力能组合与机械技术应用

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力能组合与机械技术应用
陈叔瑄

    地面机械运动和力的作用早就为人们所注意，但真正科学化研究，可以说从伽利略１５９０年写的《论重心》和后来《论重力》开始，他对亚里斯多德的落体观念提出质疑，并在比萨斜塔当众作自由落体实验来证实。１６８３年伽利略在《两门科学的对话》提出惯性的观念。刻卜勒在哥白尼日心说和弟谷大量观测资料基础上引出行星运动三定律，为牛顿创立引力定律打下基础。１６８７年牛顿出版《自然哲学的数学原理》著作，他论述了科学研究方法，木星、木卫、月亮、慧星等天体的运动，海水的涨潮，振动和声波等现象，提出力学三定律和万有引力定律。创立了机械力学。
    牛顿力学之所以局限于机械运动和作用，由于十八、九世纪的电磁学、光学、热力学、原子物理、核物理、化学等学科出现，完全不同于机械运动和作用原理，不是牛顿力学所能推出的。二十世纪前夕又发现了Ｘ射线、放射性元素等和后来一系列科学技术发现，理论上出现相对论和量子力学，其基本观念完全独立于甚至违背牛顿力学观念，面临着科学技术思想的变革。《物性论》就是在这个背景下产生新科学理论的一种尝试。这个理论从物质连续、可入性和运动矛盾转化以及质能原理、趋匀原理、等价原理出发，引出一系列推理和本质解释。引出实物是低速物质浓缩形态，而场（或场物质）是高速物质弥散形态的基本观念。
    一、作用力应用
    物质运动总是自动地趋向均匀、平衡、对称过程，趋势矛盾中转化或变换能量形式，如平动趋匀矛盾则转化为涡旋运动。涡旋运动必浓缩质量，是构成天体、粒子、量子的基础。但涡旋中心不可能无限浓缩质量，中心必定平动。因此天体、粒子、量子必定存在自旋和平动运动。涡旋趋于平衡则转化为周期变换和交换运动，并在交换中微旋化而构成更深层粒子或量子。涡旋趋匀则浓缩质量，使有质量的物体靠拢。涡旋体质量浓缩基础上因交换作用而微旋化，微旋化所形成的粒子及其周围场质是在原有基础上浓缩的，因此密度更高。在此基础上再微旋化的更深层粒子及其周围场质密度更高，趋势更强。因此内层次愈多密度愈高，原子比分子或实物密度高，原子核又比原子密度更高等。
    物质基本运动状态是平动、自旋、周期性变换运动和相互作用的本质是运动趋势、交换、递传。物质在空间平动（弥散状态）和自旋（浓缩状态）处处存在，几乎所有天体和粒子都在公转移动和作自旋运动，相应处于浓缩物质或集中能量状态本身就是证明。量子只存在直线平动和周期性变换运动外，几乎所有微观粒子都存在平动、自旋和周期性变换运动，也是对上述三种基本运动的证实。天体或宏观物体是由大量各种运动粒子组成的，粒子周期性变换或交换叠加结果，根本体现不了周期性变换和交换，这决不意味着不存在周期性变换运动和交换作用。物体内原子或分子间交换方式不同则处于不同的物态，通过适当技术可将固、液态变换转化为释放能量方式的气体状态，以推动机械运动而作功。
    １、趋势作用及重力应用
    粒子周围场物质密度愈大通常趋势作用愈强，如核粒子间强作用比原子间电磁作用要强得多。这是相对静止而言的，因为运动速度愈大，密度愈小，高速场物质比实物密度低得多，达到极限速度平动物质的密度最低，如引力场物质。天体或粒子周围向心连续高速物质称为场物质，它作高速平动运动。在天体或粒子浓缩趋势中可分解为径向分量和圆切向分量，愈近涡旋体切向分量愈大和径向分量愈小，从而愈近天体引力场质密度愈大。天体或粒子相邻时，相邻一侧反向的叠加，速度变小而具有浓缩趋势，其外侧同向叠加，速度变大而具有弥散趋势，场质具有外侧趋向邻侧作用。这种作用是“引力”存在根源，天体间的“引力”称为万有引力。外部场质是两者叠加。愈近地面切向分量愈大，而径向分量近常量，故
Ｆ＝ｍｇ
它是地面重力或重量存在的基础。
    重力或重量是物体落向地面的基本作用力。重力作用最经常体现在自由落体现象，稍有重量静止物体总是落向地面或低洼处，位能变换为动能。利用水流落差重力作用，把位能变换或转化成动能，来推动涡轮机旋转，以带动机械或水电站电机转动。又如打桩机就是将重物拉高，然后让其落下，前者将能量变换转化为位能，后者由重力作用变换转化为动能，并冲击桩，使桩插入土地，以加固地基。可见、重力是位能变换动能，即标能变换为矢能的作用。地球因涡旋运动愈近中心质量密度愈大，愈往表面质量密度愈小。从而地面物体密度愈大愈处在底层，密度愈小愈易浮在上层。物体密度若比液体密度低就会上浮，静止时，可看成向上浮力与重力平衡的结果，实际上是交换平衡趋势的结果。大气在重力作用下愈近地面愈大，相应地大气密度也愈大。
