卷尺、ATM、抽水馬桶都怎麼工作?一組 gif 解你多年疑惑!

抽水馬桶

那些日常生活中習以為常的設施,你知道它們內部有著怎樣的機械構造嗎?一組動圖,帶你了解生活中的機械原理。

收放卷尺

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原理:卷尺是最能體現發條彈簧儲能原理的工具,5 米長的鋼條標尺末端連接著發條彈簧前端,發條彈簧的末端則固定在卷尺的正中間。發條拉到最長和收到最短的差值會大於 5 米,這意味著每次標尺歸零後,發條還有餘力保證標尺收緊;當標尺拉伸達到 5 米時,也不會使彈簧超過形變極限而無法收回。

自動販賣機

鑒別硬幣

原理:在投入自動售貨機之後,機器可以通過檢測硬幣尺寸、金屬成分來鑒別它們的面額和真假。以現行第五套人民幣為例,不同的硬幣在直徑、厚度、材質上都是不同的:

首先,是通過光電傳感器測量硬幣直徑尺寸,第一次鑒別硬幣種類;之後硬幣滾動經過金屬探測傳感器,由於不同材質金屬反射電磁波的相位延遲也不同,這樣就可以對硬幣種類進行進一步鑒別。如果兩次均無法鑒別,硬幣就會進入退幣槽,吐出機器,而鑒別成功的硬幣在區分出不同的面額後分流滾入不同滑道進行存儲。

食品掉落

原理:當售貨機收到掉落某種食品的指令後,固定在不同食品欄後的單個伺服電機轉動預先設定的圈數,正好使卡位彈簧前進一個食品位置的行程,食物在掉落的過程中會經過紅外傳感光束,這就完成了一次掉落。如果系統一直沒有檢測到食物經過紅外傳感光束,這就有可能是該位置的食品出現了漏放,那系統將會讓伺服電機再次執行,直至食品掉落。

AMT 機

ATM 機如何出鈔?

原理:每臺 ATM 機的保險櫃內都配有兩個錢箱,歸攏的紙鈔被 2 個鋸齒狀的橡膠輥通過摩擦力帶出。為了防止紙鈔粘連,紙鈔還會經過一對前後放置的平滑橡膠輥進行分揀,之後進入一系列軸承和滾輪組成的傳送帶中。在經過傳感器檢測,確保沒有紙鈔粘連在一起之後,ATM 機就會以每秒 5 張紙鈔的速度出鈔了。

室外的 ATM 機如何確保安全?

原理:ATM 機內置一個重達 200 千克的保險櫃,櫃門內裝有 2 厘米厚的可滑動實心鋼板,鋼板被大型螺栓固定在櫃門上。當轉動把手關閉櫃門時,2 厘米厚的實心鋼板就橫向滑動鎖住保險櫃。整個滑動鋼板結構在保險櫃關閉時被門後的一個頂門完全鎖死,而頂門由密碼鎖控制。所以,打開保險櫃的唯一途徑就是擁有保險櫃鍵盤密碼鎖的密碼。

PS:猛砸 ATM 機是無法得到保險櫃裡的錢的,這樣做大概只會弄壞屏幕,並且被拘留而已……

漁線輪

原理:現代的魚竿可遠不是一根桿栓上一根繩那麼簡單,要經受住百餘斤大魚的拉扯,這非常考驗材料的韌性和強度。除此之外,作為另一個受力主體的漁線輪,在與大魚 「僵持 — 放線 — 回線」 的過程中,也承載著滾動軸承的高速運轉和直齒齒輪的精密嚙合。

這種演示內部結構的方式被稱為 「機械爆炸圖」,它直觀地展現了機械的內部零件組成,以及它們之間的立體裝配關系。在實際的機械制造中,它也被稱作 「機械裝配圖」,用於加工作業的流水線操作。

一體成型加工

原理:這裡展示的是一個利用一體成型技術加工的漁線輪框架。所謂 「一體成型」 加工,首先是將整個毛坯航空鋁在車牀上進行外部粗加工與內部切削鏤空,之後粗加工成品再安裝到數控機牀的專用夾具上,最後通過預置的切削程序進行精細加工。得到的漁線輪框架成品如下圖右側所示,輕盈的同時保證了堅固(整體性能更好)與耐用(使用壽命更長)。

一體化切削成型加工前後對比圖

值得一提的是,鋁沖壓一體成型技術最為人熟知的應用就是蘋果筆記本的 「Unibody」 一體式機身,鋁合金材質本身輕便且散熱效率高,而選用一體式的制作工藝主要考慮是能讓組裝部件的數量和拼接處大大減少,還能讓主機更加耐震。

