Maschine
Eine Maschine ist ein physikalisches System, das Kräfte aufbringt und Bewegungen steuert, um eine Aktion auszuführen. Der Begriff wird üblicherweise auf künstliche Geräte wie Motoren angewandt, aber auch auf natürliche biologische Makromoleküle, wie z. B. molekulare Maschinen. Maschinen können von Tieren und Menschen, von natürlichen Kräften wie Wind und Wasser sowie von chemischer, thermischer oder elektrischer Energie angetrieben werden und umfassen ein System von Mechanismen, die den Antrieb so gestalten, dass eine bestimmte Anwendung von Ausgangskräften und Bewegungen erreicht wird. Sie können auch Computer und Sensoren enthalten, die die Leistung überwachen und die Bewegung planen, was oft als mechanische Systeme bezeichnet wird. ⓘ
Die Naturphilosophen der Renaissance identifizierten sechs einfache Maschinen, die eine Last in Bewegung versetzten, und berechneten das Verhältnis von Ausgangskraft zu Eingangskraft, das heute als mechanischer Vorteil bekannt ist. ⓘ
Moderne Maschinen sind komplexe Systeme, die aus Strukturelementen, Mechanismen und Steuerungskomponenten bestehen und Schnittstellen für eine bequeme Nutzung enthalten. Beispiele hierfür sind: eine Vielzahl von Fahrzeugen wie Züge, Autos, Boote und Flugzeuge; Geräte im Haushalt und im Büro, einschließlich Computer, Gebäudeklimatisierung und Wasseraufbereitungssysteme; sowie Landmaschinen, Werkzeugmaschinen und Fabrikautomationssysteme und Roboter. ⓘ
Eine Maschine (entlehnt aus französisch machine, von lateinisch machina, dieses von altgriechisch μηχανή mēchanḗ, deutsch ‚Werkzeug‘, ‚künstliche Vorrichtung‘, ‚Mittel‘) ist ein technisches Gebilde mit durch ein Antriebssystem bewegten Teilen. Maschinen werden als technische Arbeitsmittel vor allem für mechanische Einwirkung verwendet. In der Vergangenheit stand der Energie- und/oder Stofffluss im Vordergrund. Der Informationsfluss spielte zuerst in feinmechanischen Geräten eine Rolle, ist heute aber in fast allen Maschinen von Bedeutung (Automatisierung). Reizvolle Ziele für die Erfindung von Maschinen waren aus der Sicht eines Arbeiters eine Verstärkung der eigenen Kraft, Zeitgewinn, Genauigkeit, feinere Bearbeitungsmöglichkeit und Fertigung von größeren Mengen identischer Produkte. Es folgte auch eine Entlastung des Produktionsarbeiters von körperlicher und geistiger Arbeit durch Maschinen und Geräte. Diese modernen Arbeitsmittel übernehmen vor allem Routine- und auch gefährliche Arbeiten. ⓘ
Jede Maschine enthält individuell angefertigte Einzelteile, wie wenigstens Gestell und Gehäuse. Einen erheblichen Anteil nehmen Teile mit einer Standardfunktion ein; diese Maschinenelemente werden gesondert als Massenartikel produziert. Fixe Maschinenelemente sind zum Beispiel Schrauben und Dichtungen, bewegliche Elemente sind zum Beispiel Zahnräder und Hebel. ⓘ
Etymologie
Das englische Wort machine kommt über das Mittelfranzösische aus dem Lateinischen machina, das sich wiederum aus dem Griechischen ableitet (dorisch μαχανά makhana, ionisch μηχανή mekhane 'Vorrichtung, Maschine, Motor', eine Ableitung von μῆχος mekhos 'Mittel, Zweck, Mittelchen'). Das Wort mechanisch (griechisch: μηχανικός) stammt aus denselben griechischen Wurzeln. Eine weitere Bedeutung von "Gewebe, Struktur" findet sich im klassischen Latein, aber nicht im griechischen Sprachgebrauch. Diese Bedeutung findet sich im spätmittelalterlichen Französisch und wurde aus dem Französischen Mitte des 16. ⓘ
Im 17. Jahrhundert konnte das Wort machine auch einen Plan oder ein Komplott bedeuten, eine Bedeutung, die heute durch die Ableitung machination ausgedrückt wird. Die moderne Bedeutung entwickelte sich aus der spezialisierten Anwendung des Begriffs auf Bühnenmaschinen im Theater und auf militärische Belagerungsmaschinen, beide im späten 16. und frühen 17. Das OED führt die formale, moderne Bedeutung auf John Harris' Lexicon Technicum (1704) zurück, in dem es heißt:
- Maschine oder Motor ist in der Mechanik alles, was eine Kraft hat, die ausreicht, um die Bewegung eines Körpers entweder anzuheben oder anzuhalten. Einfache Maschinen werden allgemein als sechs an der Zahl angesehen, nämlich die Ballance, Leaver, Pulley, Wheel, Wedge und Screw. Zusammengesetzte Maschinen, oder Motoren, sind unzählig.