一个物体浸在液体中，重量减少部分就是物体排开液体重量，即物体体积乘以液体密度为质量，乘以重力加速度为这部分重量。值得讨论一个问题是李泰来提出浸入水的物体比重（跟密度有关）小于水，水对物体才具有压力，实际上是构成此压力（或浮力）是水对物体压力大于物体重量的合力差。物体比重比水大是物体对水压力，实际上是物体重量大于水对物体压力的合力差作用，使其下沉。由于水愈深压强愈大，一定深度此物体重量与水对物体压力相等时，水对物体压力与物体重力差等零而处于平衡状态。因此李泰来所提出压力实际上是牛顿力学的合力差概念。大气或水对物体的压强化作压力时，跟物体形状密切相关，尤其对运动的一定形状物体产生重大的影响，这种浮力技术常应用于船体和飞机外型设计。
    ２、机械摩擦作用应用
重力作用实质是能量集中作用和摩擦作用是能量弥散的作用，两者均起地面物体阻碍破坏平衡状态或促使平衡趋势的基本作用，可以说这两种作用是地面无处不在的作用，只要相对静止平衡状态受到破坏或改变都需要外力作用。重力作用可以使位能变换转化为动能或矢能，摩擦作用可以使动能变换转化为内能、热量和其它能量（如生电）等的标能，矢能变换为标能的作用。摩擦作用在某些场合是必需的，否则无法运动，如汽车轮子与地面无摩擦，则汽车无法前进。同样地轮船螺旋桨与水没有摩擦，轮船无法前进。但这些摩擦又使汽车、轮船动力一旦停止供应能量，其运动随之停止。     
地面物体移动和保持运动，必需源源不断提供矢能，以克服摩擦作用变换转化为标能所消耗的动能，因此火车、汽车、轮船行走都需要源源不断提供能量。这些能量由蒸汽机、内燃机、电机和其它能量形式变换转化动能提供的。这就是地面物体运动需要动力，是动力设备发展的基本原因。可见，地面物体的机械运动或作用力无不是能量变换、交换、递换的过程或能量转化过程。机械与能量变换动力灵巧组合可以产生各种各样交通工具和机械设备产品技术。要使汽车、火车加快停止或控制速度则需要利用摩擦及其刹车备，不同材料及其表面结构就有不同的摩擦。
    ３、实物体弹性作用解释应用
    天体或地球内各部分或物体间处于交换平衡，通常处于相对静止状态，固体处于相对静止，液体总是流向低洼处后而处于相对静止状态，气体在重力作用下也处于相对静止状态或动态平衡状态。这些相对静止物体又跟着天体或地球一起自旋和平动，以太阳作为参考系观察地面上物体实际上是复杂的曲线运动，那来的匀速直线运动？相对地面静止的物体任何移动都要破坏平衡状态，即需要用力，如推、拉、举、压、碰撞等弹性接触作用。这些作用实际上是能量递换，如推物体运动所用的力是被推物体接受动能而运动的，但由于反作用，又把另一能量递换给施力物体，构成能量交换的。这类低速的外力作用关系，完全可以用牛顿力学来描述。
    地面物体运动必影响相邻物体运动状态而相互作用，即一物体对另一物体的碰撞和推、拉、压、举等的接触作用，它们之间也是能量交换、递换过程。皮球落地由于其橡皮分子壳粒交换伸缩性，使其接触地面时，地面对皮球压力而橡皮分子壳粒交换间距缩小变形，橡皮分子又很快恢复，使皮球反弹开来，即把皮球内部位能变换为外部位能。橡皮弹性愈好，愈能变换为外部位能。可见物体材料不同，弹性接触作用能量变换方式和结果不同。接触作用通常是将某些能量变换、交换、递换为动能，以引起物体移动，即从相对静止到运动并保持持续运动过程。表现在动能改变量或合力作用。弹性作用实质是原来内部粒子间已处于交换平衡状态，因外力拉开或压缩而变形，外力方向上交换出现不平衡，外力解除后有恢复交换平衡趋势而在该方向上恢复形状趋势，即能量的变换。
物体外加作用抵消摩擦力后的合力可使物体作加速度运动，当合力等零，即所提供的动能改变量抵消摩擦变换内能或热量时，物体作匀速直线运动。但地面摩擦无处不在，只要外加作用解除，一段时间后便停止下来而保持静止状态。这是针对宏观机械运动外力作用而言的，它可以解释包括平动、转动、振动等各种机械运动。宏观物体内各粒子间处于交换平衡状态，外加力矩便可机械转动，它没有往里挤的现象，因为若往里挤，立刻破坏物体内分子间原有平衡状态。同样地相对交换平衡液体，外力矩迫使它旋转，液体维持原状态而散开来。可见，低速宏观物体转动、振动运动不能代替物质的涡旋和周期性变换、交换运动，因为宏观物体内部粒子之间已处于交换平衡状态。任何外力作用都只能破坏其内外平衡状态。     
二、机械作用应用原理
    地面实物相对静止状态和机械基本运动主要形式是平动、转动、振动等，实际上是大量分子周期性运动叠加的结果。地面物体通常处于相对静止，即作用力的平衡状态，要移动就需要外加机械作用力，称为处于交换平衡机械惯性运动模型应用技术原理。力的本是能量趋势、变换、交换、递换传输，通常可分为主动力（如重力）和被动力（如摩擦力、弹性力等机械作用），而牛顿作用力或机械作用是狭义力或狭义能量递传方式，称为作用力条件控制技术原理。各种各样机械零件有机地巧妙地组合成机械部件或机器，通过各种连杆、齿轮、滑轮等零件间传递变换能量，即作用与反作用来达到机械运动方式组合或能量的组合，称为机械器件运动性能组合技术原理。
    １、实物静止与机械基本运动模型应用技术原理
