) 齒輪組合, 使所需出的動力 (output), 可以通過行星齒輪架, 或是通過中空齒輪來達成 2 在汽車科技 (vehicle technology) 中, 這是製造倒車檔 (reverse gear) 的工藝要達到這個效果, 驅動器 ( 這裏以的曲柄 (crank) 代表 ) 須與太陽齒輪連接, 而汽車的主傳動軸 (axle drive) 則與中空齒輪連接按著行星齒輪架讓它停轉, 然後轉動中空齒輪, 來了解行星齒輪組合的特性填寫以下表格 : 驅動齒輪中空齒輪行星齒輪架旋轉方向減速比率 8

9 PROFI MECHANIC + STATIC ACTIVITY BOOKLET 機械與結構活動手冊中文錐齒輪組 n 你可以用錐齒輪(bevel gear)來學習簡單的齒輪 (simple toothed wheel)傳動(transmission)方式 (Bevel Gear Unit) 你的任務組裝錐齒輪模型觀察旋轉速度(revolutions per minute) 旋轉方向(direction of rotation)和扭距 (torque)的變化這個齒輪組能夠把旋轉的方向轉變90度但旋轉的速度和扭距維持不變 n 這個模型融合了錐齒輪組和行星齒輪組 (planetary gear) 請按照安裝說明書來組裝此模型廚房用具 (Kitchen Appliance) 這個慧魚攪拌裝置是為真正行家而設的模型你認識當中每一個相互作用的齒輪和齒輪組嗎你可以運用你的想像力為這個模型作一些有趣的改動例如你可以放一個杯子於基座 (base)上並攪動其中的東西 n 在多輪的車輛(multi-track vehicle)上例如私家車每條軸上都有超過一個受驅動的車輪這時我們就需要用到差速器(differentials) 差速器有兩個目的一是把驅動的力量分配到兩軸之上二是補償不同軸心的轉速(revolutions per minute)差距差動齒輪 (Differential Gear) 由於它的這些功能差速器往往在兩個位置見到位於車軸(axle)上的軸差速器(axle differential) 會把萬向軸 (cardan shaft)傳來的力量分配到兩條驅動軸(drive shaft) 再分配到車輪上 R D 9 AF T 位於兩軸之間的中央差速器(central differential) 會分配動力到前後兩條車軸上

10 中文 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊組裝差動齒輪組模型觀察本模型的旋轉速度旋轉方向及扭距的變化先按住其中一個受驅動齒輪 (driven gear), 觀察其變化, 然後放開它 ; 再按住另外一個受驅動齒輪, 觀察其變化之後, 再按住中間的旋轉體 (rotating body), 即中央錐齒輪 (bevel gear) 的定位裝置 (holding fixture), 觀察其變化在下表中紀錄你的觀察結果 : 當按著 1 號受驅動齒輪 2 號受驅動齒輪每分鐘轉速 (rpm) 旋轉方向差動齒輪十足一個魔法齒輪組差速齒輪組大多應用在汽車上當汽車沿彎道行走時, 外圈車輪比內圈車輪所走的距離較大如果沒有差速器, 輪子就會被道路過度磨擦而損耗得很快軸差速器還有一個特性 : 它能把扭距平均分配 (50:50) 及傳送到車輪上心軸螺旋桿 (Mandril screw spindle) 及軸節 (joint) n 有時候你要單獨舉起重物 ( 例如當遇到爆胎時 ) 試想像你要舉起整輛車子來換輪胎當然你無法徒手做到, 所以汽車便需要配備汽車千斤頂 (car jack) 有了千斤頂, 人人都可以舉起整輛車子箇中的關鍵是一個螺旋軸 / 桿 (screw spindle), 它的特性和之前你已經學過的蝸齒輪 (worm gear) 相似? 汽車千斤頂 (Car Jack) 舉重臂 (Lifting arm) 中心支點 (Pivotal center) 組裝汽車千斤頂的模型把曲柄 (crank) 轉動一圈, 觀察蝸螺母 (worm nut) 移動的幅度和舉重臂 (lifting arm) 升高的幅度按壓舉重臂, 螺旋桿會往後旋轉嗎? 請列舉兩個原因, 說明汽車千斤頂為何要用到螺旋桿的機理 (mechanism) 10