Das Wort Motor, das sowohl von Harris als auch im späteren Sprachgebrauch als (Beinahe-)Synonym verwendet wird, leitet sich letztlich (über das Altfranzösische) vom lateinischen ingenium "Einfallsreichtum, eine Erfindung" ab. ⓘ
Geschichte
Die Faustkeilaxt, die durch das Zerkleinern von Feuerstein zu einem Keil hergestellt wird, wandelt in den Händen eines Menschen die Kraft und Bewegung des Werkzeugs in eine quer verlaufende Spaltkraft und Bewegung des Werkstücks um. Die Faustkeilaxt ist das erste Beispiel für einen Keil, die älteste der sechs klassischen einfachen Maschinen, auf denen die meisten Maschinen basieren. Die zweitälteste einfache Maschine war die schiefe Ebene (Rampe), die seit prähistorischen Zeiten zum Bewegen schwerer Gegenstände verwendet wurde. ⓘ
Die anderen vier einfachen Maschinen wurden im Alten Orient erfunden. Das Rad sowie der Rad-Achs-Mechanismus wurden im 5. Jahrtausend v. Chr. in Mesopotamien (dem heutigen Irak) erfunden. Der Hebelmechanismus tauchte erstmals vor etwa 5.000 Jahren im Nahen Osten auf, wo er in einer einfachen Waage und zum Bewegen großer Gegenstände in der altägyptischen Technologie verwendet wurde. Der Hebel wurde auch in der Shadoof-Wasserhebevorrichtung verwendet, der ersten Kranmaschine, die um 3000 v. Chr. in Mesopotamien auftauchte, und dann um 2000 v. Chr. in der altägyptischen Technik. Die frühesten Belege für Flaschenzüge stammen aus Mesopotamien aus dem frühen 2. Jahrtausend v. Chr. und aus dem alten Ägypten aus der zwölften Dynastie (1991-1802 v. Chr.). Die Schraube, die letzte der einfachen Maschinen, die erfunden wurde, tauchte erstmals in Mesopotamien während der neuassyrischen Periode (911-609) v. Chr. auf. Beim Bau der ägyptischen Pyramiden wurden drei der sechs einfachen Maschinen verwendet: die schiefe Ebene, der Keil und der Hebel, um Bauwerke wie die Große Pyramide von Gizeh zu errichten. ⓘ
Drei der einfachen Maschinen wurden vom griechischen Philosophen Archimedes um das 3. Jahrhundert v. Chr. erforscht und beschrieben: der Hebel, der Flaschenzug und die Schraube. Archimedes entdeckte das Prinzip des mechanischen Vorteils des Hebels. Spätere griechische Philosophen definierten die klassischen fünf einfachen Maschinen (mit Ausnahme der schiefen Ebene) und waren in der Lage, deren mechanischen Vorteil grob zu berechnen. Heron von Alexandria (ca. 10-75 n. Chr.) führt in seinem Werk Mechanik fünf Mechanismen auf, die "eine Last in Bewegung setzen" können: Hebel, Winde, Riemenscheibe, Keil und Schraube, und beschreibt ihre Herstellung und Verwendung. Das Verständnis der Griechen beschränkte sich jedoch auf die Statik (das Gleichgewicht der Kräfte) und umfasste nicht die Dynamik (den Ausgleich zwischen Kraft und Weg) oder das Konzept der Arbeit. ⓘ
Die ersten praktischen wassergetriebenen Maschinen, das Wasserrad und die Wassermühle, tauchten im Perserreich, im heutigen Irak und Iran, im frühen 4. Die ersten praktischen windgetriebenen Maschinen, die Windmühle und die Windpumpe, tauchten erstmals im 9. Jahrhundert n. Chr. in der muslimischen Welt während des islamischen Goldenen Zeitalters auf, im heutigen Iran, Afghanistan und Pakistan. Die früheste praktische dampfbetriebene Maschine war ein von einer Dampfturbine angetriebener Dampfzylinder, der 1551 von Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf im osmanischen Ägypten beschrieben wurde. ⓘ
Die Baumwollentkörnungsmaschine wurde im 6. Jahrhundert n. Chr. in Indien erfunden, und das Spinnrad wurde in der islamischen Welt im frühen 11. Das Spinnrad war auch ein Vorläufer der Spinnmaschine, die eine wichtige Entwicklung während der frühen industriellen Revolution im 18. Kurbel- und Nockenwelle wurden um 1206 von Al-Jazari in Nordmesopotamien erfunden und wurden später zu zentralen Elementen moderner Maschinen wie der Dampfmaschine, des Verbrennungsmotors und der automatischen Steuerung. ⓘ
Die frühesten programmierbaren Maschinen wurden in der muslimischen Welt entwickelt. Ein Musiksequenzer, ein programmierbares Musikinstrument, war die früheste Art einer programmierbaren Maschine. Der erste Musiksequenzer war ein automatischer Flötenspieler, der von den Brüdern Banu Musa erfunden und im 9. Im Jahr 1206 erfand Al-Jazari programmierbare Automaten/Roboter. Er beschrieb vier Automatenmusiker, darunter auch Schlagzeuger, die von einer programmierbaren Trommelmaschine gesteuert wurden, mit der sie verschiedene Rhythmen und Trommelmuster spielen konnten. ⓘ
In der Renaissance begann man, die Dynamik der mechanischen Kräfte, wie die einfachen Maschinen genannt wurden, unter dem Gesichtspunkt zu untersuchen, wie viel nützliche Arbeit sie leisten konnten, was schließlich zum neuen Konzept der mechanischen Arbeit führte. Im Jahr 1586 leitete der flämische Ingenieur Simon Stevin den mechanischen Vorteil der schiefen Ebene ab, die zusammen mit den anderen einfachen Maschinen betrachtet wurde. Die vollständige dynamische Theorie der einfachen Maschinen wurde von dem italienischen Wissenschaftler Galileo Galilei im Jahr 1600 in Le Meccaniche ("Über die Mechanik") ausgearbeitet. Er war der erste, der verstand, dass einfache Maschinen keine Energie erzeugen, sondern sie lediglich umwandeln. ⓘ
Die klassischen Regeln der Gleitreibung in Maschinen wurden von Leonardo da Vinci (1452-1519) entdeckt, blieben aber in seinen Notizbüchern unveröffentlicht. Sie wurden von Guillaume Amontons (1699) wiederentdeckt und von Charles-Augustin de Coulomb (1785) weiter entwickelt. ⓘ
James Watt patentierte 1782 sein Parallelbewegungsgestänge, das die doppelt wirkende Dampfmaschine praktisch machte. Die Dampfmaschine von Boulton und Watt und spätere Konstruktionen trieben Dampflokomotiven, Dampfschiffe und Fabriken an. ⓘ
Die Industrielle Revolution war ein Zeitraum von 1750 bis 1850, in dem Veränderungen in der Landwirtschaft, der Fertigung, dem Bergbau, dem Transportwesen und der Technologie tiefgreifende Auswirkungen auf die sozialen, wirtschaftlichen und kulturellen Bedingungen dieser Zeit hatten. Sie begann im Vereinigten Königreich und breitete sich dann in Westeuropa, Nordamerika, Japan und schließlich in der ganzen Welt aus. ⓘ
