達絲婷‧羅勃茲

第一章 介紹機械裝置與機械

　　機械系統有許多的外觀與類型，也有許多不同的定義。在我們開始製造機械之前，我們必須先了解自己所談論的是什麼：

‧機械裝置指的是各個可動部件的集合。

‧機械指的是任何有助於工作的設備，從鐵鎚到腳踏車都包括在內。鐵鎚被歸類為機械的原因是因為它延長了您手臂的施力臂，使您可以做更多的工作。

在這本書裡，我們對工作的機械定義如下：

工作＝力×距離

力（F）＝質量（m）×加速度（a），它通常被寫成F＝ma（也就是眾所皆知的牛頓第二運動定律）。

　　舉例而言，想像您為了製造紅酒而在一堆葡萄上跺來跺去。當您只是站在葡萄上的時候，葡萄所承受的力量恆等於您的重量；但是當您開始跺腳的時候，葡萄所承受的力量會是您的重量加上您腳上肌肉所製造出的加速度。但如果您是在引力只有地球六分之一的月球上跺腳的話，葡萄所承受的力量將會變小。質量指的是構成東西的量，而它是不會改變的。重力和加速度則取決於您的所在位置和您正在做的事。所以，質量是指一個物體本身，而重量則是指質量所施加的力。

六種簡易機械

機械的四個主要用途：

（1）轉換能量

風車將風的能量轉換成機械能，以用來碾碎穀物或是將電力供應到我們的家中。

（2）轉移能量

開罐器上的兩個齒將您手上的力量轉移到罐子的邊緣。

（3）加乘和/或改變力量的方向

要舉起重箱時，利用滑輪系統所施的力會比在毫無東西輔助的情況下來得少。

（4）加乘速度

腳踏車上的齒輪可讓騎腳踏車的人利用施力來加速，或是坐在車椅上輕鬆地踩著踏板，讓速度漸漸慢下來。

　　事實證明，世界上所有複雜的機械都是由六種典型的簡易機械結合而成的：槓桿、滑輪、輪軸、斜面、螺旋、齒輪。一旦您知道該尋找什麼，您就會發現這些東西在我們身旁顯而易見。

槓桿

您可以將槓桿視為一個單機械裝置的機械。它是一個機械裝置，因為它擁有我們所定義的活動部件；它也是一個機械，因為它可以幫助您工作。

槓桿是一個與樞軸點或是支點一起使用的堅硬物件，用來放大某樣物體的機械力。槓桿實際上分為三個類別，每種類別的槓桿是由三個排列方式不同的部分所組成：

‧支點

‧施力點（作用力或施力）

‧抗力點（外部阻力或抗力）

第一類槓桿

在第一類（簡單）槓桿的支點位置在施力點與抗力點的中央。此類槓桿的典型──翹翹板，也是大家聽到「槓桿」這個字眼時，最多人會聯想到的東西。

物體可以在翹翹板上用三種方式保持平衡：

兩件物體的重量相等，且正好與支點間隔相同的距離。

您可以用與另一邊重量相等的力量把翹翹板往下壓。相信在您小的時候，您的父母也對坐在翹翹板上的您做過同樣的事情。

翹翹板上的兩個物體的重量可以是不相等的，但此時比較輕的那邊就得遠離支點以保持平衡。如果您曾經與比您重的人一起玩翹翹板，那想必您曾經毫不猶豫地做過這件事：比較輕的您往後退到接近翹翹板的邊緣，而您比較重的朋友則朝支點的方向往前挪動。

為了將這些平衡規則應用到機械上，讓我們把文中的「物體」換成「力」。但在這之前，讓我們先認識一下Fido跟Fluffy。

Fido是一隻大狗，Fluffy是一隻小貓。因為牠們名字的開頭都有一個「F」，所以在此我把Fido簡稱作F1，而Fluffy簡稱作F2。Fido比較重，坐在與支點保持固定距離（d1）的位置上（左側）；同樣地，Fluffy（F2）坐在與支點保持著d2距離的右側。為了保持翹翹板的平衡，F1乘以d1必須等於F2乘以d2：

F1×d1＝F2×d2

您可以看到：如果等式中的F1＝F2而d1＝d2的話，翹翹板就會達到平衡。但如果Fido（F1）是一隻50磅（lb）重的狗而Fluffy（F2）是隻10磅重的貓的話，牠們就必須調整自己到支點間的距離以保持平衡。若我們假設Fido（F1）與支點間的距離為三英呎（d1＝3 ft）的話，那麼Fluffy必須與支點間隔多長的距離才能保持平衡呢？現在我們的等式如下：