    物质涡旋运动是物质成形和引力根源，涡旋中心速度愈低，愈有向无穷大浓缩趋势，对应质量（和体积）愈大，相应引力也愈强，即引力强度与涡旋体质量成正比。涡旋角速度减少实际跟涡旋内层次交换而引起的微旋化增多有关，使物质密度增大，因此物质涡旋运动是能量集中的过程。由于物质存在极限运动状态，即存在极限速度及其密度极浠薄的连续场物质状态，因此实体涡旋边缘速度不可能超过一定范围，速度和角速度愈小，其范围愈大且形状愈扁。如天体愈大相应愈扁，如包括银河系的大量涡旋状星系、星团。涡旋中心速度和角速度愈小，即愈近绝对速度为零，银河系中心比太阳系中心，更比地球中心速度更近绝对零。愈近绝对速度零的涡旋体内部大大小小微涡旋或微涡旋层次愈多，高速微涡旋则成量子辐射出去，构成稳定时能量浓缩与弥散的平衡。
    实际上物质基本运动方式主要是平动、转动、周期变换运动和交换、递换、递传作用，大量周期性变换运动和交换作用平衡的结果就成为宏观物体的惯性运动状态，即静止和匀速直线运动状态。天体内物体之间处于相对静止平衡状态，它是大量内部分子周期性变换或交换叠加的结果，也是外力平衡的结果。要使其相对运动必需外加作用力，产生如平动、转动、振动运动，物体或机械内粒子周期性变换运动和交换作用以一定方式叠加的，并有保持该运动性能，直到受摩擦作用而迫使其逐渐相对静止，相对平衡为止。这个惯性较牛顿力学广些，即具有广义惯性含义。称为物体或机械相对静止及其基本运动模型应用技术原理。
    稳定的天体或地球内各部分或物体内外通常处于交换平衡状态，内部交换平衡而处于恒温（包括微旋粒子不规则平动、转动、振动等）热平衡运动和粒子间场质交换平衡状态。对于已经交换平衡的整体中各部分之间，实际上是处于相对静止状态，即引力与部分间接触作用平衡或能量交换平衡状态。外部交换平衡而处于相对静止或处于引力浓缩趋势与电磁量子辐射平衡状态。静止和匀速直线的惯性运动是地面物体处于平衡状态的特例，可称狭义惯性，如物体相对地面静止是其各向交换作用平衡结果。匀速直线运动可以看成物体内各粒子平动和周期变换运动的叠加结果，并处于外部各向交换作用平衡状态，包括重力与相反接触（弹性）力平衡。惯性是继续保持原运动的特性，牛顿力学或机械力学的惯性是宏观多粒子系统物体的惯性，是狭义惯性。
    没加入周期性变换运动的平动运动或自旋运动，仍然保持原有运动属性，即作用力是动能改变量对作用位移比值极限来量度，并推出动量改变量对作用时间间隔比值极限为作用力，它是矢量。因此非周期性运动改变不管来自趋势（主动力）引起的，还是外加作用（被动力）引起的，都会引起能量或动能改变，即能量变换、交换等。物体受外力作用时，整个物体与施力物体交换能量，被迫从外部改变动能。也是属于非周期性能量变换、交换、递换的作用中引起动能改变，其参量不仅量值改变，而且方向也改变，因此单用动能改变量不足以描述作用性质。宏观物体作用力的量度与非周期性变换、交换、递换中的动能对时间或位移或角移微分等参量密切相关的，动能对时间的微分定义为功率，动能对位移微分定义为作用力，动能对角移微分定义为力矩。
    机械的动力以热膨胀产生动力为主的能量变换或转化结果，才能迫使地面相对静止和交换平衡状态的机械改变为相对运动状态，以抵消几乎无处不在的摩擦作用（只有远离地球、天体等实物体在宇宙空间才处于几乎无摩擦作用持续运动），只要处于力平衡的机械静止或匀速直线运动仍能保持状态的谓之狭义惯性，其量度称为惯性质量。平动能表达式为
Ｅυ＝（１／２）ｍυ２
以转动而言，质量为ｍ质点绕轴距离为ｒ的转动惯量Ｊ＝ｍｒ２。穿过球心转轴的均匀分布质量的球转动惯量Ｊ＝（３／５）ｍｒ２穿过圆环的中心上转动惯量Ｊ＝ｍ（（３／４）ｒ２＋Ｒ２）。穿过重心圆柱转轴转动惯量Ｊ＝（１／２）ｍｒ２。一句话所有穿过重心转轴的球、圆柱、饼形、环形等形状的转动惯量都与其总质量成正比和半径平方成正比，即Ｊ＝ｋ”ｍｒ２。比例系数决定于形状和质量分布情况，包括椭球、圆锥、圆台等都是如此。自旋的涡旋体的中心质量分布较集中，通常是由里往外质量密度逐渐减少的分布，其转动惯量是上式，只是ｋ”的比例系数存在差别而已。
　　自旋体转动动能可由下式定义得之
Ｅω＝（１／２）Ｊω２
其中ω为角速度，是转过角度θ的时间微商。转动能对角移的微商是力矩Ｍ的量度
Ｍ＝ｄＥω／ｄθ＝ｄ（１／２）Ｊω２／ｄθ＝ｄＪω／ｄｔ
其中Ｊ转动惯量为恒量时所推导公式，同样适用固体机械转动时各点之间相对距离的质量分布不变，即刚体情况下成立的。转过角位移元ｄθ相同情况下转动能改变愈大则力矩愈大。Ｊω称为角动量，也可说角动量改变率愈大力矩愈大。力矩Ｍ是迫使转动状态，转动能或角动量改变的外部作用力。
    机械运动中常把固体看成质点、刚体，这样理想化后可抓住较本质的机械运动的动力等各种关系。但有些固体在外力作用下产生形变，作用力解除后又恢复原状或作机械振动，如弹簧机械振动、摆的周期运动等。在上端固定的轻弹簧的下端悬一重物，将物体略为移动后，物体就在弹簧力的作用下作上下来回运动。这种振动系统称为弹簧振子。设物体在平衡位置时，弹簧上物体的合力为零并使弹簧处于原来长度。为了简单起见把弹簧振子穿在光滑的水平玻璃棒上作在平衡位置的左右运动，其能量
