機械
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20世紀初頭にフライス盤を操作する作業員

機械とは、動力を用いて力を加え、動きを制御して動作を実行する熱力学システムです。この用語は、エンジンやモーターなどの人工装置に一般的に適用されますが、分子機械などの天然の生物学的高分子にも適用されます。機械は、動物や人間、風や水などの自然の力、化学エネルギー、熱エネルギー、電力によって駆動され、アクチュエータの入力を調整して特定の出力力と動きを実現する機構システムを備えています。また、パフォーマンスを監視し、動作を計画するコンピューターやセンサーも含まれており、これらはしばしば機械システムと呼ばれます。

ルネサンス期の自然哲学者たちは、荷物を動かす基本的な装置である6つの単純な機械を特定し、今日では機械的利点として知られる入力力に対する出力力の比率を計算した。[ 1 ]

現代の機械は、構造要素、機構、制御部品から構成され、使い勝手を向上させるインターフェースを備えた複雑なシステムです。例としては、電車、自動車、船舶、飛行機といった様々な乗り物、コンピューター、ビルの空調・給水システムといった家庭やオフィスの電化製品、農業機械、工作機械、工場自動化システム、ロボットなどが挙げられます。

語源

英語の「machine」は中期フランス語を経てラテン語 の「machina」に由来し[ 2 ]、これはギリシア語（ドーリア語μαχανά makhana、イオニア語μηχανή mekhane「装置、機械、エンジン」[ 3 ] 、 μῆχος mekhos「手段、方便、救済策」[ 4 ] ）に由来する。[ 5 ]「mechanical」（ギリシア語：μηχανικός ）という単語も同じギリシア語の語源である。より広い「織物、構造」の意味は古典ラテン語に見られるが、ギリシア語には見られない。この意味は中世後期フランス語に見られ、16世紀半ばにフランス語から英語に取り入れられた。

17世紀には、「machine」という語は計画や陰謀を意味することもあり、現在ではこの意味は派生語の「machination」で表現されています。現代の意味は、16世紀後半から17世紀初頭にかけて、劇場で使用される舞台装置や軍事用の攻城兵器にこの語が専門的に用いられたことから発展しました。OEDは、この正式な現代的な意味をジョン・ハリスの『Lexicon Technicum』（1704年） に遡らせており、そこには次のように記されています。

機械学における「機械」あるいは「エンジン」とは、物体の運動を加速または停止させるのに十分な力を持つあらゆるもののことです。単純機械は一般的に、てんびん、レバー、滑車、車輪、くさび、ねじの6つに分類されます。複合機械、あるいは「エンジン」は無数に存在します。

ハリスとその後の言語の両方で（ほぼ）同義語として使われた「エンジン」という単語は、最終的には（古期フランス語を経て）ラテン語の「創意工夫、発明」を意味するingeniumに由来しています。

歴史

ウィンチェスターで火打ち石の手斧が発見された。

手斧は、フリント（火打ち石）を削って楔形にしたもので、人間の手の中で、道具の力と動きを、工作物を横方向に割る力と動きに変換します。手斧は楔形の最初の例であり、6つの古典的な単純機械の中で最も古く、ほとんどの機械のベースとなっています。2番目に古い単純機械は斜面（ランプ）[ 6 ]で、先史時代から重い物を移動するために使用されてきました。 [ 7 ] [ 8 ]

他の4つの単純な機械は、古代近東で発明されました。[ 9 ]車輪は、車輪と車軸の機構とともに、紀元前5千年紀にメソポタミア（現在のイラク）で発明されました。 [ 10 ]てこの機構は、約5000年前に近東で初めて登場し、単純な天秤に使用されました。[ 11 ]また、古代エジプトの技術では、大きな物体を移動するために使用されました。[ 12 ]てこは、メソポタミアで紀元前3000年頃に登場した最初のクレーン機械で あるシャドウフ揚水装置にも使用され、[ 11 ]その後、 紀元前2000年頃の古代エジプトの技術にも使用されました。[ 13 ]滑車の最も古い証拠は、紀元前2千年紀初頭のメソポタミアにまで遡ります。[ 14 ]そして古代エジプトの第12王朝（紀元前1991-1802年）の時代にまで遡ります。[ 15 ]最後に発明された単純な機械であるねじは、[ 16 ]新アッシリア時代（紀元前911-609年）のメソポタミアで初めて登場しました。[ 14 ]エジプトのピラミッドは、6つの単純な機械のうち、斜面、くさび、てこの3つを使って建造されました。[ 17 ]