不過,一體成型的切削工藝比較費材料,所以它也是企業不差錢的體現……

抽水馬桶

原理:當水箱裡的排水閥被打開,水流會分散流經桶身周圍呈特殊角度的十餘個布水孔,最後形成一股大水流強力沖刷排洩物。馬桶的下水管道有 S 形的彎曲,這裡利用了虹吸原理。馬桶內水面高過下水管道內水面,這就產生了虹吸現象,在重力作用下,水流和污物一同被吸走。而當虹吸現象停止後,S 形管道的彎裡還留存著一些清水,這有效阻隔了來自下水管道的惡臭。每次沖水時水封都會被更新,這也保證了抽水馬桶的衞生。

值得一提的是,有一種被稱為 「畢達哥拉斯杯」 或者 「公道杯」 的小東西和抽水馬桶的虹吸原理幾乎一糢一樣。這種杯子一旦被倒得太滿,其中的液體就會流光:

公道杯原理示意圖

在不同版本的 「世界最偉大發明」 中,總有抽水馬桶的一席之地。中世紀整整一千餘年,歐洲各國大多數人處理排洩物的方式都一直停留在 「往窗外倒」 的水平,衞生條件令人發指,而這更突顯了抽水馬桶的重要性。

1596 年,英國女王伊利莎白一世的大臣約翰・哈林頓設計出第一個抽水馬桶並獻給女王。以現在的眼光來看,這個馬桶還顯得太簡陋 —— 它僅僅是通過閥門控制,可以即時沖水罷了。而它帶來的問題也很明顯:為了將排洩物直接沖走,就勢必要將馬桶和下水管道連接在一起。這就使得下水管道的臭氣會回流到室內…… 於是,這世界上第一臺的抽水馬桶就被女王雪藏了。

直到近 200 年後的 1775 年,蘇格蘭的一個鐘表匠亞力山大・卡明終於將關鍵的 S 形管道加到了馬桶中。人們逐漸開始接受家用抽水馬桶,不過,這距離現代的抽水馬桶還差一次改革。

1775 年,亞力山大・卡明給馬桶裝上了 S 形管道

不久之後,約瑟夫・布拉梅又對馬桶進行了一次關鍵的技術改進。當時還是抽水馬桶安裝工的他頻繁收到用戶反饋,抱怨說排水閥一到嚴冬就會被凍住,於是,他就開始搗鼓改良馬桶。他先是把原來的閥門改成鉸鏈連接的止水皮碗(這類似於將左右滑門改成了前後拉門),開合機構利用槓桿原理,加個把手開關就好。布拉梅一鼓作氣還設計了一個自動儲水結構,這就是現代馬桶最主要的機構 —— 浮球回路系統(打開家裡的馬桶水箱蓋,你就能看到它)。距離 「S 形管道」 問世僅 3 年的 1778 年,布拉梅改進的抽水馬桶申請到了專利,在這之後,馬桶的普及只是時間問題了。

1778 年,約瑟夫・布拉梅改良的抽水馬桶

花絮

自從改進了抽水馬桶之後,布拉梅在發明和改良的道路上一發不可收拾,從此變身發明大王。他設計的鎖還在英國上演了著名的營銷活動 「誰能開掉我的鎖,我重金酬謝啊!」,結果這鎖直到 67 年後才被人打開。

由於布拉梅想要不斷改進鎖的精度,他順手鑽研並優化了當時的加工機牀。在這之後,他還改良了啤酒泵、刨牀、造紙機、消防車以及馬車…… 從 1778 年到 1812 年,布拉梅的設計共獲得了 18 項專利,而這其中最重要的發明是在現代機械裝備中已然不可或缺的液壓機

液壓機的設計基於帕斯卡原理(F1/S1=F2/S2),在封閉的液壓系統內,一個活塞上施加一定的壓力,將在另一個活塞上產生相同的壓力增量。如果第二個活塞的面積是第一個活塞面積的 5 倍,那麼作用於第二個活塞上的力,將增大為原來的 5 倍,而兩個活塞上的壓強仍然相等。

液壓機基本原理示意圖,你還記得它嗎?| wikipedia

布拉梅設計的液壓機可以算作原型機,當時封閉在液壓缸內的介質還是 —— 水。這之後油基介質以潤滑和粘度方面的出色性能逐漸取代了水基,現在市面上常見的液壓液一般都是抗燃液壓油,且帶有顏色,使得滲漏很容易被發現。經過這 200 餘年的發展,如今大到挖掘機開山挖路,小到汽車後備箱開合,液壓機械的應用處處可見。

液壓機不僅處處可見,甚至還成了網紅…… 在 youtube 上,致力於壓壞一切的視頻博主 Hydraulic Press Channel 吸引了不少眼球。本圖中不幸遇難的是一個保齡球。

作者:Cast

來源:果殼 微信號:Guokr42

 

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