Ｅｘ＝∫Ｆｄｘ＝∫－ｋ’ｘｄｘ＝－（１／２）ｋ’ｘ２
在弹簧上力解除后具有位能为Ｅｘ。
    若振动中摩擦消耗的能量略去，位能在其恢复原状时转化为动能，动能又使其继续运动，再转化为位能。但任一位置上动能和位能之和为一个不变的常数，即
Ｅ＝Ｅυ＋Ｅｘ＝（１／２）ｍυ２＋（１／２）ｋ’ｘ２
其中在振动时Ｅυ是周期性变化，Ｅｘ也是作相反的周期性变化。速度以υ＝υ。Ｓｉｎωｔ，位移以ｘ＝ｘ。Ｃｏｓωｔ变化，在动能和位能相等情况下才能保持谐振动。从而推得
ω＝２πν＝（ｋ’／ｍ）１／２
表明弹簧谐振动时，其周期τ＝１／ν或频率ν完全决定于系统本身性质的质量ｍ和弹簧的倔强系数ｋ’。
　　又如物体的摆动也是一种谐振动。为简化起见，在不会伸长的轻线上端固定而另一端系一不大重物，略为移动后放掉则在平衡位置（即垂直悬地面位置）左右摆动。这个摆称为单摆。当单摆偏离平衡位置时位能为
ｍｇＬ（１－Ｃｏｓθ）＝２ｍｇＬ（θ／２）２
在Ｘ位置上放掉则往返摆动
ｘ＝ｘ。Ｓｉｎωｔ    则υ＝ｘ。ωＣｏｓωｔ
在摆动过程略去摩擦不计，每一位置上动能和位能之和不变，则
Ｅ＝Ｅｘ＋Ｅυ
只有当ｇ／Ｌ＝ω２时，动能和位能转化才保持不变，则
ω＝２πν＝（ｇ／Ｌ）１／２
表明单摆谐振频率大小决定细线长度Ｌ≈ｘ／θ。
　　实际上不管弹簧振动或且单摆运动振动幅度会逐渐减少，最后停止下来。这是因为机械振动不可避免地要受到摩擦阻力，每个部分能量转化为内能或热量，经历时间一长，这些机械能就会转化内能或热辐射出去，这种振动称为阻尼运动。要使其持续振动，必需每周期给予补充能量，若低于摩擦消耗能量，振幅仍然继续减少，最后停止。如果每周期给予高于摩擦消耗能量，振幅就会逐渐增大至振幅允许的范围，否则就失去恢复原状的机能。外力提供能量周期刚好等于其谐振动周期的，振幅可以达到最大值，这种现象称为共振。共振可能使系统逐渐增大振幅而遭致破坏。各式各样的宏观物体或机械振动是产生各种各样声音的源泉，利用不同宏观物体或机械振动组合所构成的声色不同属性，可巧妙组合制作乐器声源。    ２、弹性和摩擦等作用力条件控制技术原理
    作用力条件控制原理实际上是力学第二定律技术上应用的原理，能量趋势转化可以自动实现，也可以被动实现，分别称主动力（或内力）和被动力（或外力），牛顿力是后者特殊部分。《物性论》揭示力本质是能量趋势与变换、交换、递传过程，正因为如此，作用与反作用才同时存在，其数值相等、方向相反、作用在不同物体上。这里将进一步作理论补充和应用验证。物质各种运动可用相应参量所定义的能量来描述，按参量性质分为矢量性和标量性能量，如速度定义的平动能和角速度定义的涡旋能属于矢量性能量，简称矢能。而位置距离定义的位能、温度定义的内能、变换频率定义的变换能等属于标量性能量，简称标能。而力的本质是能量趋势、变换、交换、递传。
    静止在地面上物体通常受到重力与相反的弹性力平衡作用，又受到地面前后左右正反向力的平衡作用，处于各向交换平衡状态。要使物体移动，开始从静止到运动，要强烈破坏各向平衡，尤其作用力方向的平衡状态，从而阻力极大，使静摩擦系数极大。一旦运动了，交换平衡条件改变了，前后沿正反向交换平衡或作用力解除了，沿着匀速直线惯性运动。但地面空气和接触地面的侧面摩擦阻力Ｆ仍然存在，它正比于正压力Ｐ，并体现在动摩擦系数
ｋ＝Ｆ／Ｐ      或    Ｆ＝ｋＰ
它比静摩擦系数要小。摩擦系数大小决定于物体性质、形状、表面积、表面粗糙程度和运动方式等，同样体积物体在地面上滚动要比滑动摩擦力小得多。
    摩擦是地面无处不在的作用方式，它只在实物体相对运动时才产生的阻碍破坏平衡状态的一种作用，它是动能变换为内能的一种方式。摩擦力和摩擦系数与运动方式、接触面大小、粗糙、材料性质等密切相关。为了减少摩擦力或动能消耗，延缓动能变换内能，通常把运动中接触面大的滑动通过齿轮或其它零件带动改变为接触面小的转动，如车辆的轮子。车辆轮子与轴之间又用滚珠轴承再加上润滑油减少摩擦作用，使启动和运动省力。表面愈光滑相应地摩擦阻碍作用或消耗动能愈小，如表面光滑的铁轨可使火车运行摩擦作用低于普通路面而能够拖拉众多车皮。减少摩擦的技术方法很多，上述实例是最常用的技术方法。车辆制动要求增强摩擦作用，如刹车器件。还可调节扩大接触面的离合器是增加摩擦的一种技术方法，用以控制汽车换挡。
    地面宏观物体是大量粒子组成的，实质上已经在浓缩质量过程同时相应地集中了能量。宏观物体各粒子的各种周期性变换运动叠加，构成相对静止和匀速直线的惯性运动。牛顿力学完全适用于低速宏观物体和机械运动。交换平衡的地面物体处于相对静止，要移动一物体需外加作用力，即被动力，如推、拉、压、举和碰撞等弹性接触作用力，简称弹性力。如典型的弹簧振子拉开距离ｘ与弹性力Ｆ成正比，即弹性力
Ｆ＝－ｋ’ｘ
其中ｋ’为弹簧倔强系数。通常推、拉、压、举和碰撞等作用力与此有关被动力或外力，它是物体形变能变换为动能的一种方式。