11 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊中文你需要把曲柄轉動很多次, 才能把舉重臂升到垂直的位置你亦不能把舉重臂向下按壓螺旋桿機理有許多的好處 : 它能大大降低軀動器 (drive) 的每分鐘轉速 (revolutions per minute) 它有自我鎖定的功能 (self-lockimg) 它能增加驅動的力量 n 你可以透過剪叉式升降台, 去了解如何應用螺旋桿 (screw spindle) 軸節(joint) 和槓桿 (levers), 把旋轉運動 (rotational movement), 轉換成為平行的升降運動 (parallel up and down movement) 剪叉式升降台 (Scissor Elevating Platform) 平台 (Platform) 中心支點 (Pivotal center) 鉸接臂 (Articulated arm) 組裝剪叉式升降平台模型放一杯盛了水的水在平台上當你轉動曲柄 (crank) 時, 平台和水杯如何移動? 螺旋桿 (screw spindle) 令蝸螺母 (worm nut) 前後移動, 再通過軸節 (joint)` 令平台升降由於兩個軸節都有同一個中心支點, 因此平台的升降運動是與螺旋桿平行的加上兩個軸節都會像剪叉般移動相同距離, 故稱它為剪叉式升降平台 n 這個慧魚車床是一個給真正行家的模型它有兩個螺旋桿驅動, 且相互作用你認為這款車床為何需要兩個獨立的螺旋桿驅動呢? 車床 (Lathe) 11

12 中文 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊聯接器機理 (Coupler Mechanism) 擋風玻璃水撥 / 刮水器 (Windshield Wiper) n 你知道擋風玻璃水撥如何運作嗎? 以下的模型會向你展示在這裏, 旋轉運動 (rotational movement) 會轉換成來回動作 (back and forth movement) 或搖擺動作 (oscillating movement) 你需要一個曲軸 (crank) 或凸輪盤 (cam disk) 來達成這就是一個曲軸搖桿齒輪組合 (crank-rocker gear unit), 它能把旋轉運動轉換成直線運動 (straight line movement) 這個雙重四桿鏈系 (double four-bar chain) 包含以下零件 : 曲軸凸輪 (Crank, cam) 搖桿 (Gear rocker) 框架 (Frame) 連接桿 (Connecting rod) 四桿鏈系 (Four-bar Chain) n 顧名思義, 四桿鏈系就是由四個軸節 (joint) 組成這軸節也就是物件旋轉的接合點至於它如何運作, 請看四桿鏈系的簡化圖便會知道你能認出其中的部件嗎? 組裝四桿鏈系的模型觀察各個部件如何相互作用那個部件會移動, 那個部件不會移動請把其運動種類在下表中作一描述部件會否移動?( 是 / 否 ) 運動的種類曲軸 (crank, cam) 連接桿 (connecting rod) 搖桿 (gear rocker) 框架 (frame) 在這模型中, 結實的框架可以把運動作用消化曲軸必須能夠完整地旋轉一圈, 以便連接桿把曲軸的運動轉移到搖桿上由於搖桿是固定於框架上的, 因此它只能沿一個弧形 (arc) 來運動要令這個齒輪組運作, 當中四個組件 ( 即曲軸連接桿搖桿和框架 ) 的長度, 均須按一定的比例設計 12

13 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊中文 n 曲軸搖桿 (crank rocker) 亦可應用於其他方面電動弓形鋼鋸一直以來都是金屬建築工人的好幫手它的簡單結構能幫你對聯接器機理 (coupler mechanism) 有更佳的認識弓形鋼鋸 (Hacksaw Machine) 在這個齒輪組合中, 旋轉運動 (rotational movement) 被轉換成直線來回運動 (straight line back-and-forth movement) 而來回運動的盡頭即鋼鋸不能再往前的位置, 被稱為靜點 (dead center points)t1 和 T2 曲軸 (Crank) 框架 (Frame) T1 到 T2 之間來回 (T1 Travel T2) 偏凸心輪盤 (Eccentric, cam disk) 連接桿 (Connecting rod) 推桿 (Push rod) 組裝一個弓形鋼鋸模型量度鋸物件時, 鋸片移動的距離 n 四千年以前, 人們要把物件的重量與砝碼 (weights) 相比, 以決定物件的價值方法是使用橫桿磅秤 (beam and scales), 來比較的兩個物件的重量, 顯示兩者的力量 (force) 是否平衡在模型中, 一條橫桿連接於中心支點 (pivotal center), 然後在兩端各放一個秤盤 (bowl) 當兩邊的力量平衡時, 磅秤中央的兩個指針 (indicator) 會連成一直線 (in-line) 槓桿 (Lever) 橫桿磅秤 (Beam and Scales) 組裝橫桿磅秤模型在兩個秤盤上各放一塊相同樣的慧魚零件你的磅秤運作正常嗎? 現在把兩件你認為重量相同的物件, 分別放入秤盤內磅秤能平衡嗎? 你的判斷正確嗎? 這個磅秤是跟據槓桿 (lever) 長度相同的原理來運作的 : 槓桿是一條筆直的橫桿 (beam), 把這條橫桿支撐於中心支點上, 讓它可以隨兩邊的力量, 圍繞中心支點旋轉力作用點和中心支點之間的距離為桿臂 (lever arm), 中心支點兩邊的長度和重量是相同, 原理就和搖搖板 (teeter-totter) 一樣要槓桿能平衡, 兩邊的重量, 和它們與中心支點的距離必須相同 13

