為何機器會自己動起來？認識神奇動力裝置 了解機械運作原理｜星島教室
發佈時間：18:31 2025-05-22 HKT
日常生活中，我們常常看到許多能自動運作的機械，你會否好奇它們為甚麼能夠動起來？其實，這不是魔法或僥倖，而是全賴無數科學家和工程師在物理學、化學、材料科學等多個領域的苦心鑽研，才能研發出各種動力裝置。動力裝置是可將各種能量轉化為動能的機器，只要得到它們的幫助，無論是汽車、輪船還是飛機都能活動自如。它的誕生讓人類達至古人從未企及的高度，堪稱是科學帶來的奇蹟。
動力裝置始祖︰蒸汽機
在現代的動力裝置發明前，人類只利用人力或大自然的力量幫忙推動機械，但產生的動力始終有限。直至「蒸汽機」的出現，大大提升了生產力，更導致工業革命的開始，讓人類正式進入工業時代。
蒸汽機利用在外部燃燒燃料後加熱的蒸汽，推動活塞產生動力，屬於外燃機的一種。可是，它起初只是用於在礦井中抽水的用途，不僅用途有限，而且效率甚低，並未能大量應用。
幸好，蒸汽機得以改良後，引入了分離冷凝器，允許蒸汽在一個獨立的冷卻室中冷凝，保持氣缸的熱度，減少了能量損失，只需過往四分一的煤炭便能達至相同的效果。當中更引入了連桿和齒輪系統，將原有機內活塞的直線運動轉換為旋轉運動，使蒸汽機可以更方便地驅動各種機械設備，如蒸汽火車、蒸汽錘等。
汽輪機
不過，要談及更高效應用蒸汽的裝置，就不得不提及「汽輪機」。汽輪機更有效地善用蒸汽。它利用燃料燃燒時產生的高壓蒸汽，透過葉片擴張，推動轉子旋轉，將熱能轉化為機械能。它更可用於發電，甚至推動船舶等大型機械。直到現時，雖然過往的蒸汽機大多已被淘汰，但全球的發電廠仍大規模使用汽輪機產生電力。現時的汽輪機經改良後，甚至可運用到地熱、太陽能等可再生能源發電。相信蒸汽的力量在接下來的世代中仍然不容忽視，甚至與時並進，扮演重要角色。
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現代交通基石︰內燃機
美中不足的是，蒸汽機和汽輪機需要配置極佔重量和空間的鍋爐，若要在小小的汽車中加入動力裝置，則要依靠另一個在人類史上舉足輕重的動力裝置——「內燃機」。
內燃機通過在引擎中燃燒燃料，產生高壓氣體，推動活塞轉動曲軸，轉換為機械能。自從第一具四行程內燃引擎被發明後，由內燃機推動的三輪車旋即產生，這個創新發明更被稱為現代汽車的起點。
四行程內燃引擎運作流程
- 進氣行程：進氣閥打開，空氣或空氣與燃油的混合物吸入氣缸。
- 壓縮行程：進氣閥及排氣閥關閉，氣缸內的空氣被壓縮。
- 動力行程：進氣閥及排氣閥仍然關閉，火星塞以高壓電產生火花引爆混合氣，產生高壓推動活塞向下運動。
- 排氣行程：當活塞再次向上移動時，排氣閥打開，燃燒後的廢氣被排出氣缸。
大部分的航空發動機其實也是內燃機的一種。當中的活塞引擎，以燃燒推動活塞，從而轉動螺旋槳。萊特兄弟把四缸活塞引擎應用到飛機上，實現首次動力飛行，開啟了航空交通史的新一頁。現時不少商用大型飛機，例如波音737，會使用噴氣式發動機，用燃燒燃料產生高溫高壓氣體，依賴內部渦輪壓縮空氣並噴射氣流產生推力，大大縮短了全球飛行時間。
1950年代後跨大西洋飛行時間從15小時減至7小時，成功使長途飛行更普及。
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資訊科技命脈︰電動機
現時最廣泛應用的動力裝置莫過於「電動機」，它能將電能轉化為機械能。
當電流通過導線或線圈時，會在周圍產生磁場，與外部磁場產生相互作用，驅動轉子運動，將電能轉化為旋轉或直線運動的動能。
電動機的能量轉換效率相對較高，而且沒有燃燒過程，因此不產生廢氣，更具有噪音低、壽命長、能精確調節等優點，所以被大量應用到各種家用電器，甚至電動車、電腦等高科技裝置當中。
小思考，大智慧
除了文中提及的動力裝置外，你還知道其他動力裝置嗎？
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參考答案
其他動力裝置如下︰
1. 由可再生能源推動的動力裝置：
包括風力機、水輪機、太陽能引擎等。可惜這些裝置都受到環境限制，而且能量轉化效率尚待提高。
2. 核反應堆動力系統：
將鈾或鈈等核燃料透過核裂變釋放熱能，加熱流體產生蒸汽，驅動渦輪。可惜它仍有安全風險，如切爾諾貝爾和福島也曾發生輻射洩漏的事故。
本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。
文：中華基督教會基慧小學（馬灣） STEAM統籌主任 黃潤權、中華基督教會基慧小學（馬灣）科學科老師 褚鴻鵬