    作用力的本质是能量的趋势、变换（转化）、交换、递传，从而构成作用与反作用，物质运动自动趋于均匀、平衡、对称过程能量变换的作用为主动力或内力，如万有引力、电磁作用、强作用、弱作用等，而改变稳定状态或趋于稳定状态的作用为被动力或外力，如弹性作用、摩擦作用巧妙组合成拉、推、举、压和碰撞等外力机械作用重组的各种机械作用或各种机械结构，形成能量递传各种方式。称为机械弹性和摩擦作用的狭义力条件控制原理。MM-1000试验机本身是摩擦测试工具，试验过程利用电磁条件控制的，而机械设备与其它车床类似是由各种机械零件性能和各种运动组合而成的。即根据机械零件及其运动组合和动力条件控制设计的。
    ３、机械器件运动性能组合技术原理
    机械器件运动性能组合原理实际上是力学第三定律，即作用与反作用力学关系的应用体现。不仅平动具有惯性，而且其他任何具有保持其运动状态直至外力作用迫其改变为止的物体运动也具有惯性。物体转动运动具有惯性，其惯性量度称为转动惯量。物质基本运动方式包括平动、自旋、周期振动等也都具有惯性，即保持其运动状态的属性。机械各种零件组合成具有一定功能的机械整机，实际上是各种零件间运动变换或能量交换传递是作用与反作用过程实现，使整机作平动或转动或振动。称为机械运动变换和能量递传功能重组或机械零件运动功能组合原理。
    力矩作功大小可用转动能改变量来量度的
ｄＡ＝ｄＥω＝ＭＣｏｓαｄθ
力矩Ｍ与角移θ间积分关系式又可写成
Ａ＝ＭθＣｏｓα
其α是力矩与角移的夹角。当其互相垂直时等零，即转动能不变。转动能对时间微商则是转动功率
Ｎ＝ｄＥω／ｄｔ＝ｄ（１／２）Ｊω２／ｄｔ＝ωｄＪω／ｄｔ
若功率等零则ω＝０或Ｊω＝恒量，作匀角速度运动或角动量Ｊω不变性，或ω⊥Ｍ时功率不变性运动。对刚体机械转动Ｊ通常是不变性的。机械转动是指刚体绕转轴转动，转动时要受到转轴摩擦力、空气摩擦力和重力、弹性力等的影响。摩擦力使转动刚体逐渐停下来，要使其重新转动需通过弹性力或重力等的力矩Ｍ作功，转化为转动能而使其转动。
    机械运动方式主要是平动、转动、振动等。如受引力作用的机械转动像陀螺受重力作用类似，可以产生进动和章动。陀螺自旋与重力同向侧弥散趋势与反向侧浓缩趋势迫使其同向侧趋于反向运动，使其产生公转进动。陀螺自旋与进动同向侧（外侧）弥散趋势和反向侧（内侧）浓缩趋势，外侧趋于内侧运动，与重力分量（随其往内侧运动增大）反向，当重力分量大于向内侧作用时，便往外侧运动，但其重力分量变小，又再往内运动，这样往内外侧周期运动则形成章动。这类基本运动原理不但可应用于工程技术中，而且可解释一系列天体现象。
    如果机械振动周围充满媒介并将能量传递给媒介的分子或原子，这些分子或原子偏离平衡位置和状态而趋于平衡中又将能量再传递下一些分子或原子，构成了周期性的能量或量子传递的波动，一定频率范围的振动能及其能量子声波。声波所传到之处的振幅或能量相位要比振源迟后ｓ／υ，即
ｘ＝ｘ。Ｓｉｎω（ｔ－ｓ／υ）
声波传播靠媒介分子间碰撞或交换场质压缩等方式来传递声音能量或量子的，声波是媒介中分子有规则运动的能量子传递，声量子是分子或分子颗粒级并依赖媒介分子或分子颗粒间交换传递的量子，有时称为声子。热量则是物体中分子不规则运动的量子传递。但电磁量子，包括光子、热辐射、电磁波等可不依靠物体媒介来传递的，量子本身就有一定周期性能量变换和偏振，使量子在其行程中处于周期性状态变换。
    三、机械应用方法
    重力是能量集中的作用，摩擦是能量弥散的作用，而外力通常是其它能量转化变换为动能引起的作用，如推、拉、举、压等接触作用实际来自于热能、物态变换能、化学能、电磁能、生物体能等转化变换而来的。这些能量归根结底在涡旋和微旋化中浓缩质量、集中能量而成的，当其释放能量推动物体运动而转化变换成物体动能，且在地面上不可避免遇到摩擦作用，又再转化变换为热能或其它能量，构成了能量循环递换过程。
    如果略去前面那个浓缩环节，并把重力简化为外力作用，那就成了牛顿力学和经典热力学的特例。因此机械力学作用力本质仍是能量在机械器件间的交换递传。而阻碍破坏静止状态的作用力是重力和摩擦力，它们是趋势主动力，重力、摩擦力和弹性接触力三者联合作用于物体而产生机械运动的，灵巧组合应用这三种力是机械技术的基础。
    １、机械运动设计
    机械技术设计以能量递换传输控制和机械器件运动组合规律指导为主，如车床、洗床、刨床、钻床、纺织机等根据需要而提出目标任务，进行机械方案设想和技术设计，设计时借助于机械图纸按比例绘制，这样可以做得设计确定、数据精密、图样详细，便于加工组装、试验调试、分工合作，也便于资料修正、经验积累、交流传授等。如果只停留在头脑中，这些都难以做到，就难以使技术发展进步，就难以制造愈来愈完善和功能愈强的产品。因此机械图纸用以帮助设计是最基本手段和方法。