14 中文 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊帶滑動砝碼的磅秤 (Scales with Sliding Weight) n 你實在需要一些耐性才能找到兩件完全相同重量的物件因此橫桿與磅秤發展下去便是一個帶滑動砝碼的磅秤這個磅秤亦是跟據槓桿長度相同的原理來運作, 但著眼點在於兩邊扭力 (torques) 的平衡中心支點 (pivotal center) 的兩邊都是力量臂 (power arm), 其中一邊懸掛了砝碼 (weights) 這個砝碼離開中心支點越遠, 所產生的扭力就越大滑動砝碼, 便可改變力量臂上的扭力而帶秤盤那邊的力量臂, 則稱為起重臂 (lift arm) 組裝一個有力量臂起重臂, 和可滑動砝碼的磅秤模型移動可滑動砝碼, 直至在秤盤空載 ( 即沒有放置任何物件 ) 時, 磅秤能平衡中央的指針可幫助你達成任務把一個物件放入秤盤上, 移動滑動砝碼, 讓磅秤平衡要讓一個槓桿達致平衡, 逆時針方向扭力 (counter-clockwise torques) 的總和必須與順時針方向扭力 (clockwise torques) 的總和相同這聽起來好像很複雜, 但其實不是太困難的槓桿定理說明, 中心支點左右兩邊臂的重量 (weight) 要相同, 但兩條支臂卻不一定要長度相同砝碼距離中心支點越遠, 槓杆力量就越大, 所產生的力量也越大繩索輪與起重滑車組 (Rope Pulleys, Lifting Tackle) n 試想像你要用繩索拉動你的朋友, 即使他與你體重相同, 你也需要很多的力氣才辦得到安裝在天花板上的繩索輪 (rope pulleys) 只能幫你固定重物, 卻無法幫你省力以下的起重滑車組 (lifting tackle) 模型會幫助你很容易吊起重物 14

15 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊中文帶兩個繩索輪的起重滑車組 (lifting tackle with 2 rope pulleys) 組裝一個帶兩個繩索輪的起重滑車組模型, 其中一個繩索輪是固定 (fixed) 的, 另一個是移動 (loose) 的把重物吊在吊鉤 (hook) 上拉動繩索, 量度需要拉動繩索多長, 才能讓重物提升 10 厘米你需要很用力來拉嗎? 在下表中紀錄你的觀察 : 繩索拉動的距離 (cm) 所需力度 ( 按感覺 ) 繩段數目兩個繩索輪這個模型能讓節省你一半的力量, 但所拉動的繩索有多長呢? 帶三個繩索輪的起重滑車組 (lifting tackle with 3 rope pulleys) 把你的模型擴建成一個帶有三個繩索輪的起重滑車組模型你或需要參閱組裝說明書再次拉動繩索, 量度需要拉動繩索多長, 才能讓重物提升 10cm 你需要很用力來拉嗎? 在表中紀錄及比較你的觀察 : 繩索拉動的距離 (cm) 所需力度 ( 按感覺 ) 繩段數目三個繩索輪現在你知道一個起重滑車組如何操作了你可以組裝一個帶四個繩索輪的起重滑車組另外再用馬達來代替人手的力量帶四個繩索輪的起重滑車組 (lifting tackle with 4 rope pulleys) 把模型擴建成一個帶有四個繩索輪的起重滑車組, 並加上馬達用一條橡皮圈, 把一個放了硬幣的錢包掛在吊鉤上馬達能把銀包拉起來嗎? 你以一個兩個四個或六個繩索輪的起重滑車組, 便可以小小的力量吊起重物如果我們不理會繩索輪的重量 (weights) 和磨擦力 (frictional forces), 上述的起重滑車組能把所需的力量, 分別減到原來的二份之一四份之一或六份之一這個起重滑車模型, 馬達只需四份之一的力量, 便可把重物吊起, 但是它亦有缺點 : 當要提升負載物 10 厘米時, 它要拉動多長的繩索呢? o 10 cm o 20 cm o 30 cm o 40 cm 從物理學 (Physics), 我們了解到起重滑車組的運作原理其中有一條黃金定律 (Golden Rule), 那就是 : 功 (work) 不能被減省, 所減省的力量其實變成長度和時間的增加吧了 (Work cannot be saved, whatever is saved on force, must be added in time and distance) 15

