黃嘉宇

早在公元前，中國已在指南車上應(yīng)用復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)，在被中香爐中應(yīng)用了能永保水平位置的十字轉(zhuǎn)架等機(jī)件。古希臘已有圓柱齒輪、圓錐齒輪和蝸桿傳動的記載。但是，關(guān)于齒輪傳動瞬時速比與齒形的關(guān)系和齒形曲線的選擇，直到17世紀(jì)之后方有理論闡述。手搖把和踏板機(jī)構(gòu)是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的先驅(qū)，在各文明古國都有悠久歷史，但是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的形式、運動和動力的確切分析和綜合，則是近代機(jī)構(gòu)學(xué)的成就。機(jī)構(gòu)學(xué)作為一個專門學(xué)科遲至19世紀(jì)初才第一次列入高等工程學(xué)院（巴黎的工藝學(xué)院）的課程。通過理論研究，人們方能精確地分析各種機(jī)構(gòu)，包括復(fù)雜的空間連桿機(jī)構(gòu)的運動，并進(jìn)而能按需要綜合出新的機(jī)構(gòu)。 機(jī)械工程的工作對象是動態(tài)的機(jī)械。它的工作情況會發(fā)生很大的變化。這種變化有時是隨機(jī)的而不可預(yù)見；實際應(yīng)用的材料也不完全均勻，可能存有各種缺陷；加工精度有一定的偏差，等等。與以靜態(tài)結(jié)構(gòu)為工作對象的土木工程相比，機(jī)械工程中各種問題更難以用理論精確解決。因此，早期的機(jī)械工程只運用簡單的理論概念，結(jié)合實踐經(jīng)驗進(jìn)行工作。設(shè)計計算多依靠經(jīng)驗公式；為保證安全，都偏于保守。結(jié)果，制成的機(jī)械笨重而龐大，成本高，生產(chǎn)率低，能量消耗很大。

一、設(shè)計與計算

從18世紀(jì)起，設(shè)計計算從兩個方面不斷提高了精確度：①在材料強(qiáng)度方面，從早期按靜強(qiáng)度除以安全系數(shù)的粗糙計算，提高到考慮材料的疲勞（19世紀(jì)后半期）；從認(rèn)為材料原則上不能有裂紋，發(fā)展到以斷裂力學(xué)理論為依據(jù)，考慮裂紋材料的強(qiáng)度和壽命。②在機(jī)械結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析方面，從應(yīng)用經(jīng)驗公式和簡化的力學(xué)分析來確定各種受力和力矩，發(fā)展到應(yīng)用復(fù)雜的力學(xué)分析和數(shù)學(xué)計算方法。進(jìn)入20世紀(jì)，又出現(xiàn)各種實驗應(yīng)力分析方法。人們已能用實驗方法測出模型和實物上各部位的應(yīng)力，在發(fā)現(xiàn)應(yīng)力過高過低時，便可能作出必要的調(diào)整。20世紀(jì)后半葉，人們開始應(yīng)用有限元法和電子計算機(jī)的迅速可靠的數(shù)值計算，對復(fù)雜的機(jī)械及其零件、構(gòu)件進(jìn)行力、力矩、應(yīng)力、應(yīng)變等的分析和計算。對于掌握有充分的實踐或?qū)嶒炠Y料的機(jī)械或其元件，已經(jīng)可以運用統(tǒng)計技術(shù)，按照要求的可靠度科學(xué)地進(jìn)行機(jī)械設(shè)計，或者按機(jī)械的實際情況（實際的質(zhì)量、實際的使用條件等）科學(xué)地判斷其可靠度和壽命。。

編輯本段涉及范圍

機(jī)械工程是現(xiàn)代社會進(jìn)行生產(chǎn)和服務(wù)的五大要素（即人、資金、能量、材料和機(jī)械）之一，并且能量和材料的生產(chǎn)還必須有機(jī)械的參與。任何現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)和工程領(lǐng)域都需要應(yīng)用機(jī)械，例如農(nóng)業(yè)、林業(yè)、礦山等需要農(nóng)業(yè)機(jī)械、林業(yè)機(jī)械、礦山設(shè)備；冶金和化學(xué)工業(yè)需要冶金機(jī)械、化工機(jī)械；紡織和 紡織機(jī)械食品加工工業(yè)需要紡織機(jī)械、食品加工機(jī)械；房屋建筑和道路、橋梁、水利等工程需要工程機(jī)械；電力工業(yè)需要動力機(jī)械；交通運輸業(yè)需要各種車輛、船舶、飛機(jī)等；各種商品的計量、包裝、儲存、裝卸需要各種相應(yīng)的工作機(jī)械。就是人們的日常生活，也越來越多地應(yīng)用各種機(jī)械了，如破碎機(jī)、汽車、自行車、縫紉機(jī)、鐘表、照相機(jī)、洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)機(jī)、吸塵器，等等。機(jī)械工程是以有關(guān)的自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合在生產(chǎn)實踐中積累的技術(shù)經(jīng)驗，研究和解決在開發(fā)、設(shè)計、制造、安裝、運用和修理各種機(jī)械中的全部理論和實際問題的一門應(yīng)用學(xué)科。