    机械设计通常是根据机械规律，在头脑中先构成机械整体结构和关系的工作原理图象或图纸，然后逐步分成许多部分或零件进行详细设计，并绘制成有尺寸计算的图纸，构成整机配备各部分和零件组合的设计和计算的图纸。对于所组合性能是否可行，以及各局部或零件在整机中协调把握不大，可通过试验进行验证，并修正到可行，或互相能精确配合和协调为止。实验用以证实某些规律，而试验和调试则用以帮助设计的整机是否可行的或局部、器件是否合理协调的。因此试验是设计的，尤其创造发明设计的重要辅助方法和手段。
    为了提高机械设计制造质量、功能、效率、通用性、商品率和降低成本，常采取产品标准化，由专门技术机构制定标准，使厂家产品设计制造有所依据，并使产品社会化、商品化。因此机械产品标准化是机械设计重要依据。目前甚至可以借助电脑优秀软件来帮助机械设计，如计算机辅助设计工具实现快速设计和计算机辅助制造工具实现高效生产制造。
    地面物体有保持平衡，即相对静止状态趋势，使物体受到其它力的作用时，产生反抗这个作用之摩擦力或重力，物体推、拉作用是将动能变换或转化成反抗破坏平衡状态的摩擦之热能，物体举、压作用是将动能变换或转化成反抗破坏平衡状态重力作用的位能，物体的碰撞也是反抗破坏平衡的动能、位能、热能间的变换作用。可见，牛顿力实际上是能量的变换、交换、递换，它是通过能量变换、交换、递换来改变物体相对地面静止状态，以克服维持平衡的摩擦阻力。它也是作用与反作用同时存在的本质所在，即两者数值相同，方向相反，作用在不同物体上。
    ＭＭ－１０００摩擦试验机是测试摩擦材料摩擦和磨损的重要设备之一。外型像普通车床，有笨重铸铁底座和装配可移动的动摩擦片、静摩擦片的机械台面。动摩擦片由电动机带动，类似车床的转动车件台面，而静摩擦片则固定台面上，类似车床固定刀具，除摩擦片与刀具外，摩擦试验机静摩擦头还有可加气压用的伸缩装置。磨擦试验机的目的要求不同于普通车床，它的目的是检测粉末冶金材料摩擦和磨损性能，它要求能精确测定磨擦系数等参量。因此设计中除上述机械设备设计外，主要是参量测试和计算方法的设计。
    ＭＭ－１０００摩擦试验机是一部测试粉末冶金摩擦材料磨损摩擦试验的机电设备，它由动静两摩擦片组成的，动摩擦片旋转头以一定速度旋转，通过光透过跟着旋转圆孔盘的单位时间计数获得速度值。再通过气压阀打开，压动静摩擦片接触制动，静片上装有压力传感器、力矩传感器、温度传感器测得压力、力矩、温度参数，计得摩擦系数和其它有关参数，如功率等。这是测试摩擦系数典型设备。这些传感器电流过于微弱，必需通过调制解调放大器实现直流放大。此外还要对转速、压力、摩擦次数进行控制，以便在不同条件下，测得各种参数。这些测试和控制通过微机系统实现，可以获得更精确测量数据，并实现自动化数据处理和控制。如《微机系统在ＭＭ－１０００摩擦试验上的应用试验》一文所述。
    为了更快、更精确、更全面和自动测试《微机系统在ＭＭ－１０００试验机上应用试验》的参量，如转速直接用转盘边缘上小孔透过的光进行计数外，力矩、压力、温度通过传感器和调制解调器件放大的模拟量。并转化为数字量，以便于在计算机中进行摩擦系数、功率、能量等计算的数据处理和磨损操作控制。力矩乘以角速度则可计算功率，力矩除以压力与半径乘积则可计得摩擦系数，还可自动控制制动次数来检测磨损情况。可见模拟量与数字量是一对矛盾，矛盾转化以实现量度、处理、控制、记录和执行自动化的过程，但其中关键则是非电参量往电参量变换和模数变换，这些可行性在于能量转化和等价变换。
    在《ＭＭ－１０００摩擦试验机微机系统》研制中曾想象过众多方案，经过反复比较，尤其摩擦试验机周围都是强电系统，包括千瓦电动机和强电变压器、继电器等的电磁干扰，可能使弱电系统的计算机无法正常工作，这是硬件设备中基本矛盾。为解决这个矛盾，采用便于屏蔽和配合控制台改造，而选择采用单板机并重新设计外围自动测试和控制电路，把测试的各种参量经过模数转化为二进制数字电路设计，作为硬件设计和决断思维的基本部分。选择采用机器语言或汇编语言进行程序设计，这样便于快速直接数据采样、处理、控制。
    ２、机械应用决断方法
    机械系统设计是根据使用功能在充分利用地面物体的重力、摩擦力、弹性力作用特性和热机、电机等动力基础上，对各种机械零件巧妙而精确的组合。机械系统决断思维除了人力、财力、物力可行性外，主要是技术的可行性，尤其创新机械系统的可能性、可行性需通过试验来证实，许多样机就是在大量局部试验和整机试验、调试作出决断的，因此机械试验、调试、检测是决断的重要方法为了机械零件通用性规定一系列规格化、标准化，这样便于商品化专业化生产，也便设计机械系统的重组和提高生产效率。
    机械设备技术决断的基本手段和方法是已有的知识、经验和试验，把许多规律结合应用或性能组合或条件控制是否可行，没有把握时要通过试验来确定的，不管是局部还是整机的创新产品要经过反复而多次多种试验才能确定。尤其一项创造发明，没有反复而多次多种试验，组合方式和组成结构最佳状态难以确定，因为理性规律、原理只能提供合理的可能性，并不能提供组合的可行性，这就是理性过渡到实性思维之必要性。进行新产品组合设计，必需通过试验辅助来作决断的。整机总是包含许多部分甚至大量的零件组合，这些部件、零件之间密切协调是非常重要的，因此产品的调试改善和检验也是最后确定的决断必要手段和方法。