紀元前3世紀頃、ギリシャの哲学者アルキメデスはてこ、滑車、ねじの3つの単純な機械を研究し記述した。 [ 18 ] [ 19 ]アルキメデスはてこの機械的利点 の原理を発見した。 [ 20 ] その後のギリシャの哲学者たちは傾斜面を除く5つの単純な機械を定義し、それらの機械的利点を大まかに計算することができた。[ 1 ]アレクサンドリアのヘロン（紀元後 10年頃-75年）は、著書『力学』の中で、てこ、巻き上げ機、滑車、くさび、ねじの5つの「荷物を動かす」ことができる機構を挙げ[ 19 ]、その製造法や用途について述べている。[ 21 ] しかし、ギリシャ人の理解は静力学（力のバランス）に限られており、動力学（力と距離のトレードオフ）や仕事の概念は含まれていなかった。

この鉱石粉砕機は水車によって動かされています。

最も古い実用的な風力機械である風車と風力ポンプは、イスラム黄金時代のイスラム世界、現在のイラン、アフガニスタン、パキスタンで、西暦9世紀までに初めて登場しました。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]最も古い実用的な蒸気動力機械は、蒸気タービンで駆動する蒸気ジャッキで、1551年にオスマン帝国時代のエジプトでタキ・アドディーン・ムハンマド・イブン・マルフによって記述されています。[ 26 ] [ 27 ]

綿繰り機は6世紀までにインドで発明され[ 28 ]、糸紡ぎ車は11世紀初頭までにイスラム世界で発明されました[ 29 ]。これらはいずれも綿花産業の発展に不可欠なものでした。糸紡ぎ車はジェニー紡績機の前身でもありました[ 30 ]。

最も初期のプログラム可能な機械はイスラム世界で開発されました。音楽シーケンサー、つまりプログラム可能な楽器は、最も初期のプログラム可能な機械でした。最初の音楽シーケンサーは、9世紀にバヌ・ムーサ兄弟によって発明された自動フルート演奏装置で、彼らの著書『巧妙な装置集』に記述されています。[ 31 ] [ 32 ] 1206年、アル＝ジャザリーはプログラム可能なオートマタ/ロボットを発明しました。彼は4体のオートマタ演奏者について記述しており、その中にはプログラム可能なドラムマシンによって操作されるドラマーも含まれており、異なるリズムやドラムパターンを演奏することができました。[ 33 ]

ルネサンス期には、機械力学（いわゆる単純機械）の動力学が、どれだけの有用な仕事をこなせるかという観点から研究され始め、最終的には機械的仕事という新しい概念につながりました。1586年、フランドルの技術者シモン・ステヴィンは傾斜面の機械的利点を導き出し、それは他の単純機械にも取り入れられました。単純機械の完全な動力学理論は、1600年にイタリアの科学者ガリレオ・ガリレイによって『機械力学について』で発表されました。[ 34 ] [ 35 ]彼は、単純機械はエネルギーを生み出すのではなく、単に変換するだけであることを初めて理解した人物でした。[ 34 ]

機械における滑り摩擦の古典的な法則は、レオナルド・ダ・ヴィンチ（1452–1519）によって発見されましたが、彼のノートに記されたまま公表されませんでした。この法則はギヨーム・アモントン（1699）によって再発見され、シャルル＝オーギュスタン・ド・クーロン（1785）によってさらに発展させられました。[ 36 ]

ジェームズ・ワットは1782年に平行運動連結装置の特許を取得し、これにより複動式蒸気機関が実用化されました。 [ 37 ]ボルトン・アンド・ワットの蒸気機関とその後の設計は、蒸気機関車、蒸気船、工場に動力を与えました。