16 中文 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊結構 / 靜力學的世界 (The world of Statics) n 結構學 (Statics) 研究的是 : 作用於物體上的力量 (forces) 是在何種條件 (conditions) 下才能得到平衡 (balance) 的結構學是興建橋樑和房屋等建築物的所有計算及設計基礎各種不同的力量都會作用於結構物的部件 (components of statics) 上建築物自身的重量為自重 (deadweight), 而在其上的人傢具碗碟, 甚至汽車等都是負載 (traffic load) 桌子 (Table) n 桌子是一個靜態物件 (statical object) 它有自身的重量 (weight)( 自重 / dead weight) 和負載 (traffic loads), 即在其上的盤子, 杯食物和飲品等當然亦包括意外碰撞桌子的力量要讓桌子能承受這些力量, 它需要很多的結構性特性 (statical specialties) 對角支撐條 (Diagonal) 支架 (Bracing) 組裝桌子模型請確保所有對角支撐條 (diagonal) 都正確地連接起來首先從上方把重物放在桌上, 然後施力於桌邊 ; 再施力於其中一條桌腳上每次有甚麼情況發生? 桌子模型的結構性特性 (statical characteristics) 就在那些對角支撐桌腳 (angled table leg) 對角支撐使桌子在縱橫兩邊都能穩固桌子的框架結構包括對角支撐條 (diagonal) 和支架 (braces) 桌腳之間的對角支撐條令框架受到壓力時都能保持穩固但結構學中最重要的是各個連接點這樣的三角形被稱為結構性三角形在結構學, 所有接合點都稱為節點 (nodes) 除去所有的支架, 把一個重物放於桌子上它對桌子的結構有何影響? 把支架重新裝好, 除去所有的對角支撐條重新把重物放於桌子上, 現在桌子穩定嗎? 現在把支架都除去, 把重物放於桌子上你觀察到甚麼? 16

17 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊中文 n 人字梯是一個很簡單的靜態結構 (statical construction) 它有柱式支架 (strut bracing) 的梯腳, 這些柱式支架同時亦成了梯子的梯級 (rung) 人字梯由兩把獨立的梯子組成, 並在頂部的中心支點連接在一起另外, 在兩把梯子的下面部份亦在支架 (bracing) 連接在一起人字梯 (Double Ladder) 支架 (Bracing) 組裝人字梯模型, 但先不要安裝支架把人字梯立起來, 然後向梯級 (rung) 及上面的中心支點施壓力梯子仍能站立得穩嗎? 現在把支架裝好, 再做剛才的測試現在梯子能站得穩嗎? 人字梯由兩把相同的梯子組成, 梯頂由一中心支點 (pivotal center) 連接在一定的撐開角度範圍內, 即使沒有任何支架, 梯子仍然能站立得穩但到了一個臨界點, 梯子的腳便會滑開, 令兩半梯子滑向不同方向而安裝了支柱後, 便可穩固梯子 n 一條良好的橋樑要有四個特點 : 安全跨度夠長成本便宜和外觀好看這是你第一個橋樑模型, 你可藉此了解到橋樑的典型建造方法鋼樑橋 (Girder Bridge) 組裝這個橋樑模型在橋樑中間放一個重物這類橋樑可以在甚麼地方應用? 這種單薄的鋼樑橋最適用於低負重 (load) 和跨度 (span) 小的地方它符合上面提到關於良好橋樑的四個特點但如果兩個支撐點間的跨度較大時, 這種橋樑便會不夠穩固 17