Ab dem späten 18. Jahrhundert begann in Teilen Großbritanniens, die bis dahin von Handarbeit und Zugtieren lebten, der Übergang zur maschinellen Fertigung. Dies begann mit der Mechanisierung der Textilindustrie, der Entwicklung von Techniken zur Eisenherstellung und dem verstärkten Einsatz von veredelter Kohle. ⓘ
Einfache Maschinen
Die Idee, dass eine Maschine in einfache bewegliche Elemente zerlegt werden kann, veranlasste Archimedes, den Hebel, den Flaschenzug und die Schraube als einfache Maschinen zu definieren. Zur Zeit der Renaissance wurde diese Liste um Rad und Achse, Keil und schiefe Ebene erweitert. Der moderne Ansatz zur Charakterisierung von Maschinen konzentriert sich auf die Komponenten, die eine Bewegung ermöglichen, die so genannten Gelenke. ⓘ
Keil (Faustkeil): Das vielleicht erste Beispiel für ein Gerät zur Kraftübertragung ist die Faustkeilaxt, auch Biface und Olorgesailie genannt. Ein Faustkeil wird durch Abschlagen von Stein, in der Regel Feuerstein, hergestellt, um eine zweischneidige Schneide oder einen Keil zu bilden. Ein Keil ist eine einfache Maschine, die die seitliche Kraft und Bewegung des Werkzeugs in eine transversale Spaltkraft und Bewegung des Werkstücks umwandelt. Die verfügbare Kraft ist durch die Anstrengung der Person, die das Werkzeug benutzt, begrenzt, aber da die Kraft das Produkt aus Kraft und Bewegung ist, verstärkt der Keil die Kraft, indem er die Bewegung verringert. Diese Verstärkung oder der mechanische Vorteil ist das Verhältnis der Eingangsgeschwindigkeit zur Ausgangsgeschwindigkeit. Für einen Keil ist dies durch 1/tanα gegeben, wobei α der Spitzenwinkel ist. Die Flächen eines Keils werden als gerade Linien modelliert, um ein gleitendes oder prismatisches Gelenk zu bilden. ⓘ
Hebel: Der Hebel ist ein weiteres wichtiges und einfaches Mittel zur Steuerung der Kraft. Dabei handelt es sich um einen Körper, der sich um einen Drehpunkt dreht. Da die Geschwindigkeit eines Punktes, der weiter vom Drehpunkt entfernt ist, größer ist als die eines Punktes in der Nähe des Drehpunktes, werden Kräfte, die weit vom Drehpunkt entfernt wirken, in der Nähe des Drehpunktes durch die damit verbundene Verringerung der Geschwindigkeit verstärkt. Wenn a der Abstand zwischen dem Drehpunkt und dem Punkt ist, an dem die Eingangskraft angreift, und b der Abstand zu dem Punkt, an dem die Ausgangskraft angreift, dann ist a/b der mechanische Vorteil des Hebels. Der Drehpunkt eines Hebels wird als Scharnier- oder Drehgelenk modelliert. ⓘ
Das Rad: Das Rad ist eine wichtige frühe Maschine, z. B. der Streitwagen. Ein Rad nutzt das Gesetz des Hebels, um die Kraft zu verringern, die zum Überwinden der Reibung beim Ziehen einer Last erforderlich ist. Dies wird deutlich, wenn man bedenkt, dass die Reibung beim Ziehen einer Last auf dem Boden ungefähr der Reibung in einem einfachen Lager entspricht, das die Last auf der Achse eines Rades trägt. Das Rad bildet jedoch einen Hebel, der die Zugkraft so vergrößert, dass sie den Reibungswiderstand im Lager überwindet. ⓘ
Die Klassifizierung einfacher Maschinen als Strategie für die Konstruktion neuer Maschinen wurde von Franz Reuleaux entwickelt, der über 800 elementare Maschinen sammelte und studierte. Er erkannte, dass die klassischen einfachen Maschinen in Hebel, Riemenscheibe und Rad und Achse unterteilt werden können, die aus einem Körper bestehen, der sich um ein Scharnier dreht, sowie in schiefe Ebene, Keil und Schraube, die ebenfalls aus einem auf einer ebenen Fläche gleitenden Block bestehen. ⓘ
Einfache Maschinen sind elementare Beispiele für kinematische Ketten oder Verknüpfungen, die zur Modellierung mechanischer Systeme von der Dampfmaschine bis zu Robotermanipulatoren verwendet werden. Die Lager, die den Drehpunkt eines Hebels bilden und die Drehung des Rades und der Achse sowie der Riemenscheiben ermöglichen, sind Beispiele für ein kinematisches Paar, das als Scharniergelenk bezeichnet wird. Ebenso sind die ebene Fläche einer schiefen Ebene und der Keil Beispiele für ein kinematisches Paar, das als Gleitgelenk bezeichnet wird. Die Schraube wird in der Regel als ein eigenes kinematisches Paar bezeichnet, das als Schraubengelenk bezeichnet wird. ⓘ
Diese Erkenntnis zeigt, dass die Gelenke bzw. die Verbindungen, die die Bewegung ermöglichen, die wichtigsten Elemente einer Maschine sind. Ausgehend von vier Arten von Gelenken, dem Drehgelenk, dem Gleitgelenk, dem Nockengelenk und dem Zahnradgelenk, und den dazugehörigen Verbindungen wie Kabeln und Riemen, kann man eine Maschine als eine Baugruppe fester Teile verstehen, die diese Gelenke, den Mechanismus, verbinden. ⓘ
Zwei Hebel oder Kurbeln werden durch Anbringen eines Glieds, das den Ausgang der einen Kurbel mit dem Eingang der anderen verbindet, zu einem ebenen Gelenkviereck verbunden. Zusätzliche Glieder können angebracht werden, um ein sechsgliedriges Gestänge zu bilden, oder in Reihe geschaltet werden, um einen Roboter zu bilden. ⓘ
Mechanische Systeme
Ein mechanisches System verwaltet die Energie, um eine Aufgabe zu erfüllen, die Kräfte und Bewegung beinhaltet. Moderne Maschinen sind Systeme, die aus (i) einer Energiequelle und Aktuatoren, die Kräfte und Bewegungen erzeugen, (ii) einem System von Mechanismen, die den Aktuator-Eingang formen, um eine bestimmte Anwendung von Ausgangskräften und Bewegungen zu erreichen, (iii) einer Steuerung mit Sensoren, die den Ausgang mit einem Leistungsziel vergleichen und dann den Aktuator-Eingang steuern, und (iv) einer Schnittstelle zu einem Bediener, die aus Hebeln, Schaltern und Anzeigen besteht, bestehen. Dies ist an der Watt'schen Dampfmaschine zu erkennen, bei der die Kraft durch die Ausdehnung des Dampfes zum Antrieb des Kolbens bereitgestellt wird. Der Hubbalken, die Kupplung und die Kurbel wandeln die lineare Bewegung des Kolbens in die Drehung der Ausgangsscheibe um. Die Drehung der Riemenscheibe treibt schließlich den Flyball-Regler an, der das Ventil für die Dampfzufuhr zum Kolbenzylinder steuert. ⓘ
