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简单机械
工业基石滑轮、杠杆、齿轮、曲轴的原理与应用
机械工程工业
进阶级：需要一定工程知识和组织能力，成功后可奠定产业基础。
适用时代
古代文明通用
难度
中等
风险等级
中
制作周期
数小时至数周
前置条件
木材/金属、绳索、轴承、工具
原理
简单机械是通过改变力的大小、方向或距离来完成工作的装置。六种基本简单机械包括：杠杆、斜面、轮轴、滑轮、楔子和螺旋。组合使用可以形成起重机、脚踏纺织机、水车、攻城器械等复杂机械。在古代，掌握这些原理意味着能用更少人力完成更大工程。
原料与配比
| 原料 | 用途 | 说明 |
|---|---|---|
| 硬木 | 杠杆、齿轮、机架 | 榆木、槐木、橡木 |
| 金属 | 轴、齿轮、滑轮 | 青铜、熟铁 |
| 绳索 | 滑轮组、传动 | 麻绳、牛皮绳 |
| 油脂 | 润滑 | 动物油、植物油 |
工具
- 锯、凿、刨
- 钻
- 铁砧与锤子
- 墨斗、角尺
- 绳索与滑轮
操作步骤
- 杠杆应用：找一根结实木棍，在合适位置设置支点，长端施力、短端承重。支点越靠近重物，越省力。
- 滑轮组：将定滑轮固定在高处，动滑轮连接重物，绳索依次穿过动滑轮和定滑轮。滑轮数量越多越省力。
- 斜面与楔子：用长木板搭成斜坡搬运重物；用楔形刀具、斧头劈开木材或石料。
- 轮轴：用大轮绕小轴转动，如辘轳提水、绞盘拉船。
- 齿轮传动：制作两个大小不同的齿轮，齿数比决定转速比。大齿轮带动小齿轮加速，反之减速增力。
- 曲轴连杆：将圆周运动转换为往复运动，用于脚踏纺织机、风箱、水力锤等。
- 组合成机械：例如起重机 = 杠杆 + 滑轮组 + 轮轴；脚踏纺车 = 曲轴 + 齿轮 + 轮轴。
注意事项
- 承重结构必须选用无节、纹理直的硬木。
- 齿轮啮合要精确，齿距不一致会导致卡死。
- 转轴处要加润滑油，减少磨损。
- 起重机、投石机等大型机械使用前需测试载荷。
常见问题与解决方法
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
|---|---|---|
| 杠杆断裂 | 木材强度不足或支点磨损 | 换用更粗硬木，金属包覆支点 |
| 滑轮卡死 | 轴心生锈或绳索跳槽 | 加润滑油，安装护绳板 |
| 齿轮打齿 | 齿形不对或受力过大 | 重新按模板刻齿，降低负载 |
| 机械效率低 | 摩擦过大或结构不合理 | 加轴承或滚木，优化力臂比例 |
升级方向
- 复合机械：将多种简单机械组合，如脚踏起重机、水力锯木机。
- 滚珠轴承：用光滑石珠或金属珠减少轴摩擦。
- 凸轮机构：利用偏心轮实现自动化往复动作。
- 飞轮储能：用大轮储存动能，稳定机械运转。
参考来源
- 阿基米德杠杆原理与简单机械
- 《天工开物》各类机械装置记载
- 公开物理学教材：简单机械与机械效率