ボンサックの機械
ジェームズ・アルバート・ボンサックのタバコ巻き機は 1880 年に発明され、1881 年に特許を取得しました。

産業革命は1750年から1850年にかけての時代であり、農業、製造業、鉱業、輸送、そして技術革新が当時の社会、経済、文化に大きな影響を及ぼしました。産業革命はイギリスで始まり、その後西ヨーロッパ、北アメリカ、日本、そして最終的には世界中に広がりました。

18世紀後半から、イギリスでは、それまで肉体労働と家畜を基盤としていた経済の一部において、機械を基盤とした製造業への移行が始まりました。これは、繊維産業の機械化、製鉄技術の発展、そして精製石炭の使用増加に端を発しています。[ 38 ]

単純な機械

チェンバースの百科事典（1728年）には単純な機械の表が掲載されている。 [ 39 ]単純な機械は、より複雑な機械を理解するための「語彙」を提供する。

機械は単純な可動要素に分解できるという考えから、アルキメデスはてこ、滑車、ねじを単純機械と定義しました。ルネサンス期には、このリストは車輪と車軸、くさび、斜面へと拡大しました。現代の機械の特徴づけにおけるアプローチは、関節と呼ばれる動きを可能にする部品に焦点を当てています。

くさび (手斧): おそらく、力の管理を目的として設計された装置の最初の例は手斧で、これは両面刃やオロルゲサイリエとも呼ばれます。手斧は、石 (通常はフリント) を削って両面刃、つまりくさびを作ります。くさびは、横方向の力と工具の動きを、工作物の横方向の分割力と動きに変換する単純な機械です。利用できる力は工具を使用する人の力によって制限されますが、力は力と動きの積であるため、くさびは動きを減らすことで力を増幅します。この増幅、つまり機械的利点は、入力速度と出力速度の比です。くさびの場合、これは 1/tanα で表され、α は先端角です。くさびの面は直線としてモデル化され、スライド ジョイントまたは直動ジョイントを形成します。

てこ：てこは、力を制御するためのもう一つの重要かつシンプルな装置です。てこは支点を中心に回転する物体です。支点から遠い点の速度は支点に近い点の速度よりも大きいため、支点から遠くに加えられた力は、支点近くでは速度低下によって増幅されます。支点から入力力が加えられる点までの距離をa 、出力力が加えられる点までの距離をbとすると、 a/bはてこの機械的利点となります。てこの支点は、ヒンジジョイントまたは回転ジョイントとしてモデル化されます。

車輪：車輪は、戦車のような初期の機械において重要な役割を果たしました。車輪は、てこの原理を利用して、荷物を引く際に摩擦を克服するために必要な力を低減します。この原理を理解するには、地面で荷物を引く際の摩擦が、車輪の車軸で荷物を支える単純なベアリングの摩擦とほぼ同じであることに注目してください。しかし、車輪はてこの作用によって牽引力が増幅され、ベアリングの摩擦抵抗を克服します。

1876年の機械運動学における4節リンク機構の図
『機械の運動学』（1876 年）には4 節リンク機構の図が掲載されています。

新しい機械の設計戦略を提供するための単純機械の分類は、800以上の基本機械を収集し研究したフランツ・ルーローによって開発されました。 [ 40 ]彼は、古典的な単純機械は、ヒンジを中心に回転する物体によって形成されるてこ、滑車、車輪と車軸と、同様に平面上を滑るブロックである傾斜面、くさび、ねじに分けられることを認識しました。[ 41 ]

単純機械は、蒸気機関からロボットマニピュレータに至るまで、機械システムのモデル化に用いられる運動連鎖またはリンク機構の基本的な例です。てこの支点となり、車輪、車軸、滑車が回転できるようにするベアリングは、ヒンジジョイントと呼ばれる対偶の例です。同様に、傾斜面の平面とくさびは、滑りジョイントと呼ばれる対偶の例です。ねじは通常、螺旋ジョイントと呼ばれる独自の対偶として識別されます。

この認識は、関節、つまり動きを生み出す接続部こそが機械の主要な要素であることを示しています。回転関節、滑り関節、カム関節、ギア関節の4種類の関節と、ケーブルやベルトなどの関連する接続部から始めて、機械をこれらの関節を繋ぐ「機構」と呼ばれる固体部品の集合体として理解することが可能になります。[ 42 ]