50 lbs×3ft = 10 lbs×d2

為了平衡等式（還有翹翹板），d2必須為15ft。雖然Fido跟Fluffy為我們說明了要點，但F1跟F2的力可以代換成任何的東西，包括盒子、鳥、建築物……等，要換什麼東西您可以自己選擇。

所以，這隻輕盈的小貓只要往後挪動，便能與重量是牠5倍的狗兒保持平衡。您也會注意到：當Fdo跟Fluffy開始上下擺動翹翹板，或是在支點上打轉時，Fluffy會因為距離支點較遠而被往上舉到比較高的地方。我會把地面到Fluffy的最高點之間的距離稱為「行程」（travel）。

因此重量較輕的貓是可以把較重的狗往上升的，但牠所移動的的距離（行程）就必須拉得更長。這就是槓桿所帶給我們的機械優勢：一個小的力量可以藉由較長的「行程」來與「行程」較短的較大力量保持平衡。我們也可以說較輕的貓用了一個5:1的機械優勢——坐到離支點5倍遠的位置，以將較重的狗升起。在我們所舉的例子中，小貓Fluffy（F2）的「行程」距離為大狗Fido（F1）的五倍。

在每一天的日常生活中，您隨處可見正在使用的槓桿。當您用羊角槌的槌尖來將釘子從木板上拔起時，它的作用便是屬於第一類槓桿。您會是握住鐵槌手把的末端，輕輕施力來拔起釘子，因此槌尖拉起釘子的力量便是在槌頭到槌尖的那一小段距離上。而槌頭抵住桌面的部分恰巧創造出一個支點。

這裡還有一些槓桿的例子：

‧鐵撬屬於第一類槓桿，其作用方式如上述的羊角槌。

‧船上的槳在使用時也是應用到第一類槓桿原理。

‧如果您曾經用螺絲起子來撬開油漆桶的蓋子，那麼當時您正在使用第一類槓桿原理。

‧剪刀的左右兩邊就像兩個背對背的第一類槓桿。一般剪紙用的剪刀並沒有太多的機械優勢，但您可以想想有著長柄的園藝剪刀或是剪線鉗，它們的長柄讓剪斷東西的力量變得更大──這正是機械優勢的發揮之處。

您還想得到其他第一類槓桿嗎？

第一章 介紹機械裝置與機械

　　機械系統有許多的外觀與類型，也有許多不同的定義。在我們開始製造機械之前，我們必須先了解自己所談論的是什麼：

‧機械裝置指的是各個可動部件的集合。

‧機械指的是任何有助於工作的設備，從鐵鎚到腳踏車都包括在內。鐵鎚被歸類為機械的原因是因為它延長了您手臂的施力臂，使您可以做更多的工作。

在這本書裡，我們對工作的機械定義如下：

工作＝力×距離

力（F）＝質量（m）×加速度（a），它通常被寫成F＝ma（也就是眾所皆知的牛頓第二運動定律）。

　　舉例而言，想像您為了製造紅酒而在一堆葡...

這本書是什麼？

在我與MakerBot桌上型3D立體成型機（CupCake CNC）的製作者之一──布雷‧佩蒂絲（Bre Pettis）的一次對話當中，我問他：「製作者裡面有任何人是受過訓練的機械工程師嗎？」他回應道：「沒有人是。如果我們是的話，那這個東西永遠不可能被作出來。」MakerBot桌上型3D立體成型機（CupCake CNC）是一臺迷你的3D成型機，藉由電腦模型創造出真實的3D物件，而該物件的大小約等於一個杯子蛋糕，由融化的塑膠製成。MakerBot團隊的成員能夠用現有的材料與手邊的工具就打造出這臺機器來。一個受過訓練的工程師會知道這個專案有多難以完成，並且可能不會企圖在沒有正確資源及資金的情況下去完成它。但MakerBot團隊的成員並沒有相關的經驗來讓他們知道自己會處在什麼樣的情況下，他們只是堅持自己心裡的目標並且設法完成它。這本書是寫給任何想要打造出會動的裝置，但只有接受過一點或是沒有接受過任何正式工程訓練的人。事實上，就像布雷所說的，沒有接受過工程訓練這件事說不定還幫了你一把。