Das Adjektiv "mechanisch" bezieht sich auf die Fähigkeit zur praktischen Anwendung einer Kunst oder Wissenschaft und bezieht sich auf Bewegungen, physikalische Kräfte, Eigenschaften oder Wirkstoffe, wie sie in der Mechanik vorkommen. In ähnlicher Weise definiert das Merriam-Webster Dictionary den Begriff "mechanisch" im Zusammenhang mit Maschinen oder Werkzeugen. ⓘ
Der Kraftfluss durch eine Maschine bietet eine Möglichkeit, die Leistung von Geräten zu verstehen, die von Hebeln und Getriebezügen bis hin zu Autos und Robotersystemen reichen. Der deutsche Mechaniker Franz Reuleaux schrieb: "Eine Maschine ist eine Kombination von widerstandsfähigen Körpern, die so angeordnet sind, dass mit ihrer Hilfe die mechanischen Kräfte der Natur gezwungen werden können, Arbeit zu verrichten, die von einer bestimmten, festgelegten Bewegung begleitet wird. Man beachte, dass Kräfte und Bewegung zusammen eine Leistung definieren. ⓘ
McCarthy und Soh beschreiben eine Maschine als ein System, das "im Allgemeinen aus einer Kraftquelle und einem Mechanismus zur kontrollierten Nutzung dieser Kraft besteht". ⓘ
Kraftquellen
Menschliche und tierische Kraft waren die ursprünglichen Energiequellen für frühe Maschinen. ⓘ
Das Wasserrad: Wasserräder tauchten um 300 v. Chr. auf der ganzen Welt auf, um fließendes Wasser zur Erzeugung von Drehbewegungen zu nutzen, die zum Mahlen von Getreide und zum Antrieb von Holz-, Maschinen- und Textilbetrieben eingesetzt wurden. Moderne Wasserturbinen nutzen das Wasser, das durch einen Damm fließt, um einen Stromgenerator anzutreiben. ⓘ
Windmühlen: Frühe Windmühlen nutzten die Windenergie zur Erzeugung von Drehbewegungen für Mühlenbetriebe. Moderne Windturbinen treiben ebenfalls einen Generator an. Dieser Strom wird wiederum zum Antrieb von Motoren verwendet, die die Stellglieder mechanischer Systeme bilden. ⓘ
Motor: Das Wort Motor leitet sich von "Einfallsreichtum" ab und bezog sich ursprünglich auf Erfindungen, bei denen es sich um physikalische Geräte handeln kann oder auch nicht. Eine Dampfmaschine nutzt Wärme, um Wasser in einem Druckbehälter zum Sieden zu bringen; der expandierende Dampf treibt einen Kolben oder eine Turbine an. Dieses Prinzip ist in dem Äolipil des Hero von Alexandria zu sehen. Dies wird als externer Verbrennungsmotor bezeichnet. ⓘ
Ein Automotor wird als Verbrennungsmotor bezeichnet, weil er Kraftstoff (eine exotherme chemische Reaktion) in einem Zylinder verbrennt und die sich ausdehnenden Gase zum Antrieb eines Kolbens verwendet. Ein Düsentriebwerk verwendet eine Turbine, um Luft zu komprimieren, die mit Treibstoff verbrannt wird, so dass sie sich durch eine Düse ausdehnt, um einem Flugzeug Schub zu verleihen, und ist daher ebenfalls ein "Verbrennungsmotor". ⓘ
Kraftwerk: Die Wärme aus der Verbrennung von Kohle und Erdgas in einem Kessel erzeugt Dampf, der eine Dampfturbine antreibt, die einen Stromgenerator antreibt. Ein Kernkraftwerk nutzt die Wärme eines Kernreaktors zur Erzeugung von Dampf und elektrischem Strom. Dieser Strom wird über ein Netz von Übertragungsleitungen für den industriellen und privaten Gebrauch verteilt. ⓘ
Motoren: Elektromotoren verwenden entweder Wechsel- oder Gleichstrom, um eine Drehbewegung zu erzeugen. Elektrische Servomotoren sind die Antriebe für mechanische Systeme, von Robotersystemen bis hin zu modernen Flugzeugen. ⓘ
Fluidtechnik: Hydraulische und pneumatische Systeme verwenden elektrisch betriebene Pumpen, um Wasser bzw. Luft in Zylinder zu treiben, die eine lineare Bewegung ausführen. ⓘ
Elektrochemisch: Chemikalien und Materialien können ebenfalls Energiequellen sein. Sie können sich chemisch verbrauchen oder wieder aufgeladen werden müssen, wie dies bei Batterien der Fall ist, oder sie können Strom erzeugen, ohne ihren Zustand zu verändern, wie dies bei Solarzellen und thermoelektrischen Generatoren der Fall ist. In allen Fällen muss die Energie jedoch woanders herkommen. Bei Batterien ist es die bereits vorhandene chemische potenzielle Energie im Inneren. Bei Solarzellen und thermoelektrischen Generatoren ist die Energiequelle Licht bzw. Wärme. ⓘ
Mechanismen
Der Mechanismus eines mechanischen Systems setzt sich aus Komponenten zusammen, die als Maschinenelemente bezeichnet werden. Diese Elemente geben dem System eine Struktur und steuern seine Bewegung. ⓘ
Die strukturellen Komponenten sind im Allgemeinen die Rahmenelemente, Lager, Verzahnungen, Federn, Dichtungen, Befestigungselemente und Abdeckungen. Form, Beschaffenheit und Farbe der Abdeckungen bilden eine stilistische und funktionelle Schnittstelle zwischen dem mechanischen System und seinen Benutzern. ⓘ
Die Baugruppen, die die Bewegung steuern, werden auch "Mechanismen" genannt. Mechanismen werden im Allgemeinen als Zahnräder und Zahnradgetriebe klassifiziert, wozu auch Riemen- und Kettenantriebe, Nocken- und Mitnehmermechanismen und Gestänge gehören, obwohl es auch andere spezielle Mechanismen gibt, wie z. B. Klemmgestänge, Indexierungsmechanismen, Hemmungen und Reibungsvorrichtungen wie Bremsen und Kupplungen. ⓘ
Die Anzahl der Freiheitsgrade eines Mechanismus bzw. seine Beweglichkeit hängt von der Anzahl der Glieder und Gelenke und der Art der zur Konstruktion des Mechanismus verwendeten Gelenke ab. Die allgemeine Beweglichkeit eines Mechanismus ist die Differenz zwischen der unbeschränkten Freiheit der Glieder und der Anzahl der durch die Gelenke auferlegten Beschränkungen. Sie wird durch das Tschebychev-Grübler-Kutzbach-Kriterium beschrieben. ⓘ
Zahnräder und Räderwerke
Die Übertragung der Drehbewegung zwischen sich berührenden Zahnrädern geht auf den Mechanismus von Antikythera in Griechenland und den nach Süden weisenden Streitwagen in China zurück. Illustrationen des Renaissance-Wissenschaftlers Georgius Agricola zeigen Zahnräder mit zylindrischen Zähnen. Die Einführung der Evolventenverzahnung führte zu einer Standardgetriebekonstruktion, die ein konstantes Übersetzungsverhältnis bietet. Einige wichtige Merkmale von Zahnrädern und Getriebezügen sind:
- Das Verhältnis der Teilkreise der ineinandergreifenden Zahnräder bestimmt das Übersetzungsverhältnis und den mechanischen Vorteil des Zahnradsatzes.