2つのレバー、またはクランクは、一方のクランクの出力をもう一方のクランクの入力に連結するリンクを取り付けることで、平面4節リンク機構を形成します。追加のリンクを取り付けて6節リンク機構を形成したり、直列に並べてロボットを構成したりできます。[ 42 ]

機械システム

ボルトン＆ワット蒸気機関
ボウルトン・アンド・ワットの蒸気機関、1784年

機械システムは、力と動きを伴うタスクを達成するために動力を管理します。現代の機械は、(i)力と動きを生成する動力源とアクチュエータ、(ii) アクチュエータの入力を整形して特定の出力力と動きを実現する機構システム、(iii) 出力を性能目標と比較し、アクチュエータの入力を制御するセンサー付きコントローラ、(iv) レバー、スイッチ、ディスプレイで構成されるオペレータとのインターフェースで構成されるシステムです。これはワットの蒸気機関に見られます。ワットの蒸気機関では、蒸気の膨張によって動力が供給され、ピストンが駆動されます。ウォーキングビーム、カプラ、クランクは、ピストンの直線運動を出力プーリの回転に変換します。最終的に、プーリの回転はフライボール調速機を駆動し、ピストンシリンダーへの蒸気入力バルブを制御します。

形容詞「機械的」は、芸術や科学の実用的応用における技能を指すだけでなく、力学が扱う動き、物理的な力、特性、または媒介物に関連する、またはそれらによって引き起こされる技能も指します。 [ 43 ]同様に、メリアム・ウェブスター辞典[ 44 ]では、「機械的」を機械や道具に関連するものとして定義しています。

機械を流れる動力は、レバーや歯車列から自動車やロボットシステムに至るまで、様々な装置の性能を理解するための手段となります。ドイツの機械学者フランツ・ルーロー[ 45 ]は、「機械とは、抵抗体の組み合わせであり、それらの力によって自然界の機械的力が特定の運動を伴う仕事を強いられるように配置されたものである」と記しています。力と運動が組み合わさって動力が定義されることに注目してください。

さらに最近では、Uickerら[ 42 ]は、機械とは「力を加えたり、その方向を変えたりするための装置」であると述べています。McCarthyとSoh [ 46 ]は、機械を「一般的に、動力源と、この動力を制御して使用するための機構から構成される」システムであると説明しています。

電源

自動車のディーゼルエンジン、摩擦クラッチ、ギアトランスミッション
ベルギー、西フランドル地方のズウェヴェゲムにある初期のガンツ発電機

初期の機械の動力源は、人間と動物の力でした。

水車：水車は紀元前300年頃に世界中で登場し、流水を利用して回転運動を生み出しました。この回転運動は、穀物の製粉、製材、機械加工、繊維加工などの動力源として利用されました。現代の水車は、ダムを流れる水を利用して発電機を駆動します。

風車：初期の風車は風力エネルギーを捉え、製粉作業に必要な回転運動を生み出していました。現代の風力タービンは発電機も駆動します。この電力は、機械システムのアクチュエーターを構成する モーターを駆動するために使われます。

エンジン：エンジンという言葉は「創意工夫」に由来し、元々は物理的な装置であるか否かに関わらず、工夫を凝らした装置を指していました。[ 47 ]蒸気機関は、圧力容器内の水を熱で沸騰させ、膨張した蒸気がピストンまたはタービンを駆動します。この原理は、アレクサンドリアのヘロンのアイオロスの球に見られます。これは外燃機関と呼ばれます。

自動車エンジンは、シリンダー内で燃料を燃焼させ（発熱化学反応）、その膨張したガスを利用してピストンを駆動するため、内燃機関と呼ばれます。ジェットエンジンは、タービンで空気を圧縮し、燃料と混合してノズルから膨張させることで航空機に推進力を与えるため、これも「内燃機関」です。[ 48 ]

発電所：ボイラーで石炭と天然ガスを燃焼させた熱で蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動して発電機を回転させます。原子力発電所は原子炉の熱を利用して蒸気と電力を生成します。この電力は送電線網を通じて産業用および個人用に配電されます。

モーター：電気モーターは交流電流または直流電流を用いて回転運動を生み出します。電気サーボモーターは、ロボットシステムから現代の航空機に至るまで、様々な機械システムのアクチュエーターとして使用されています。

