为何机器会自己动起来？认识神奇动力装置 了解机械运作原理｜星岛教室
发布时间：18:31 2025-05-22 HKT
日常生活中，我们常常看到许多能自动运作的机械，你会否好奇它们为甚么能够动起来？其实，这不是魔法或侥幸，而是全赖无数科学家和工程师在物理学、化学、材料科学等多个领域的苦心钻研，才能研发出各种动力装置。动力装置是可将各种能量转化为动能的机器，只要得到它们的帮助，无论是汽车、轮船还是飞机都能活动自如。它的诞生让人类达至古人从未企及的高度，堪称是科学带来的奇迹。
动力装置始祖︰蒸汽机
在现代的动力装置发明前，人类只利用人力或大自然的力量帮忙推动机械，但产生的动力始终有限。直至「蒸汽机」的出现，大大提升了生产力，更导致工业革命的开始，让人类正式进入工业时代。
蒸汽机利用在外部燃烧燃料后加热的蒸汽，推动活塞产生动力，属于外燃机的一种。可是，它起初只是用于在矿井中抽水的用途，不仅用途有限，而且效率甚低，并未能大量应用。
幸好，蒸汽机得以改良后，引入了分离冷凝器，允许蒸汽在一个独立的冷却室中冷凝，保持气缸的热度，减少了能量损失，只需过往四分一的煤炭便能达至相同的效果。当中更引入了连杆和齿轮系统，将原有机内活塞的直线运动转换为旋转运动，使蒸汽机可以更方便地驱动各种机械设备，如蒸汽火车、蒸汽锤等。
汽轮机
不过，要谈及更高效应用蒸汽的装置，就不得不提及「汽轮机」。汽轮机更有效地善用蒸汽。它利用燃料燃烧时产生的高压蒸汽，透过叶片扩张，推动转子旋转，将热能转化为机械能。它更可用于发电，甚至推动船舶等大型机械。直到现时，虽然过往的蒸汽机大多已被淘汰，但全球的发电厂仍大规模使用汽轮机产生电力。现时的汽轮机经改良后，甚至可运用到地热、太阳能等可再生能源发电。相信蒸汽的力量在接下来的世代中仍然不容忽视，甚至与时并进，扮演重要角色。
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现代交通基石︰内燃机
美中不足的是，蒸汽机和汽轮机需要配置极占重量和空间的锅炉，若要在小小的汽车中加入动力装置，则要依靠另一个在人类史上举足轻重的动力装置——「内燃机」。
内燃机通过在引擎中燃烧燃料，产生高压气体，推动活塞转动曲轴，转换为机械能。自从第一具四行程内燃引擎被发明后，由内燃机推动的三轮车旋即产生，这个创新发明更被称为现代汽车的起点。
四行程内燃引擎运作流程
- 进气行程：进气阀打开，空气或空气与燃油的混合物吸入气缸。
- 压缩行程：进气阀及排气阀关闭，气缸内的空气被压缩。
- 动力行程：进气阀及排气阀仍然关闭，火星塞以高压电产生火花引爆混合气，产生高压推动活塞向下运动。
- 排气行程：当活塞再次向上移动时，排气阀打开，燃烧后的废气被排出气缸。
大部分的航空发动机其实也是内燃机的一种。当中的活塞引擎，以燃烧推动活塞，从而转动螺旋桨。莱特兄弟把四缸活塞引擎应用到飞机上，实现首次动力飞行，开启了航空交通史的新一页。现时不少商用大型飞机，例如波音737，会使用喷气式发动机，用燃烧燃料产生高温高压气体，依赖内部涡轮压缩空气并喷射气流产生推力，大大缩短了全球飞行时间。
1950年代后跨大西洋飞行时间从15小时减至7小时，成功使长途飞行更普及。
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资讯科技命脉︰电动机
现时最广泛应用的动力装置莫过于「电动机」，它能将电能转化为机械能。
当电流通过导线或线圈时，会在周围产生磁场，与外部磁场产生相互作用，驱动转子运动，将电能转化为旋转或直线运动的动能。
电动机的能量转换效率相对较高，而且没有燃烧过程，因此不产生废气，更具有噪音低、寿命长、能精确调节等优点，所以被大量应用到各种家用电器，甚至电动车、电脑等高科技装置当中。
小思考，大智慧
除了文中提及的动力装置外，你还知道其他动力装置吗？
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参考答案
其他动力装置如下︰
1. 由可再生能源推动的动力装置：
包括风力机、水轮机、太阳能引擎等。可惜这些装置都受到环境限制，而且能量转化效率尚待提高。
2. 核反应堆动力系统：
将铀或钚等核燃料透过核裂变释放热能，加热流体产生蒸汽，驱动涡轮。可惜它仍有安全风险，如切尔诺贝尔和福岛也曾发生辐射泄漏的事故。
本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。
文：中华基督教会基慧小学（马湾） STEAM统筹主任 黄润权、中华基督教会基慧小学（马湾）科学科老师 褚鸿鹏