- Ein Planetengetriebe bietet eine hohe Untersetzung in einem kompakten Paket.
- Es ist möglich, die Verzahnung von Zahnrädern so zu gestalten, dass sie nicht kreisförmig sind, aber dennoch ein gleichmäßiges Drehmoment übertragen.
- Das Übersetzungsverhältnis von Ketten- und Riemenantrieben wird auf die gleiche Weise berechnet wie das Übersetzungsverhältnis von Zahnrädern. Siehe Fahrradgangschaltung. ⓘ
Nocken- und Folgeantriebe
Ein Nockenschaltwerk wird durch den direkten Kontakt zweier speziell geformter Glieder gebildet. Das antreibende Glied wird als Nocken bezeichnet (siehe auch Nockenwelle) und das Glied, das durch den direkten Kontakt ihrer Oberflächen angetrieben wird, als Mitnehmer. Die Form der Berührungsflächen von Nocken und Mitnehmer bestimmt die Bewegung des Mechanismus. ⓘ
Gestänge
Ein Gestänge ist eine Ansammlung von Gliedern, die durch Gelenke verbunden sind. Im Allgemeinen sind die Glieder die Strukturelemente und die Gelenke ermöglichen die Bewegung. Das vielleicht nützlichste Beispiel ist das ebene Viergelenkgestänge. Es gibt jedoch noch viele weitere spezielle Gestänge:
- Das Watt'sche Gestänge ist ein Viergelenksystem, das eine annähernd gerade Linie erzeugt. Es war entscheidend für den Betrieb seiner Dampfmaschine. Dieses Gestänge kommt auch in Fahrzeugaufhängungen vor, um eine seitliche Bewegung der Karosserie im Verhältnis zu den Rädern zu verhindern. Siehe auch den Artikel Parallelbewegung.
- Der Erfolg des Watt'schen Gestänges führte zur Entwicklung ähnlicher, annähernd geradliniger Gestänge, wie z. B. des Hoeken'schen Gestänges und des Tschebyscheff'schen Gestänges.
- Das Peaucellier-Gestänge erzeugt aus einem rotierenden Eingang einen echten geradlinigen Ausgang.
- Das Sarrus-Gestänge ist ein räumliches Gestänge, das aus einem Dreheingang eine geradlinige Bewegung erzeugt.
- Das Klann-Gestänge und das Jansen-Gestänge sind neuere Erfindungen, die interessante Laufbewegungen ermöglichen. Es handelt sich dabei um ein sechsgliedriges bzw. achtgliedriges Gestänge. ⓘ
Planarer Mechanismus
Ein ebener Mechanismus ist ein mechanisches System, das so eingeschränkt ist, dass die Flugbahnen der Punkte in allen Körpern des Systems auf Ebenen liegen, die parallel zu einer Grundfläche verlaufen. Die Drehachsen der Scharniergelenke, die die Körper des Systems verbinden, stehen senkrecht zu dieser Grundplatte. ⓘ
Sphärischer Mechanismus
Ein Kugelmechanismus ist ein mechanisches System, bei dem sich die Körper so bewegen, dass die Flugbahnen der Punkte im System auf konzentrischen Kugeln liegen. Die Drehachsen der Scharniergelenke, die die Körper im System verbinden, gehen durch den Mittelpunkt dieser Kreise. ⓘ
Räumlicher Mechanismus
Ein räumlicher Mechanismus ist ein mechanisches System mit mindestens einem Körper, der sich so bewegt, dass seine Punktflugbahnen allgemeine Raumkurven sind. Die Drehachsen der Scharniergelenke, die die Körper im System verbinden, bilden Linien im Raum, die sich nicht schneiden und eindeutige gemeinsame Normalen haben. ⓘ
Biegemechanismen
Ein Biegemechanismus besteht aus einer Reihe starrer Körper, die durch nachgiebige Elemente (auch als Biegegelenke bezeichnet) miteinander verbunden sind, um bei Aufbringung einer Kraft eine geometrisch wohldefinierte Bewegung zu erzeugen. ⓘ
Maschinenelemente
Die elementaren mechanischen Komponenten einer Maschine werden als Maschinenelemente bezeichnet. Diese Elemente bestehen aus drei Grundtypen: (i) strukturelle Komponenten wie Rahmenteile, Lager, Achsen, Verzahnungen, Befestigungselemente, Dichtungen und Schmiermittel, (ii) Mechanismen, die die Bewegung auf verschiedene Weise steuern, z. B. Zahnradgetriebe, Riemen- oder Kettenantriebe, Gestänge, Nocken- und Folgesysteme, einschließlich Bremsen und Kupplungen, und (iii) Steuerungskomponenten wie Knöpfe, Schalter, Anzeigen, Sensoren, Aktoren und Computersteuerungen. Obwohl sie im Allgemeinen nicht als Maschinenelement betrachtet werden, sind Form, Beschaffenheit und Farbe von Abdeckungen ein wichtiger Teil einer Maschine, die eine gestalterische und betriebliche Schnittstelle zwischen den mechanischen Komponenten einer Maschine und ihren Benutzern bilden. ⓘ
Strukturelle Komponenten
Eine Reihe von Maschinenelementen erfüllt wichtige strukturelle Funktionen, wie z. B. der Rahmen, die Lager, die Verzahnung, die Feder und die Dichtungen.