流体動力:油圧システムと空気圧システムは、電動ポンプを使用して、それぞれ水または空気をシリンダーに送り込み、直線運動を駆動します。

電気化学的：化学物質や材料もエネルギー源となり得る。[ 49 ]電池のように化学的に消耗したり再充電が必要になったりする物質もあれば、[ 50 ]太陽電池や熱電発電機のように状態を変えずに電力を生成する物質もある。[ 51 ] [ 52 ]しかし、これらすべてはエネルギーを他の場所から得る必要がある。電池の場合は、内部に既に存在する化学的位置エネルギーがエネルギー源となる。[ 50 ]太陽電池と熱電発電機では、エネルギー源はそれぞれ光と熱である。[ 51 ] [ 52 ]

メカニズム

機械システムの機構は、機械要素と呼ばれる部品から構成されています。これらの要素はシステムの構造を提供し、その動きを制御します。

構造部品とは、一般的に、フレームメンバー、ベアリング、スプライン、スプリング、シール、ファスナー、カバーなどを指します。カバーの形状、質感、色は、機械システムとユーザーとの間の デザインと操作インターフェースを形成します。

動きを制御するアセンブリは「メカニズム」とも呼ばれます。[ 45 ] [ 42 ]メカニズムは一般的にギアとギアトレインに分類され、ベルトドライブとチェーンドライブ、カムとフォロワのメカニズム、リンケージが含まれますが、クランプリンケージ、インデックス機構、脱進機、ブレーキやクラッチなどの摩擦装置などの他の特殊なメカニズムもあります。

機構の自由度の数、すなわち可動性は、リンクとジョイントの数、および機構を構成するジョイントの種類によって決まります。機構の一般的な可動性は、リンクの拘束されていない自由度とジョイントによって課される拘束の数との差です。これは、チェビシェフ・グルブラー・クッツバッハの基準によって記述されます。

歯車と歯車列

アンティキティラ島の機械（主要断片）

接触する歯車間の回転伝達は、ギリシャのアンティキティラ島の機械や中国の南を指す戦車にまで遡ることができます。ルネサンスの科学者ゲオルギウス・アグリコラの図解には、円筒形の歯を持つ歯車列が描かれています。インボリュート歯の採用により、一定の速度比を実現する標準的な歯車設計が生まれました。歯車と歯車列の重要な特徴には、以下のものがあります。

カムとフォロワー機構

カムとフォロワは、特殊な形状の2つのリンクが直接接触することで形成されます。駆動側のリンクはカム（カムシャフトも参照）と呼ばれ、接触面の直接接触によって駆動されるリンクはフォロワと呼ばれます。カムとフォロワの接触面の形状が、機構の動きを決定します。

連携

航空機の着陸装置を位置決めするアクチュエータと4リンク機構の概略図

リンケージとは、関節によって連結されたリンクの集合体です。一般的に、リンクは構造要素であり、関節は動きを可能にします。おそらく最も有用な例は、平面4節リンケージでしょう。しかし、他にも多くの特殊なリンケージが存在します。

平面機構

平面機構とは、システムを構成するすべての物体の点の軌跡が、接地面と平行な平面上に位置するように制約された機械システムです。システム内の物体を連結するヒンジジョイントの回転軸は、この接地面に対して垂直です。

球状機構

球面機構とは、システム内の点の軌跡が同心球面上に位置するように物体が移動する機械システムです。システム内の物体を連結するヒンジジョイントの回転軸は、これらの円の中心を通ります。

空間メカニズム

空間機構とは、少なくとも1つの物体が、その点軌道が一般空間曲線となるように運動する機械システムです。システム内の物体を連結するヒンジジョイントの回転軸は、空間内で交差せず、明確な共通法線を持つ直線を形成します。

屈曲機構

屈曲機構は、柔軟な要素 (屈曲ジョイントとも呼ばれる) によって接続された一連の剛体で構成され、力が加えられると幾何学的に明確に定義された動きを生み出すように設計されています。