在本書中，您會透過非技術性的說明、範例以及DIY專題，學到要如何成功地製作出會運動的機械。或許您是一個想讓自己的作品「活過來」的雕刻家、一個想要探索力學領域的電腦科學家，或是一個想要為產品添加一些符合產品型態功能的產品設計師；或許您在過去曾製作過專題，但它們很容易就解體了；又或許您從來沒有讓東西動起來過，但想要學習如何去做。我在紐約大學（NYU’s）互動電子媒體課程（ITP）中所教過的來自藝術學院的學生皆屬於此類，他們給了我寫作這本書的靈感。

這門課叫做 「移動的機械裝置與物體」，是被設計用來填補課程中學生已經學過要如何做的東西（基礎電子、互動設計、物聯網）和他們想要製作的東西（會自己爬樓梯的嬰兒車、木製機械玩具，以及可以供給電視電源的固定式自行車）間的空白。課程目標是為他們看似不可能的專題概念注入一些基本工程技術與訣竅，最後打造出驚人地接近原始概念的成品。您可以在http://itp.nyu.edu./mechanisms網站上看到這些專題以及更多關於課程的資訊。

我在第一年任教這門課的時候便了解到：我過去從工程設計作業中獲得的經驗也可以適用於完全非工程師的不同群眾身上。一個學生曾告訴我：「妳的課讓我擁有了一個新的世界。」另一個學生則告訴我：「設計並製作出這些東西讓我獲得難以置信的滿足感。」本書的宗旨便是要帶給所有想要學習機械裝置但不知從何著手的人們這種程度的滿足感。

這裡還有一個小目標：為機構不夠力以致於無法完成任務的電機專題建立適合的電路。你可以藉由在機械與材料方面的基礎知識，來避免您的專題陷入所費不貲的過度設計。為了解決這些問題，本書中會涵蓋一系列的主題，從如何安裝耦合器到將馬達轉軸在旋轉運動和線性運動之間進行轉換。在各章節中會有照片、圖解、剖面圖、零件的3D模型圖像以及被包含在各專題中的系統來作為您的指引。所有的插圖都是由專業插畫家（以及非工程師份子）來完成，以減少聽起來很困難的概念和照片，好消除令人不安的因素。關於概念的最後解釋則以幽默的筆調進行，以引起讀者的注意力，並使人能倍感親切。

我強烈建議盡可能使用現成的零件，而大部分的專題也都會使用易取得的金屬、塑膠、木材以及厚紙板，最後搭配容易達成的製造技術。整本書中收錄了許多簡單的專題，鼓勵您去取得在該章節中會用到的材料。而在本書的最後，您會看到一些更複雜的專題，而這些專題中使用到的材料都是能與前面的數個章節中所使用到的材料相結合的。

我保證您會得到對於機械裝置的概括知識，並透過避免掉設計失誤所導致的失敗來省下許多時間、金錢以及挫折感。每個人都可以成為機械裝置的製造者──就算從未踏進機械商店裡半步也行。

這本書是什麼？

在我與MakerBot桌上型3D立體成型機（CupCake CNC）的製作者之一──布雷‧佩蒂絲（Bre Pettis）的一次對話當中，我問他：「製作者裡面有任何人是受過訓練的機械工程師嗎？」他回應道：「沒有人是。如果我們是的話，那這個東西永遠不可能被作出來。」MakerBot桌上型3D立體成型機（CupCake CNC）是一臺迷你的3D成型機，藉由電腦模型創造出真實的3D物件，而該物件的大小約等於一個杯子蛋糕，由融化的塑膠製成。MakerBot團隊的成員能夠用現有的材料與手邊的工具就打造出這臺機器來。一個受過訓練的工程師會知道這個專案有多難以...

第一章　介紹機械裝置與機械
第二章　材料：如何選擇並找到它們
第三章　旋緊或膠合：扣緊及接上零件
第四章　力，摩擦力與扭矩（天哪！）
第五章　機械能和電能、功及能量
第六章　一、二、三！摩托人！：產生和控制動作的選擇
第七章 內部：軸承、耦合器、齒輪、螺絲和彈簧
第八章 工作與娛樂相結合的簡單機械
第九章　製作東西與把東西製作好
第十章 專題大全
附錄：麵包板電源與Arduino入門

第一章　介紹機械裝置與機械
第二章　材料：如何選擇並找到它們
第三章　旋緊或膠合：扣緊及接上零件
第四章　力，摩擦力與扭矩（天哪！）
第五章　機械能和電能、功及能量
第六章　一、二、三！摩托人！：產生和控制動作的選擇
第七章 內部：軸承、耦合器、齒輪、螺絲和彈簧
第八章 工作與娛樂相結合的簡單機械
第九章　製作東西與把東西製作好
第十章 專題大全
附錄：麵包板電源與Arduino入門