18 中文 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊底橫樑式橋 (Bridge with Underbeam) n 底橫樑式橋樑讓人想起那些跨越峽谷 (gorges) 的懸索橋 / 吊橋 (suspension bridge) 但這種橋樑的設計跟懸索橋的設計完全不同你會在本模型的實驗中了解原因把第一個橋樑模型擴建成一個底橫樑式橋樑模型現在把重物放在橋中央你可以用一些較重的物件透過負重實驗, 你會發覺這種橋樑非常穩固, 及能夠承受很大的擠壓力 (compressive forces) 這種橋樑的構架結構 (trussed construction), 讓它適用於大負重, 但跨度不是太大的地方懸索橋則能有更大的跨度, 但卻不能抵受這樣大的負重底橫樑式橋樑與懸索橋只屬形似, 但從結構的角度來看, 它們是截然不同的頂橫樑式橋樑 (Bridge with Upperbeam) n 頂橫樑式橋樑能顯著地跨越更長的距離, 和承受更大的負重這種橋樑亦有構架設計 (trussed design) 柱式支架 (strut braces) 支架 (braces) 和結構三角形 (statical triangle) 都能令橋樑變得穩固頂構架樑 (Upper boom) 柱式支架 (Strut-brace) 結構支撐 (Support) 支架 (Brace) 組裝頂橫樑式橋樑模型把負重放於橋樑中央橋樑的穩定性有何變化? 把你所知的各種結構性部件 (statical element) 指出來 : 頂構架樑 (upper boom) 柱式支架 (strut brace) 支架 (brace) 和結構支撐 (support) 這種橋樑比鋼樑橋 (girder bridge) 能負重更多擠壓力 (compressive force) 不單只是傳送到鋼樑 (girder) 上, 亦會分配到各個附加的部件頂構架樑 (upper boom) 包含一些交叉對角支撐條 (crossed diagonals), 連於附加部件的上方節點 (nodes) 上這些對角支撐條能防止橋樑扭動 (twisting) 如果柱式支架是垂直向上的話, 這種橋樑的設計便被稱為構架式框架 (trussed frame) 18

19 PROFI MECHANIC + STATIC ACTIVITY BOOKLET 機械與結構活動手冊 n 如果你要站得高一點就需要有一個瞭望高架台了這個高架台的結構性基礎(statical basis) 是一個由許多三角形組成的框架結構(framework) 中文瞭望高架台 (High Hunting Stand) 你的任務組裝瞭望高架台模型你能指出當中的結構部件(construction element)嗎每個獨立結構(framework) 的框架叫骨架(skeleton) 由獨立結構組成的骨架可用於房屋高壓電塔橋樑和瞭望高架台它的好處是不用以板片或石鋪上這樣它就不會阻風穩固之餘又可減省建築材料 n 透過之前的模型你已經增加了在力學(mechanics) 槓桿學(levers)和結構學 (statics)的經驗這個最後的模型會融合使用這些經驗你可從這個起重機(crane)模型了解個別部件(components)及各組部件(assembly groups)如何相互作用亦可測試結構的負重能力(load carrying capacity) 起重機 (Crane) 你的任務使用蝸齒輪組(worm gear pair) 來組裝起重機的底座(base) 你記得為何要使用蝸齒輪組嗎請把它紀錄在表格內跟著請組裝框架結構(framework) 你知道其中所用到的結構性部件 (statical element)嗎請把它紀錄下來起重機吊桿(crane boom)是槓桿的其中一種為何起重機能維持平衡吊桿是如何達致穩定的呢要吊起重物你需要多種類別的齒輪組合請為起重機安裝合適的齒輪組合比較它們工作的方式在下表中紀錄結果這個模型最精采的部份是起重滑車組(lifting tackle)的使用為這個模型設計一個起重滑車組如果這個起重機需要吊起非常重的物件你會考慮甚麼因素組件優點特質可能的用處部件力學蝸齒輪組結構學 R D 19 AF T 槓桿

20 中文 P R O F I M E C H A N I C + S T A T I C A C T I V I T Y B O O K L E T 機械與結構活動手冊 20

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PARTS_TF-6_6B PARTS LIST TF-6 TF-6B SEIKO SEWING MACHINE CO., LTD. CONTENTS Page 1, 2 NEEDLE BAR PRESSURE BAR THREAD CONTROLLER 3, 4 UPPER SHAFT AND TAKE-UP LEVER, FEED REGULATING, FEED MECHANISM 5, 6 SHUTTLE RACE