    Ｍ－１０００摩擦试验机在测试转速、压力、力矩、温度等参量后通过人工画表图，并计算出摩擦系数。这些操作因人而异，误差较大，稳定性差。而且制动手工频繁时难以操作。这些情况都要求测试和操作自动化、智能化，迫使该机生产厂家作出利用微型计算机实现参数测试和控制自动化、智能化。这个背景下，将此任务交到本人手中，再经方案选择和分析论证，并经过反复试验、调试、检测最后作出决断和决策。
    ３、机械应用执行方法
    生产工艺程序实施及其相应的工具设备、操作技能和材料零件是生产过程基本条件。许多材料和零件可来自于社会，不必从材料到零件都要自己生产，否则不仅生产质量和效率低下，而且使成本大大提高，造成经济和社会效益低下。产品执行过程实际上是生产工艺管理过程。零件加工、部件生产、整机组装是生产工艺的分工合作，可以提高生产效率、产品质量、降低成本等的作用。但在生产工艺过程需要协调而产生统一指挥、调度，这是执行执行基本方法。
    一个生产单位是社会分工合作的一个细胞，从属于社会，因此管理不仅仅是生产工艺管理，而是包含销售、财务、人事等许多方面的系统管理。从社会角度看一个生产单位或管理一个生产单位，生产必需跟踪、反馈、分析社会信息，技术项目往往随社会需要或市场供需而发生变动，改善、转产和创新产品技术活动变成生产管理重要组成部分。人事、设备、销售、财务等都跟社会其它单位交流中联系部门，也是执行方法重要组成部分。
    Ｍ－１０００摩擦试验机及其专用微机系统和专门设计的外围设备，便可以自动测试所需要的参量，并计算出摩擦系数、功率等参量。摩擦试验机本身外型像普通车床，动片转轴也与车床转轴类似，由电机带动，所不同的另静片有个压力缸，通过进气加压产生制动。摩擦试验机本身制造执行过程与普通车床类似，经过铸造底座、零件加工、装配等生产工艺程序制造由试验机厂各车间从头到尾执行实现的。测量的转速、压力、力矩、温度等量度值，并经数据处理计算的自动执行过程的设备。
    四、机械运动组合类型
    宇宙没有绝对静止的物体，所谓低速是指相对光速而言的，即远小于光速的运动状态。这时动能对位移微分可表示为牛顿力Ｆ＝ｍａ。的方式。可见，牛顿力学只适用于宏观低速运动状态的多粒子物体或机械。物体或机械的转动需外加力矩，才能迫使其转动。机械设备中离不开转动、平动、振动间运动等的转换技术，巧妙的组合和转换技术可以带来人类所需要功能的全新产品。至于牛顿力学与万有引力间关系，在解决宇宙空间机械运动是很有用的。它还可解释近地球的天体或太阳系某些运动问题，但牛顿力学连天体的最基本最普遍的自旋运动都无法解释。因此牛顿力学称为机械力学更为妥当，并广泛应用于机械技术上。
    １、生产工具类型
    如果转动是绕定点的回转器，该定点Ｏ与惯性中心重合则称为平衡回转器，否则称为重力回转器。这时因点Ｏ的重力矩不等零，这将对回转器运动有重大影响，产生进动和章动。它产生的动力可用新理论解释，进动是重力回转器的重力在自转轴垂直分量两侧旋转速度正反向，同向侧速度叠加变大，弥散趋势，反向侧速度叠加变小，有浓缩趋势，同向侧挤向反向侧趋势而产生进动。进动速度与回转器自旋外侧速度同向叠加，与里侧速度反向叠加，有外侧向里侧趋势，指向里侧运动，但重力又迫它恢复而往外侧运动，构成向里与向外侧重力分量平衡交叉作用，则产生周期性的章动，构成了重力回转器自旋、进动、章动综合运动方式。转动是生产工具机械经常运动变换方式。
    机械产品多半通过材料制成各种轮子、齿轮、滑轮、曲轴、连杆、螺丝、链索等的机械零件进行重组并通过动力递传来带动机械运动的。为了使机械产品具有通用性、适应性、规范性，便于产品分工合作、减少重复、交流销售而需要标准化。因此在国际、国内、行业的范围内进行规定标准化工作是必要的。标准化可使产品生产专业化、商业化、高效率化，更有效地实现全社会分工合作和商业销售。同时标准化是设计师思维过程必需遵守的，否则无法利用社会已有的各种标准化产品，而连最小的螺母都要自己生产，就会极大地浪费财力、物力和人力。因此产品设计标准化也是重要手段和方法。
    设计是产品技术的核心部分，并具有该产品全面技术知识的人才能做到的，尤其是重大机械革新产品。如纺纱机、织布机、车床、冲床、铣床、推土机、压路机等等产品论证决策、生产组织、指挥调度协调执行，包括分工合作和市场投入等是组织管理者的基本任务。善于获取信息、出主意、用人（发挥各人作用）、克服矛盾的组织管理者往往是成功的管理者。针对产品技术特点和人力、物力、财力条件，组织调度车间、班组进行生产。在调查和获取信息基础上，组织调度人力进行推销和作出各种决策。管理也是一门科学，称为管理科学。它与技术科学相辅相成，如果技术科学是基础，那么管理科学则是主导，是现代技术矛盾的两面。