- Mit der Erkenntnis, dass der Rahmen eines Mechanismus ein wichtiges Maschinenelement ist, wurde die Bezeichnung Dreigelenkgetriebe in Viergelenksgetriebe geändert. Gestelle werden im Allgemeinen aus Fachwerk- oder Balkenelementen zusammengesetzt.
- Lager sind Komponenten, die die Schnittstelle zwischen beweglichen Elementen verwalten und die Quelle der Reibung in Maschinen sind. Im Allgemeinen sind Lager für eine reine Rotation oder eine geradlinige Bewegung ausgelegt.
- Keilnuten und Passfedern sind zwei Möglichkeiten, um eine Achse zuverlässig an einem Rad, einer Riemenscheibe oder einem Getriebe zu befestigen, so dass ein Drehmoment über die Verbindung übertragen werden kann.
- Federn sorgen für Kräfte, die entweder Komponenten einer Maschine an ihrem Platz halten oder als Aufhängung dienen, um Teile einer Maschine zu stützen.
- Dichtungen werden zwischen zusammenpassenden Teilen einer Maschine verwendet, um sicherzustellen, dass Flüssigkeiten wie Wasser, heiße Gase oder Schmiermittel nicht zwischen den zusammenpassenden Oberflächen austreten.
- Befestigungselemente wie Schrauben, Bolzen, Federklammern und Nieten sind für die Montage von Maschinenkomponenten von entscheidender Bedeutung. Befestigungselemente gelten im Allgemeinen als lösbar. Im Gegensatz dazu erfordern Verbindungsmethoden wie Schweißen, Löten, Crimpen und das Auftragen von Klebstoffen in der Regel ein Zerschneiden der Teile, um die Komponenten zu demontieren. ⓘ
Steuerungen
Steuerungen kombinieren Sensoren, Logik und Aktoren, um die Leistung der Komponenten einer Maschine aufrechtzuerhalten. Das vielleicht bekannteste Beispiel ist der Flyball-Regler für eine Dampfmaschine. Beispiele für diese Geräte reichen von einem Thermostat, der bei steigender Temperatur ein Ventil für das Kühlwasser öffnet, bis hin zu Geschwindigkeitsreglern wie dem Tempomat in einem Auto. Die speicherprogrammierbare Steuerung ersetzte Relais und spezielle Steuerungsmechanismen durch einen programmierbaren Computer. Servomotoren, die eine Welle als Reaktion auf einen elektrischen Befehl genau positionieren, sind die Aktuatoren, die Robotersysteme ermöglichen. ⓘ
Computergestützte Maschinen
Charles Babbage entwarf 1837 Maschinen zur Berechnung von Logarithmen und anderen Funktionen. Seine Difference Engine kann als fortschrittliche mechanische Rechenmaschine und seine Analytical Engine als Vorläufer des modernen Computers betrachtet werden, obwohl keiner der größeren Entwürfe zu Babbages Lebzeiten fertig gestellt wurde. ⓘ
Das Arithmometer und das Comptometer sind mechanische Computer, die Vorläufer der modernen Digitalcomputer sind. Die Modelle, die zur Untersuchung moderner Computer verwendet werden, werden als Zustandsmaschine und Turing-Maschine bezeichnet. ⓘ
Molekulare Maschinen
Das biologische Molekül Myosin reagiert auf ATP und ADP, um sich abwechselnd mit einem Aktinfilament zu verbinden und seine Form so zu verändern, dass eine Kraft ausgeübt wird, und sich dann wieder zu lösen, um seine Form oder Konformation wiederherzustellen. Dies ist der molekulare Antrieb, der die Muskelkontraktion bewirkt. In ähnlicher Weise hat das biologische Molekül Kinesin zwei Abschnitte, die sich abwechselnd mit den Mikrotubuli verbinden und wieder lösen, so dass sich das Molekül entlang der Mikrotubuli bewegt und Bläschen innerhalb der Zelle transportiert, und Dynein, das die Ladung innerhalb der Zellen in Richtung des Zellkerns bewegt und das axonemale Schlagen der beweglichen Flimmerhärchen und Flagellen bewirkt. "In der Tat ist das bewegliche Zilium eine Nanomaschine, die aus vielleicht über 600 Proteinen in molekularen Komplexen besteht, von denen viele auch unabhängig als Nanomaschinen funktionieren. Flexible Linker ermöglichen es den durch sie verbundenen mobilen Proteindomänen, ihre Bindungspartner zu rekrutieren und über die Dynamik der Proteindomänen eine weitreichende Allosterie zu induzieren. "Andere biologische Maschinen sind für die Energieerzeugung zuständig, z. B. die ATP-Synthase, die Energie aus Protonengradienten über Membranen nutzt, um eine turbinenartige Bewegung anzutreiben, die zur Synthese von ATP, der Energiewährung einer Zelle, verwendet wird. Wieder andere Maschinen sind für die Genexpression verantwortlich, darunter DNA-Polymerasen für die Replikation der DNA, RNA-Polymerasen für die Produktion von mRNA, das Spleißosom für die Entfernung von Introns und das Ribosom für die Synthese von Proteinen. Diese Maschinen und ihre Dynamik im Nanomaßstab sind weitaus komplexer als alle molekularen Maschinen, die bisher künstlich hergestellt wurden. Diese Moleküle werden zunehmend als Nanomaschinen betrachtet. ⓘ
Forscher haben mit Hilfe der DNA viergliedrige Verbindungen im Nanobereich konstruiert. ⓘ
Auswirkungen
Mechanisierung und Automatisierung