各個工程領(lǐng)域的發(fā)展都要求機(jī)械工程有與之相適應(yīng)的發(fā)展，都需要機(jī)械工程提供所必需的機(jī)械。某些機(jī)械的發(fā)明和完善，又導(dǎo)致新的工程技術(shù)和新的產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展，例如大型動力機(jī)械的制造成功，促成了電力系統(tǒng)的建立；機(jī)車的發(fā)明導(dǎo)致了鐵路工程和鐵路事業(yè)的興起；內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、火箭發(fā)動機(jī)等的發(fā)明和進(jìn)步以及飛機(jī)和航天器的研制成功導(dǎo)致了航空、航天工程和航空、航天事業(yè)的興起。

二、學(xué)科分支

機(jī)械按功能可分為動力機(jī)械、粉碎機(jī)械、交通運輸機(jī)械和物料搬運機(jī)械等；按服務(wù)的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)機(jī)械、化工機(jī)械、礦山機(jī)械和紡織機(jī)械等；按工作原理可分為熱力機(jī)械、透平機(jī)械、仿生機(jī)械和流體機(jī)械等。相同的工作原理，相同的功能或服務(wù)于同一產(chǎn)業(yè)的機(jī)械有相同的問題和特點，因此機(jī)械工程就有幾種不同的分支學(xué)科體系。另外，全部機(jī)械在研究、開發(fā)、設(shè)計、制造、運用過程中，要經(jīng)過若干工作性質(zhì)不同的階段，依此，機(jī)械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個分支系統(tǒng)，如機(jī)械科研、機(jī)械設(shè)計、機(jī)械制造、機(jī)械運用和維修等。這些分支學(xué)科系統(tǒng)互相交叉、互相重疊，使機(jī)械工程可能分化成上百個分支學(xué)科。例如按功能分的動力機(jī)械，與按工作原理分的熱力機(jī)械、流體機(jī)械、透平機(jī)械、往復(fù)機(jī)械、蒸汽動力裝置、核動力裝置，內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，以及按行業(yè)分的中心電站設(shè)備、工業(yè)動力裝置、鐵路機(jī)車、船舶輪機(jī)工程、汽車工程等有復(fù)雜的交叉和重疊關(guān)系。船用汽輪機(jī)是動力機(jī)械，也是熱力機(jī)械、流體機(jī)械和透平機(jī)械，屬于船舶動力裝置、蒸汽動力裝置，也可能屬于核動力裝置。而驅(qū)動時鐘用的發(fā)條和重錘裝置也是動力機(jī)械，但不是熱力機(jī)械、流體機(jī)械、透平機(jī)械或往復(fù)機(jī)械。其他分支之間也有類似的重疊、交叉關(guān)系。分析這種復(fù)雜關(guān)系，研究機(jī)械工程最合理的分支系統(tǒng)，有一定的知識意義，但實用價值不大。

編輯本段中國機(jī)械工程

三、人類的生存環(huán)境

工程技術(shù)的發(fā)展在提高人類物質(zhì)文明和生活水平的同時，也對自然環(huán)境起了破壞作用。20世紀(jì)中期以來，暴露出來的嚴(yán)重問題有兩個方面：資源（其中最嚴(yán)重的是能源）的大量消耗和環(huán)境的嚴(yán)重污染。能源方面，在近期改進(jìn)核裂變動力裝置、發(fā)展太陽能、地?zé)?、潮汐能、海水溫差能等，可以減少對非再生的化石能源的依賴。從長遠(yuǎn)的觀點看，核聚變是很有希望的和幾乎無窮盡的未來能源。以核物理學(xué)的現(xiàn)在和將來的成就為基礎(chǔ)，機(jī)械工程與其他工程技術(shù)一起，在21世紀(jì)中完成核聚變動力裝置的開發(fā)和推廣可能徹底解決世界的能源問題。使用這種新能源可同時消除對大氣的二氧化碳污染。 地殼中和海水中的金屬礦藏的蘊藏量極為豐富。只要改進(jìn)采礦和選礦的工藝和提高采、選礦機(jī)械的性能，以降低可以經(jīng)濟(jì)利用的礦石品位，并充分回收金屬廢料，在有足夠的能量供應(yīng)的條件下，金屬材料資源不愁匱乏。在煤、石油、天然氣等不再被大量地用作燃料而主要作為合成材料的原料之后，非金屬材料的供應(yīng)也可得到長遠(yuǎn)的保證。 化學(xué)工程、冶金工程等生產(chǎn)流程中所產(chǎn)生的廢氣、廢水等環(huán)境污染源，通過改進(jìn)流程、增加凈化機(jī)械和設(shè)施并提高其凈化效率，在技術(shù)上是能夠加以消除的。 機(jī)械工程一向以增加生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，即以提高人類的近期利益為目標(biāo)來研制和發(fā)展新的機(jī)械產(chǎn)品。在未來的時代，新產(chǎn)品的研制將以降低資源消耗，發(fā)展?jié)崈舻脑偕茉?，治理、減輕以至消除環(huán)境污染作為超經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)任務(wù)。