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作者：Cast

编辑：窗敲雨

机械动图又与大家见面啦~那些日常生活中习以为常的设施，你知道它们内部有着怎样的机械构造吗？一组动图，带你了解生活中的机械原理。

原理：卷尺是最能体现发条弹簧储能原理的工具，5米长的钢条标尺末端连接着发条弹簧前端，发条弹簧的末端则固定在卷尺的正中间。发条拉到最长和收到最短的差值会大于5米，这意味着每次标尺归零后，发条还有余力保证标尺收紧；当标尺拉伸达到5米时，也不会使弹簧超过形变极限而无法收回。

螺旋形的发条弹簧。

图片来源：123rf.com.cn正版图片库

1.鉴别硬币

原理：在投入自动售货机之后，机器可以通过检测硬币尺寸、金属成分来鉴别它们的面额和真假。以现行第五套人民币为例，不同的硬币在直径、厚度、材质上都是不同的：

首先，是通过光电传感器测量硬币直径尺寸，第一次鉴别硬币种类；之后硬币滚动经过金属探测传感器，由于不同材质金属反射电磁波的相位延迟也不同，这样就可以对硬币种类进行进一步鉴别。如果两次均无法鉴别，硬币就会进入退币槽，吐出机器，而鉴别成功的硬币在区分出不同的面额后分流滚入不同滑道进行存储。

2.食品掉落

原理：当售货机收到掉落某种食品的指令后，固定在不同食品栏后的单个伺服电机转动预先设定的圈数，正好使卡位弹簧前进一个食品位置的行程，食物在掉落的过程中会经过红外传感光束，这就完成了一次掉落。如果系统一直没有检测到食物经过红外传感光束，这就有可能是该位置的食品出现了漏放，那系统将会让伺服电机再次运行，直至食品掉落。

1.ATM机如何出钞？

原理：每台ATM机的保险柜内都配有两个钱箱，归拢的纸钞被2个锯齿状的橡胶辊通过摩擦力带出。为了防止纸钞粘连，纸钞还会经过一对前后放置的平滑橡胶辊进行分拣，之后进入一系列轴承和滚轮组成的传送带中。在经过传感器检测，确保没有纸钞粘连在一起之后，ATM机就会以每秒5张纸钞的速度出钞了。

2.室外的ATM机如何确保安全？

原理：ATM机内置一个重达200千克的保险柜，柜门内装有2厘米厚的可滑动实心钢板，钢板被大型螺栓固定在柜门上。当转动把手关闭柜门时，2厘米厚的实心钢板就横向滑动锁住保险柜。整个滑动钢板结构在保险柜关闭时被门后的一个顶门完全锁死，而顶门由密码锁控制。所以，打开保险柜的唯一途径就是拥有保险柜键盘密码锁的密码。

PS：猛砸ATM机是无法得到保险柜里的钱的，这样做大概只会弄坏屏幕，并且被拘留而已……

原理：现代的鱼竿可远不是一根杆栓上一根绳那么简单，要经受住百余斤大鱼的拉扯，这非常考验材料的韧性和强度。除此之外，作为另一个受力主体的渔线轮，在与大鱼“僵持—放线—回线”的过程中，也承载着滚动轴承的高速运转和直齿齿轮的精密啮合。

这种演示内部结构的方式被称为“机械爆炸图”，它直观地展现了机械的内部零件组成，以及它们之间的立体装配关系。在实际的机械制造中，它也被称作“机械装配图”，用于加工作业的流水线操作。

原理：这里展示的是一个利用一体成型技术加工的渔线轮框架。所谓“一体成型”加工，首先是将整个毛坯航空铝在车床上进行外部粗加工与内部切削镂空，之后粗加工成品再安装到数控机床的专用夹具上，最后通过预置的切削程序进行精细加工。得到的渔线轮框架成品如下图右侧所示，轻盈的同时保证了坚固（整体性能更好）与耐用（使用寿命更长）。

一体化切削成型加工前后对比图

值得一提的是，铝冲压一体成型技术最为人熟知的应用就是苹果笔记本的“Unibody”一体式机身，铝合金材质本身轻便且散热效率高，而选用一体式的制作工艺主要考虑是能让组装部件的数量和拼接处大大减少，还能让主机更加耐震。

