无处不在的机械原理｜星岛教室

现代人生活繁忙，从早上起牀后，刷牙、洗脸、吃早餐；出门后，乘车、上班、上学；每个生活细节，都涉及不少任务。都市人不分大小老嫩，都可以一一顺利完成任务，当中看似简单不过的过程，其实运用了不少机械原理，你有发现吗？

何谓「机械原理」？

早于公元前2世纪，古希腊数学家阿基米德（Archimedes）已在思考「机械组成原理」，他认为「杠杆」、「滑轮」及「螺旋」为「最简单机械」，并且是所有当时可能存在机械的根本。

到了19世纪，德国机械工程师法兰斯．乌劳斯（Franz Reuleaux）研究800种基本机械，指出「古典简单机械原理」可以分为「杠杆」、「滑轮」、「轮轴」、「齿轮」、「斜面」和「螺旋」。而「简单机械」的共通点都是没有任何可动的组成部分，主要用途是改变力的方向或大小。

钟表︰齿轮完美传动

不论上课或上班，守时都是应有的美德，手上的钟表使人容易达到目标，但大家又有否想过，手上的钟表是如何令自己守时呢？

原来，一只手表，除了其表面精美的图案及时、分、秒针之外，内部还有许多精密的齿轮。「齿轮」用于传送旋转运动和动力，以正确的速度比运作。它能承受较大的动力负荷，亦可改变传动力的方向。这些齿轮的大小和齿数经过精心设计，使时针、分针和秒针均能够按照正确的比例关系转动。例如，秒针每走一圈，分针走一小格，时针走十二分之一小格，这种精确的时间显示，完全依赖齿轮之间完美的传动配合。

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水龙头及筷子︰杠杆神奇妙用

到了午餐时间，当然是先洗手，后进食。大家打开水龙头，30秒的清洁动作完成后把水龙头关上。水龙头里的轮轴是「杠杆」原理装置的一种，使用时，当施力臂＞抗力臂，会省力；抗力臂＞施力臂，则会费力。 「以轮带轴」是省力工作方式；「以轴带轮」是费力的工作方式。平日使用的水龙头便是其中一个日常生活例子。

筷子虽然属于费力杠杆，但操作灵活，就如诺贝尔物理学奖得主李政道曾指出：「筷子这两根简单的东西，竟奇妙绝伦地展示了物理学上的『杠杆』原理。筷子是人类手指的延长，手指能够做的事，它大都能够做。」凡可绕着一固定点面转动的硬棒，均可视为「杠杆」。杠杆没有形状限制，利用杠杆，有的是为了省力，有的是为了加速，有的是为了操作方便（改变力的方向）。

萤幕臂架︰「连杆机构」实践

大家在家或办公室工作时，会否觉得萤幕位置不对劲？符合人体工学的萤幕臂架，能为大家的工作空间增加灵活性，可任意调节萤幕臂高度与角度至合适位置，以改善工作姿势。这「连杆机构」是以铰接、滑接的方式，将一组棒件连接而成的机构，用以传送运动、改变运动方向和动力的机械组件。长期使用，可有效纾缓因不良姿势而引致的肩颈痛，释放身体所承受的压力。萤幕臂架不止是把萤幕抬高的电脑产品，透过萤幕支架，能守护颈椎，提升舒适度，让使用体验及效率倍增。

汽车︰「瓦特连杆」免晃动

「连杆机构」在交通工具中以四连杆构件最常见。「瓦特连杆」是英国传奇发明家兼工程师詹姆斯．瓦特（James Watt）所发明，由一套三链杆组成的中央控制臂被安置在一个铝制方形封盖后方，当控制臂被从左边推动，它就向右边拉动，反之亦然。这样的话，车子的动力就在左右轮中得到了很好的平衡。车身与后桥是由「瓦特连杆」连接在一起的，车身左右晃动的时候，并不会带来后桥晃动。

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单车︰「曲柄」传送扭力

到户外效游，除了交通工具或步行，踏单车也是很普遍的选择；当中会应用到「曲柄摇杆机构」（Crank-rocker mechanism）。「曲柄」是一种传送扭力的机械结构，当输入的动力离开轴心越远，相对地它的输出扭力便越大。

大家不妨仔细观察各种看似理所当然的事物，尝试了解当中的机械原理，你会有更多有趣的发现。

小思考，大智慧

举出以上例子，只是想告诉大家，生活中有很多应用机械原理的工具。机械原理的种类繁多且结构复杂，将机械分解为最基本的元件就是「简单机械」，它们分为杠杆、滑轮、轮轴、齿轮、斜面和螺旋共6种。试从日常生活中，列举一些使用以上6种「简单机械」原理的例子。

参考答案

以下是使用「简单机械」原理的日常例子︰剪刀（杠杆）；滑梯（斜面）；开酒器（螺旋）；自动门（轮轴）；升降机（齿轮）；起重机（滑轮）。

文：英华书院设计与科技科/STEAM教育统筹林锡忠

本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。

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