無處不在的機械原理｜星島教室

現代人生活繁忙，從早上起牀後，刷牙、洗臉、吃早餐；出門後，乘車、上班、上學；每個生活細節，都涉及不少任務。都市人不分大小老嫩，都可以一一順利完成任務，當中看似簡單不過的過程，其實運用了不少機械原理，你有發現嗎？

何謂「機械原理」？

早於公元前2世紀，古希臘數學家阿基米德（Archimedes）已在思考「機械組成原理」，他認為「槓桿」、「滑輪」及「螺旋」為「最簡單機械」，並且是所有當時可能存在機械的根本。

到了19世紀，德國機械工程師法蘭斯．烏勞斯（Franz Reuleaux）研究800種基本機械，指出「古典簡單機械原理」可以分為「槓桿」、「滑輪」、「輪軸」、「齒輪」、「斜面」和「螺旋」。而「簡單機械」的共通點都是沒有任何可動的組成部分，主要用途是改變力的方向或大小。

鐘錶︰齒輪完美傳動

不論上課或上班，守時都是應有的美德，手上的鐘錶使人容易達到目標，但大家又有否想過，手上的鐘錶是如何令自己守時呢？

原來，一隻手錶，除了其表面精美的圖案及時、分、秒針之外，內部還有許多精密的齒輪。「齒輪」用於傳送旋轉運動和動力，以正確的速度比運作。它能承受較大的動力負荷，亦可改變傳動力的方向。這些齒輪的大小和齒數經過精心設計，使時針、分針和秒針均能夠按照正確的比例關係轉動。例如，秒針每走一圈，分針走一小格，時針走十二分之一小格，這種精確的時間顯示，完全依賴齒輪之間完美的傳動配合。

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水龍頭及筷子︰槓桿神奇妙用

到了午餐時間，當然是先洗手，後進食。大家打開水龍頭，30秒的清潔動作完成後把水龍頭關上。水龍頭里的輪軸是「槓桿」原理裝置的一種，使用時，當施力臂＞抗力臂，會省力；抗力臂＞施力臂，則會費力。 「以輪帶軸」是省力工作方式；「以軸帶輪」是費力的工作方式。平日使用的水龍頭便是其中一個日常生活例子。

筷子雖然屬於費力槓桿，但操作靈活，就如諾貝爾物理學獎得主李政道曾指出：「筷子這兩根簡單的東西，竟奇妙絕倫地展示了物理學上的『槓桿』原理。筷子是人類手指的延長，手指能夠做的事，它大都能夠做。」凡可繞着一固定點面轉動的硬棒，均可視為「槓桿」。槓桿沒有形狀限制，利用槓桿，有的是為了省力，有的是為了加速，有的是為了操作方便（改變力的方向）。

螢幕臂架︰「連桿機構」實踐

大家在家或辦公室工作時，會否覺得螢幕位置不對勁？符合人體工學的螢幕臂架，能為大家的工作空間增加靈活性，可任意調節螢幕臂高度與角度至合適位置，以改善工作姿勢。這「連桿機構」是以鉸接、滑接的方式，將一組棒件連接而成的機構，用以傳送運動、改變運動方向和動力的機械組件。長期使用，可有效紓緩因不良姿勢而引致的肩頸痛，釋放身體所承受的壓力。螢幕臂架不止是把螢幕抬高的電腦產品，透過螢幕支架，能守護頸椎，提升舒適度，讓使用體驗及效率倍增。

汽車︰「瓦特連桿」免晃動

「連桿機構」在交通工具中以四連桿構件最常見。「瓦特連桿」是英國傳奇發明家兼工程師詹姆斯．瓦特（James Watt）所發明，由一套三鏈桿組成的中央控制臂被安置在一個鋁製方形封蓋後方，當控制臂被從左邊推動，它就向右邊拉動，反之亦然。這樣的話，車子的動力就在左右輪中得到了很好的平衡。車身與後橋是由「瓦特連桿」連接在一起的，車身左右晃動的時候，並不會帶來後橋晃動。

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單車︰「曲柄」傳送扭力

到戶外效遊，除了交通工具或步行，踏單車也是很普遍的選擇；當中會應用到「曲柄搖桿機構」（Crank-rocker mechanism）。「曲柄」是一種傳送扭力的機械結構，當輸入的動力離開軸心越遠，相對地它的輸出扭力便越大。

大家不妨仔細觀察各種看似理所當然的事物，嘗試了解當中的機械原理，你會有更多有趣的發現。

小思考，大智慧

舉出以上例子，只是想告訴大家，生活中有很多應用機械原理的工具。機械原理的種類繁多且結構複雜，將機械分解為最基本的元件就是「簡單機械」，它們分為槓桿、滑輪、輪軸、齒輪、斜面和螺旋共6種。試從日常生活中，列舉一些使用以上6種「簡單機械」原理的例子。

參考答案

以下是使用「簡單機械」原理的日常例子︰剪刀（槓桿）；滑梯（斜面）；開酒器（螺旋）；自動門（輪軸）；升降機（齒輪）；起重機（滑輪）。

文：英華書院設計與科技科/STEAM教育統籌林錫忠

本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。

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