Unter Mechanisierung oder Mechanisierung (BE) versteht man die Ausstattung von Menschen mit Maschinen, die sie bei der Bewältigung der muskulären Anforderungen der Arbeit unterstützen oder die Muskelarbeit ersetzen. In einigen Bereichen schließt die Mechanisierung den Einsatz von Handwerkzeugen ein. Im modernen Sprachgebrauch, z. B. im Ingenieurwesen oder in der Wirtschaft, impliziert Mechanisierung Maschinen, die komplexer sind als Handwerkzeuge, und umfasst keine einfachen Geräte wie z. B. eine Pferde- oder Eselsmühle ohne Zahnradgetriebe. Geräte, die eine Geschwindigkeitsänderung oder einen Wechsel von einer Hin- und Herbewegung zu einer Drehbewegung bewirken und dabei Mittel wie Zahnräder, Riemenscheiben, Riemenscheiben und Riemen, Wellen, Nocken und Kurbeln verwenden, werden normalerweise als Maschinen betrachtet. Nach der Elektrifizierung, als die meisten kleinen Maschinen nicht mehr von Hand angetrieben wurden, war Mechanisierung ein Synonym für motorisierte Maschinen. ⓘ
Automatisierung ist der Einsatz von Steuerungssystemen und Informationstechnologien, um den Bedarf an menschlicher Arbeit bei der Produktion von Waren und Dienstleistungen zu verringern. Im Rahmen der Industrialisierung ist die Automatisierung ein Schritt über die Mechanisierung hinaus. Während die Mechanisierung den Menschen Maschinen zur Verfügung stellt, die sie bei der Bewältigung der muskulären Anforderungen der Arbeit unterstützen, verringert die Automatisierung den Bedarf an menschlichen sensorischen und mentalen Anforderungen erheblich. Die Automatisierung spielt eine immer wichtigere Rolle in der Weltwirtschaft und in der täglichen Erfahrung. ⓘ
Automaten
Ein Automat (Plural: Automata oder Automaten) ist eine selbständig arbeitende Maschine. Der Begriff wird manchmal auch für einen Roboter verwendet, genauer gesagt für einen autonomen Roboter. Ein Spielzeug-Automat wurde 1863 patentiert. ⓘ
Mechanik
Usher berichtet, dass sich Hero von Alexandrias Abhandlung über Mechanik auf die Untersuchung des Hebens schwerer Gewichte konzentrierte. Heute bezieht sich die Mechanik auf die mathematische Analyse der Kräfte und Bewegungen eines mechanischen Systems und umfasst die Untersuchung der Kinematik und Dynamik dieser Systeme. ⓘ
Dynamik von Maschinen
Die dynamische Analyse von Maschinen beginnt mit einem Starrkörpermodell, um die Reaktionen an den Lagern zu bestimmen, wobei die Elastizitätseffekte einbezogen werden. Die Starrkörperdynamik untersucht die Bewegung von Systemen aus miteinander verbundenen Körpern unter der Einwirkung äußerer Kräfte. Die Annahme, dass die Körper starr sind, was bedeutet, dass sie sich unter der Einwirkung von Kräften nicht verformen, vereinfacht die Analyse, da die Parameter, die die Konfiguration des Systems beschreiben, auf die Verschiebung und Drehung der an jedem Körper angebrachten Bezugsrahmen reduziert werden. ⓘ
Die Dynamik eines Starrkörpersystems wird durch seine Bewegungsgleichungen definiert, die entweder aus den Newtonschen Bewegungsgesetzen oder der Lagrangeschen Mechanik abgeleitet werden. Die Lösung dieser Bewegungsgleichungen legt fest, wie sich die Konfiguration des Starrkörpersystems in Abhängigkeit von der Zeit verändert. Die Formulierung und Lösung der Starrkörperdynamik ist ein wichtiges Werkzeug für die Computersimulation mechanischer Systeme. ⓘ
Kinematik von Maschinen
Die dynamische Analyse einer Maschine erfordert die Bestimmung der Bewegung oder Kinematik ihrer Bestandteile, die als kinematische Analyse bezeichnet wird. Unter der Annahme, dass das System aus starren Komponenten besteht, können Rotations- und Translationsbewegungen mathematisch als euklidische oder starre Transformationen modelliert werden. Auf diese Weise lassen sich die Position, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung aller Punkte in einem Bauteil aus diesen Eigenschaften für einen Bezugspunkt sowie die Winkelposition, die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung des Bauteils bestimmen. ⓘ
Maschinenkonstruktion
Der Begriff Maschinenkonstruktion bezieht sich auf die Verfahren und Techniken, die in den drei Phasen des Lebenszyklus einer Maschine zum Einsatz kommen:
- Erfindung, die die Ermittlung eines Bedarfs, die Entwicklung von Anforderungen, die Konzepterstellung, die Entwicklung von Prototypen, die Fertigung und die Verifizierung umfasst;
- Performance Engineering umfasst die Verbesserung der Fertigungseffizienz, die Verringerung der Wartungs- und Instandhaltungsanforderungen, das Hinzufügen von Funktionen und die Verbesserung der Effektivität sowie Validierungstests;
- Recyceln ist die Phase der Stilllegung und Entsorgung und umfasst die Rückgewinnung und Wiederverwendung von Materialien und Komponenten. ⓘ
Definitionen
Begriffsgeschichte
Maschinen sind immer Produkte des Menschen. Aufgrund der antiken Bedeutung (vgl. „Deus ex machina“) wurde die Maschine bis in die Neuzeit hauptsächlich als Mittel zu einer Täuschung – dem Erzeugen unnatürlicher, also unmöglicher Effekte – und erst in zweiter Linie als Arbeitshilfe verstanden. ⓘ
In der Renaissance entwickelte sich ein genaueres Konzept über Mechanismen: Mechanismen sind Komplexe von Bauteilen, bei denen die Bewegung eines Elements zwangsläufig die Bewegung anderer Elemente bewirkt. Sie haben in der Regel bewegliche Komponenten und sind im Vergleich zum apparatus (dem ‚Werkzeug‘) erheblich komplexer. ⓘ
In dieser Zeit war ein Mechanismus primär ein Werk, eine Form von Getrieben, die Kräfte übertragen. Zu den kompliziertesten Mechanismen gehörte die Grande Complication (Große Komplikation) in mechanisch-automatischen Uhrwerken. In diesem Sinne ist auch der Mechanismus von Antikythera zu verstehen, ein antikes Artefakt, das die Himmelsmechanik nachbildete. ⓘ