不过，一体成型的切削工艺比较费材料，所以它也是企业不差钱的体现……

原理：当水箱里的排水阀被打开，水流会分散流经桶身周围呈特殊角度的十余个布水孔，最后形成一股大水流强力冲刷排泄物。马桶的下水管道有S形的弯曲，这里利用了虹吸原理。马桶内水面高过下水管道内水面，这就产生了虹吸现象，在重力作用下，水流和污物一同被吸走。而当虹吸现象停止后，S形管道的弯里还留存着一些清水，这有效阻隔了来自下水管道的恶臭。每次冲水时水封都会被更新，这也保证了抽水马桶的卫生。

值得一提的是，有一种被称为“毕达哥拉斯杯”或者“公道杯”的小东西和抽水马桶的虹吸原理几乎一模一样。这种杯子一旦被倒得太满，其中的液体就会流光：

公道杯原理示意图

在不同版本的“世界最伟大发明”中，总有抽水马桶的一席之地。中世纪整整一千余年，欧洲各国大多数人处理排泄物的方式都一直停留在“往窗外倒”的水平，卫生条件令人发指，而这更突显了抽水马桶的重要性。

1596年，英国女王伊利莎白一世的大臣约翰·哈林顿设计出第一个抽水马桶并献给女王。以现在的眼光来看，这个马桶还显得太简陋——它仅仅是通过阀门控制，可以即时冲水罢了。而它带来的问题也很明显：为了将排泄物直接冲走，就势必要将马桶和下水管道连接在一起。这就使得下水管道的臭气会回流到室内……于是，这世界上第一台的抽水马桶就被女王雪藏了。

直到近200年后的1775年，苏格兰的一个钟表匠亚力山大•卡明终于将关键的S形管道加到了马桶中。人们逐渐开始接受家用抽水马桶，不过，这距离现代的抽水马桶还差一次改革。

1775年，亚力山大•卡明给马桶装上了S形管道

不久之后，约瑟夫·布拉梅又对马桶进行了一次关键的技术改进。当时还是抽水马桶安装工的他频繁收到用户反馈，抱怨说排水阀一到严冬就会被冻住，于是，他就开始捣鼓改良马桶。他先是把原来的阀门改成铰链连接的止水皮碗（这类似于将左右滑门改成了前后拉门），开合机构利用杠杆原理，加个把手开关就好。布拉梅一鼓作气还设计了一个自动储水结构，这就是现代马桶最主要的机构——浮球回路系统（打开家里的马桶水箱盖，你就能看到它）。距离“S形管道”问世仅3年的1778年，布拉梅改进的抽水马桶申请到了专利，在这之后，马桶的普及只是时间问题了。

1778年，约瑟夫·布拉梅改良的抽水马桶

花絮：从改进了抽水马桶之后，布拉梅在发明和改良的道路上一发不可收拾，从此变身发明大王。他设计的锁还在英国上演了著名的营销活动“谁能开掉我的锁，我重金酬谢啊！”，结果这锁直到67年后才被人打开。

由于布拉梅想要不断改进锁的精度，他顺手钻研并优化了当时的加工机床。在这之后，他还改良了啤酒泵、刨床、造纸机、消防车以及马车……从1778年到1812年，布拉梅的设计共获得了18项专利，而这其中最重要的发明是在现代机械装备中已然不可或缺的液压机。

液压机的设计基于帕斯卡原理（F1/S1=F2/S2），在封闭的液压系统内，一个活塞上施加一定的压力，将在另一个活塞上产生相同的压力增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞面积的5倍，那么作用于第二个活塞上的力，将增大为原来的5倍，而两个活塞上的压强仍然相等。

液压机基本原理示意图，你还记得它吗？

图片来自：wikipedia

布拉梅设计的液压机可以算作原型机，当时封闭在液压缸内的介质还是——水。这之后油基介质以润滑和粘度方面的出色性能逐渐取代了水基，现在市面上常见的液压液一般都是抗燃液压油，且带有颜色，使得渗漏很容易被发现。经过这200余年的发展，如今大到挖掘机开山挖路，小到汽车后备箱开合，液压机械的应用处处可见。

液压机不仅处处可见，甚至还成了网红……在youtube上，致力于压坏一切的视频博主Hydraulic Press Channel吸引了不少眼球。本图中不幸遇难的是一个保龄球。

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