機械要素

機械の基本的な機械部品は機械要素と呼ばれます。これらの要素は、3つの基本的なタイプで構成されます。(i)フレームメンバー、ベアリング、車軸、スプライン、ファスナー、シール、潤滑剤などの構造部品、( ii )ギアトレイン、ベルトまたはチェーンドライブ、リンケージ、カムとフォロワシステム、ブレーキとクラッチなどのさまざまな方法で動きを制御するメカニズム、および(iii)ボタン、スイッチ、インジケータ、センサー、アクチュエータ、コンピュータコントローラなどの制御部品。 [ 53 ]一般的には機械要素とは見なされませんが、カバーの形状、質感、色は、機械の機械部品とユーザーとの間のスタイリングと操作インターフェースを提供する重要な部分です。

構造部品

フレーム、ベアリング、スプライン、スプリング、シールなど、多数の機械要素が重要な構造機能を提供します。

コントローラー

コントローラは、センサー、ロジック、アクチュエータを組み合わせて、機械部品の性能を維持します。最もよく知られているのは、蒸気機関のフライボール調速機でしょう。これらのデバイスの例としては、温度上昇に応じて冷却水へのバルブを開くサーモスタットから、自動車のクルーズコントロールシステムなどの速度制御装置まで、多岐にわたります。プログラマブルロジックコントローラは、リレーや特殊な制御機構をプログラマブルコンピュータに置き換えました。電気指令に応じてシャフトを正確に位置決めするサーボモーターは、ロボットシステムを可能にするアクチュエータです。

計算機

算術計算機
算術計は、 1820年頃にチャールズ・ザビエル・トーマスによって四則算術のために設計されました。1866年から1870年にかけて製造され、スウェーデンのストックホルムにある技術博物館に展示されています。

チャールズ・バベッジは1837 年に対数やその他の関数を計算する機械を設計しました。彼の階差機関は高度な機械式計算機、解析機関は現代のコンピュータの先駆けと言えますが、より大規模な設計はいずれもバベッジの生涯中には完成しませんでした。

アリスモメーターとコンプトメーターは、現代のデジタルコンピュータの前身となる機械式コンピュータです。現代のコンピュータを研究するために使用されるモデルは、ステートマシンとチューリングマシンと呼ばれます。

分子機械

リボソームはタンパク質のダイナミクスを利用した生物学的機械です。

生体分子ミオシンはATPとADPに反応し、アクチンフィラメントと交互に結合して力を発揮する形状を変化させ、その後解離して形状、すなわちコンフォメーションをリセットします。これは、筋収縮を引き起こす分子駆動力として機能します。同様に、生体分子キネシンには、微小管と交互に結合したり解離したりする2つのセクションがあり、これにより分子は微小管に沿って移動し、細胞内の小胞を輸送します。また、ダイニンは細胞内の貨物を核へと移動させ、運動性繊毛と鞭毛の軸糸運動を引き起こします。 「実際、運動繊毛は、おそらく600個以上のタンパク質からなる分子複合体で構成されたナノマシンであり、その多くは独立してナノマシンとしても機能します。柔軟なリンカーは、それらによって連結された可動性タンパク質ドメインが結合パートナーをリクルートし、タンパク質ドメインダイナミクスを介して長距離アロステリーを誘発することを可能にします。」[ 54 ]エネルギー生産を担う生物学的機械もあります。例えば、ATP合成酵素は、膜を横切るプロトン勾配からエネルギーを得て、タービンのような動きで細胞のエネルギー通貨であるATPを合成します。 [ 55 ]遺伝子発現を担う機械もあります。これには、 DNAを複製するDNAポリメラーゼ、mRNAを生成するRNAポリメラーゼ、イントロンを除去するスプライソソーム、タンパク質を合成するリボソームなどがあります。これらの機械とそのナノスケールのダイナミクスは、これまで人工的に構築されたどの分子機械よりもはるかに複雑です。[ 56 ]これらの分子はますますナノマシンであると考えられています。

研究者たちはDNAを使ってナノ次元の4バーリンクを構築した。[ 57 ] [ 58 ]

インパクト

機械化と自動化

この水力式鉱山用ホイストは、鉱石を持ち上げるために使用されました。この木版は、ゲオルク・バウアー（ラテン語名ゲオルギウス・アグリコラ、 1555年頃）著『金属論』（De re metallica ）からの抜粋です。これは初期の鉱山教科書であり、採掘機器の多数の図面と説明が掲載されています。

