別嘴硬，你還真離不開這六個工具！

作者：Jim Lucas

翻譯：山寺小沙彌

審校：Alex Yuan

縱觀歷史，聰明的人類已經發明了許許多多的工具，使得我們在許多工作上能變得更加輕鬆。

其中最著名的就是「六大簡單機械」：輪軸，槓桿，斜面，滑輪，螺旋還有楔子，儘管後三者是前三者的擴展、組合，但這並不妨礙它們「六大簡單機械」的其中三個。

因為功定義為力對位移的積累的物理量，所以根據傑斐遜實驗室的說法，機械通過完成以下一項或者多項就可以使做功變得更加輕鬆：

1. 將力由某個地方轉移到另一個地方

2. 改變力的方向

3. 增大力的量級

4. 增加力作用於物體的距離或者使物體的運動速度變快

簡單機械擁有很少甚至可能沒有可以移動的零部件。根據科羅拉多大學博爾德分校的數據，當今許多複雜的工具只是這六種簡單機械的組合或者在此基礎上的一些複雜設計。例如，用一根長手柄和一個主軸可以構成錨機的主體部分；使用滑輪和斜面將重物拉上斜坡。儘管這些機器看起來很簡單，但它們正是有了這些機械，使得我們能完成很多人類根本完成不了的事。

輪軸

車輪是世界歷史上最重要的發明之一。Natalie Wolchover曾寫道：在公元前3500年車輪被發明之前，由於條件限制，人們能運送貨物量的能力有限，運送距離也非常有限。輪式推車運輸貨物可以實現貨物較快地往返市場，從而減輕了人們遠距離跋涉的負擔，促進了農業和商業的發展。

當物體在表面上移動時，輪子大大減少了摩擦。 「如果你把你的文件櫃放在一個帶有輪子的小推車上，你只需要很小的力，就可以讓它較快地移動。」來自田納西大學的Charlie Samuels說道。

Charlie Samuels在他的著作《古代科學：公元前500年》中寫到：「在世界上的某些地區，重物如岩石和船隻等重物只能使用原木滾筒移動。當物體向前移動時，輥子被從後面移走，並在前面替換。」這是車輪發展的第一步。

不過更加偉大的發明是在車軸上安裝一個車輪。車輪可以連接到由軸承支撐的軸上，或者可以繞軸自由轉動。這直接導致了車、馬車和戰車的出現。根據Charlie Samuels的說法，考古學家利用在軸上旋轉的輪子作為一個相對先進的文明的指標，根據現有的證據，輪軸最早出現在公元前3200年左右，由蘇美爾人發明，中國最早的輪軸可以追溯到公元前2800年。

力量放大器

根據威利出版社的《科學探索》，除了減少摩擦力之外，車輪和車軸也可以作為力量放大器。將一根長手柄連接到軸上也能實現相同的效果。

其他五種機械可以幫助人類增加或者改變作用在物體上的力。Janet L. Kolodner和她的合作者在他們的書《搬動大物體》中寫到：「機器通過獨特的機械優勢來幫助人們移動物體。機械優勢就是合理的選取力和距離。」在下文中，關於將力放大的簡單機械中，我們不考慮摩擦力的效應，因為在大多數情況下，與原始的力和經過簡單機械作用後產生的力相比，摩擦力非常小。

當力作用於物體並在沿力的方向上產生一定的距離後，就有功產生。用數學公式表示就是：W=F*D（其中F是沿運動方向的分量）。例如，要舉起重物，我們就必須克服重力做功，並將物體舉起來。如果要舉起兩倍質量的重物，並使其升高的距離一樣，此時就需要兩倍的功。正如數學計算那樣，機器的主要優點是它們允許我們通過在更大的距離上施加較小的力量來完成相同的工作量。

桿杠

「給我一個支點，我就能撬動地球。」這句誇張的名句來自阿基米德，他是公元三世紀的希臘哲學家、數學家和發明家。雖然這句話可能有些誇張，但是它形象地用能撬動地球的比喻來體現了槓桿的力量。

阿基米德的天才之處在於他認識到，使用槓桿可以在力量和距離之間做出權衡從而完成相同的功。根據紐約大學的Chris Rorres撰寫的虛擬電子書《21世紀的阿基米德》里所言，他的「槓桿原理」指出，「力與距離之間是反比關係」。

槓桿由一根長軸和一個支點或樞軸組成。槓桿的機械優勢取決於支點兩側軸的長度比例。

斜面

斜面其實就是一個平坦的表面，但這個表面與地平面之間存在著一定的角度，就像一個斜坡一樣。俄亥俄州立大學工程與技術學院機械工程系教授Bob Williams說道：「斜面是一種舉起重物的巧妙方法，藉助斜面我們可以舉起一些不能豎直舉起的重物。角度（傾斜平面與地面的角度）的大小決定了你需要用多少力來提升重物。」例如，如果我們要將100磅重的物體提升2英尺，如果我們使用4英尺長的斜面，我們所需的力將減少一半，只是移動的距離將翻倍；如果我們使用8英尺長的斜面，此時需要的力將減少到四分之一。

滑輪

舉起100磅的重物我們也可以使用滑輪，我們可以在橫樑上設計一個滑輪，用繩子穿過滑輪，並與重物綁在一起，此時我們改變的是力的方向，不改變力的大小——我們可以向下拉繩子而不是艱難的向上用力舉重物。如果我們使用兩個滑輪，一個安裝在橫樑上，一個與重物連接，也就是說，將繩子的一端穿過上面的滑輪與重物連接，再穿過一個滑輪，此時我們向上用力將變得比較輕鬆，只是原來的一半，而移動的距離將翻倍。我們再一次地做到了「省力費距離」。

如果我們想更加省力（這意味著更加「費距離」），我們可以使用滑輪組。滑輪組可以有效的減少提升重物所需的力，當然這是建立在犧牲距離的基礎上。

雖然滑輪很簡單，但是在最先進、最新的機器上仍能看到它的身影。例如，在某些能列印傢具般大小物品的3D印表機上，採用了一套由電線和電腦控制的滑輪系統，分別固定在牆壁、地板和天花板上。

螺旋

根據HyperPhysics在喬治亞州立大學網站的說法：「螺旋實際上是一個長的傾斜平面包裹在一個軸上，因此它的機械優勢是以斜面的方式進行嵌入。」 許多設備使用螺絲來施加力量，一般情況下，你想要施加於物體的力量，是遠大於你擰動螺絲的力量的，像汽車車輪上的台虎鉗和掛耳螺母，它們不僅獲得了螺絲本身的機械優勢，而且在很多情況下還得益於使用長柄的槓桿作用來轉動螺絲。

楔子

楔子是一種簡單機械工具，由兩個斜面組成，用來將物件分開。原理主要是將楔子向下的力量轉化成對物件水平的力量。短小而闊角度的楔子能較快分開物件，常見使用楔子的工具包括斧頭及釘子等。例如，我們想切割一根木頭，我們可以先放一個楔子在木頭上，然後用一把鎚子敲擊它，這時候力的方向會發生改變：縱向的力量變成橫向的力量，這樣木頭就比較容易斷開。另一個例子是一個門擋，用來將推動門邊緣下方的力量向下傳遞，此時就會有摩擦力產生，從而阻止門在地板上滑動。

原文鏈接：

https://www.livescience.com/49106-simple-machines.html

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