    ２、交通工具类型
    地面物体相对静止是交换平衡趋势的必然结果，也可看成作用力平衡的结果，其中最基本的是重力与地面对物体的接触弹性作用平衡。地面动力常通过推、拉、举、压和碰撞等接触作用来带动物体运动的，它们都属于物体接触形变产生的弹性作用。减少摩擦力基本方法是变滑动为接触面少的转动，利用轮子接触地面运动。轮子产生转动有两种情况，一种在轮子边缘加一力矩，通常其中心不动，另一种是中心轴带动轮子转动，若轮子转动时接触地面的点或线因摩擦而产生力矩作用，推动轴往前运动。因此机械作用的本质是能量变换、交换和递传。轮子与承轴之间又用滚珠轴承和润滑油又进一步减少摩擦力，轮子再加上弹性较好的橡皮内外轮胎和其它零件，可减少路面不平的振动。目前大部分陆地交通工具都离不开轮子及其制造应用技术。
    轮子之外转动应用较多的就是螺旋浆，它常用于飞机、轮船的推进器，螺旋浆叶推进作用于大气或水时，能量交换的反作用推压螺旋浆及其相连的飞机或轮船运动。还可以设计用水力或热气推动涡轮转动，并带动电机之类机械运动。此外，各式各样齿轮、滑轮、杠杆、连杆、曲轴、传送带等是机械传动重要方式，即力或能量的传送方式。巧妙组合利用这些作用，可以设计不同的机械设备来适应人们的各种各样需要，如汽车、轮船、飞机、火箭、气垫船、磁浮机车等交通工具设计制造。机械技术除基本的轮子、螺旋浆、涡轮和动力外，就是巧妙应用这些重力作用、摩擦作用、弹性接触作用和惯性运动特性于机械零件、设备设计和制造之中。
    任何一项技术都不是一个人所能完成的，是许许多多人不断改造和变革的结果，发明或首创虽然重要，没有前人工作的启示和后人继续改革，就不可能产生今天的产品。他们技术改革的每一步都是在不断地出现矛盾和克服矛盾中前进的。如上述的计算机软件系统和硬件系统的信息处理技术就是众多人员不断努力，才有今天的规模。又如瓦特蒸汽机发明是在认识纽考门蒸汽机效率极低的原因，并利用分离式冷凝器和封闭蒸汽汽缸，而大大提高了效率。后来将其与机车、轮船组合，并不断改革，才会有今天产品。瓦特首创高效蒸汽机对产业革命影响功不可抹的，但前承后继为克服矛盾的革新者也不能忽视。
    任何一门技术只要是关键性综合重组性技术，都应属于某方面的发明或首创，如内燃机首先分别与汽车、轮船、飞机、车床重组都是新技术的发明或首创的。为了产品性能提高，需要综合重组的技术愈来愈多，现代的汽车还组合了各种电器技术，构成庞杂的技术系统。一个庞杂的技术系统产品已经包含许许多多知识综合和重组，构成一门专业技术科学。技术科学不同于自然科学，它往往以大型复杂产品类型为基础的综合科学知识和技术（设计、决策决断、执行）方法，一个人能够做的只是其中一部分，许多部分别人已经做过了，可以充分加以利用，避免不必要的重复。做到这一点就需要尽量获取信息。
    ３、兵器机械类型
    用于战争的武器古时主要刀和剑，近代发展成枪炮和炸弹，现代出现原子弹和导弹，杀伤力愈来愈大。刀剑主要材料是钢铁金属材料制成的，靠人的双手操作，实际上是手工武器或工具。枪炮主要靠火药发热爆炸的气体膨胀，推射子弹头或炮弹头往前运动。为了弹头有效射中目标，需要制造撞击机械、螺旋式枪筒或炮筒、描准器等的机械结构和设备。
    导弹及其运载火箭通常由其核心部件火箭发动机、制导与控制系统、有效载荷的导弹头、支承整个火箭和导弹结构的壳体等四个部分组合而成的。制导和控制系统用来控制火箭或导弹预定弹道飞行，把导弹送入目标轨道。导弹机械装有无线电控制或遥感技术控制，以及远距离测量导弹各部分仪器设备工作情况和实验数据等，所需要信息传递到地面，以对导弹的飞行速度、飞行方向、飞行姿态等的了解和遥控，以便对导弹运动状态进行必要的调整。
兵器科技是一门综合性尖端领域，涉及数学、天文、物理、化学、生物和医学等学科和工业技术发展的成果。兵器技术代表制品枪、炮、炸弹、导弹等实际上是一种机械与其它技术组合。这些都是人类灵巧地组合应用已掌握的各种地面固有成形的物体和机械技术的结果。实际上用于战争的各种交通工具，如装甲车、坦克车、炮艇、军舰、战斗机等也属于兵器。
    兵器技术进步推动航天技术发展，航天机械只不过脱离地面的空气和地面接触摩擦作用而处于较无阻力状态，具有惯性离心作用。若它们还不能完全脱离重力或太阳引力范围，又保持离心作用与引力平衡，并以一定圆切向速度运动。这种圆切向速度方向改变所构成的加速度足以克服重力的机械则成人造卫星。这种圆切向速度方向改变所构成的加速度足以克服太阳引力的机械则成人造行星。如果还存在径向速度，可构成飞船。它跟自然天体有本质的不同，尽管公转形态类似，没有自动自旋和浓缩质量属性的机械。
参考文献:
1,<物性理论及其工程技术应用> 陈叔瑄著  香港天马图书有限公司2000年出版
2,<物性论-自然学科间交叉理论基础>  陈叔瑄著  厦门大学出版社1994年出版
3,<思维工程-人脑智能活动和思维模型>  陈叔瑄著  福建教育出版社1994年出版