機械化（イギリス英語ではmechanisation ）とは、人間の作業員に、作業に必要な筋力を補助したり筋力を代替したりする機械を提供することである。分野によっては、機械化には手工具の使用が含まれる。工学や経済学などの現代の用法では、機械化は手工具よりも複雑な機械を意味し、ギアのない馬やロバの臼のような単純な装置は含まない。ギア、プーリまたはシーブ、ベルト、シャフト、カム、クランクなどを使用して速度変更や往復運動から回転運動への変更を行う装置は、通常、機械とみなされる。電化以降、ほとんどの小型機械が手動で動かなくなったとき、機械化は電動機械と同義となった。[ 59 ]

自動化とは、制御システムと情報技術を用いて、商品やサービスの生産における人間の労働負荷を軽減することです。工業化という観点から見ると、自動化は機械化のさらに先を行くものです。機械化は、人間の作業員に筋力的な負担を軽減する機械を提供する一方で、自動化は人間の感覚や精神的な負担も大幅に軽減します。自動化は、世界経済と日常生活においてますます重要な役割を果たしています。

オートマタ

オートマトン（複数形：オートマタ、オートマトン）は、自律的に動作する機械です。この言葉はロボット、特に自律型ロボットを指すこともあります。おもちゃのオートマトンが1863年に特許を取得しました。[ 60 ]

力学

アッシャー[ 61 ]は、アレクサンドリアのヘロンの『力学』の論文が重量物の持ち上げの研究に焦点を当てていたと報告している。今日、力学とは機械システムの力と動きの数学的分析を指し、これらのシステムの運動学と動力学の研究から成り立っている。

機械のダイナミクス

機械の動的解析は、ベアリングの反応を決定するための剛体モデルから始まり、その時点で弾性効果が考慮される。剛体力学は、相互接続された物体のシステムの外力作用下における運動を研究する。物体が剛体である、つまり外力作用下で変形しないという仮定は、システムの構成を記述するパラメータを各物体に付随する参照フレームの並進と回転にまで削減することで、解析を簡素化する。[ 62 ] [ 63 ]

剛体系の力学は、ニュートンの運動法則またはラグランジュ力学を用いて導出される運動方程式によって定義されます。これらの運動方程式の解は、剛体系の構成が時間の関数としてどのように変化するかを定義します。剛体力学の定式化と解は、機械システムのコンピュータシミュレーションにおいて重要なツールです。

機械の運動学

機械の動的解析には、その構成部品の動き、すなわち運動学を決定する必要があり、これを運動学的解析と呼びます。システムが剛体部品の集合体であるという仮定により、回転運動と並進運動をユークリッド変換、すなわち剛体変換として数学的にモデル化することができます。これにより、基準点のこれらの特性と、構成部品の角位置、角速度、角加速度から、構成部品内のすべての点の位置、速度、加速度を決定することができます。

機械設計

機械設計とは、機械のライフサイクルの 3 つの段階に対処するために使用される手順と技術を指します。

  1. 発明には、ニーズの特定、要件の開発、コンセプトの生成、プロトタイプの開発、製造、検証テストが含まれます。
  2. パフォーマンスエンジニアリングには、製造効率の向上、サービスおよびメンテナンスの要求の削減、機能の追加と有効性の向上、検証テストが含まれます。
  3. リサイクルは廃止および廃棄の段階であり、材料とコンポーネントの回収と再利用が含まれます。

参照

参考文献

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さらに読む

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  • ルーロー、フランツ (1876). 『機械の運動学』 ABWケネディ訳・注釈. ニューヨーク：ドーバー社（1963年）より再版.
  • Uicker, JJ; GR Pennock; JE Shigley (2003). 『機械とメカニズムの理論』ニューヨーク: オックスフォード大学出版局.
  • オーバーグ、エリック、フランクリン・D・ジョーンズ、ホルブルック・L・ホートン、ヘンリー・H・リフェル（2000年）、クリストファー・J・マッコーリー、リカルド・ヒールド、ムハンマド・イクバル・フセイン（編）『機械ハンドブック』（第30版）、ニューヨーク：インダストリアル・プレス社、ISBN 9780831130992。
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