In dieser Zeit bezeichnete auch Kunst (artes mechanicae) noch das Ingenieurwesen, und noch im 19. Jahrhundert wurden im Bergbau von Wasserkraft oder Pferden angetriebene Maschinen Bergmännische Kunst genannt. ⓘ
Mechanische Grundlagen: einfache Maschine und Automat
Die Entwicklung der klassischen Mechanik als wissenschaftliche Disziplin seit der Aufklärung führt dazu, nach den Grundelementen mechanischer Systeme zu suchen, im Sinne der ‚Atome‘, der Bauteile, die sich nicht weiter zerlegen lassen – angedacht wurde das schon von den antiken griechischen Ingenieuren (Aristoteles): So werden die einfachen Maschinen definiert, nämlich Seil und Stab, Rolle, Hebel, sowie schiefe Ebene (in der Antike noch die Schraube, die sich aber als Stab und schiefe Ebene modellieren lässt). ⓘ
Mehr oder weniger komplexe Mechanismen kommen in praktisch allen Ingenieurwissenschaften und technischen Disziplinen vor. Das Spektrum möglicher Maschinen reicht von einer einfachen Gerätschaft mit verbundenen, beweglichen Teilen (Mechanismen) bis zu sich über Kilometer erstreckenden komplexen Bauwerken (Anlagen). ⓘ
In der technischen Anwendung haben Maschinen meist einen Antrieb (zum Beispiel einen Motor), der mehr oder minder kontinuierlich Energie liefert. Mit dieser Energie arbeiten die Maschinen, weshalb sie Arbeitsmaschinen genannt werden. Der Motor und andere Maschinen, die verschiedene Energieformen in meist rotierende Bewegungsenergie umwandeln, werden als Kraftmaschinen bezeichnet. ⓘ
Weil die Maschine, wenn sie einen kontinuierlichen Antrieb hat, Arbeitsvorgänge in eine Folge wiederholbarer Schritte teilt, überschneidet sich ihre Bedeutung mit der des Automaten. Sie kann (unberechenbare) Handlungen von Menschen oder Tieren durch planbare Tätigkeiten (einen Algorithmus) ersetzen. Der αὐτόματος automatos, „der sich aus eigenem Willen bewegt“, ist ursprünglich ein auf Räderwerken aufgebautes, ebenfalls illusionistisches Spielzeug – er entspricht aber den mechanistischen Leitbildern der Aufklärung, die auch die Natur als zwangsläufige, determinierbare Abfolge zu erklären sucht. ⓘ
Entwicklung der Definition in der Industrialisierung
19. Jahrhundert:
Verbindungen widerstandsfähiger Körper, welche so eingerichtet sind, dass mittels ihrer mechanische Naturkräfte genötigt werden können, unter bestimmten Bewegungen zu wirken (Reuleaux).
Die Verbindung der Körper zu einer Maschine schließt nicht alle und jede Bewegung aus, sondern verhindert nur die für den Zweck der Maschine unnötigen und störenden Bewegungen, sodass die zweckmäßigen Bewegungen als die allein möglichen übrigbleiben. ⓘ
20. Jahrhundert:
Normungsbestrebungen gehen dahin, zwischen Maschine, Gerät, Apparat, Automat, Werkzeug, Instrument und Anlage zu unterscheiden:
- Maschine als vorrangig energie- oder kraftumsetzendes System oder Gebilde,
- eine einfache Maschine besteht nur aus einem oder sehr wenigen Elementen und kann häufig auch als Werkzeug bezeichnet werden
- eine Kraftmaschine stellt mechanische Energie (Bewegungsenergie) zur Verfügung
- eine Arbeitsmaschine nimmt mechanische Energie (Bewegungsenergie) auf
- Gerät als vorrangig signalumsetzendes oder informationsverarbeitendes technisches Gebilde,
- Apparat gleich vorrangig stoff- bzw. materieumsetzendes technisches Gebilde,
- Automat als Maschine, die vorgegebene Prozesse selbständig abarbeitet,
- Werkzeuge sind Vorrichtungen, die nicht eigenständig funktionieren, sondern entweder von Hand geführt werden oder Bestandteil von Maschinen sind,
- Instrumente sind Vorrichtungen, die nicht der Umsetzung von Arbeit dienen, sondern der Anzeige,
- Anlagen sind komplexe Systeme aus Maschinen, Apparaten, Geräten, Werkzeugen bzw. Instrumenten. ⓘ
Ende 20. Jahrhundert:
In Europa ist die Maschine in der Maschinen-Richtlinie definiert.
Infolge der Elektronisierung und Automatisierung im 20. Jahrhundert hat sich der Begriff der Maschine auf Computerprogramme ausgedehnt, mit denen Maschinen simuliert werden.
In der Ingenieurtechnik wird aber meist zwischen mechanischer Maschine und elektronischen Automaten unterschieden. ⓘ
Die Europäische Maschinen-Richtlinie als Definitionshilfe
Mit Hilfe der Richtlinie 2006/42/EG (Maschinenrichtlinie) wird ein einheitliches Schutzniveau zur Unfallverhütung für Maschinen beim Inverkehrbringen innerhalb des Europäischen Wirtschaftsraumes (EWR) sowie der Schweiz und der Türkei geregelt. Darin ist auch festgelegt, was als Maschine aufgefasst werden muss: Nach 2006/42/EG Artikel 2 Abs. a (bzw. Umsetzung in nationales Recht, durch 9. ProdSV § 2, Absatz 2) bezeichnet „Maschine“
- eine mit einem anderen Antriebssystem als der unmittelbar eingesetzten menschlichen oder tierischen Kraft ausgestattete oder dafür vorgesehene Gesamtheit miteinander verbundener Teile oder Vorrichtungen, von denen mindestens eines bzw. eine beweglich ist und die für eine bestimmte Anwendung zusammengefügt sind;
- eine Gesamtheit im Sinne des ersten Gedankenstrichs, der lediglich die Teile fehlen, die sie mit ihrem Einsatzort oder mit ihren Energie- und Antriebsquellen verbinden;
- eine einbaufertige Gesamtheit im Sinne des ersten und zweiten Gedankenstrichs, die erst nach Anbringung auf einem Beförderungsmittel oder Installation in einem Gebäude oder Bauwerk funktionsfähig ist;
- eine Gesamtheit von Maschinen im Sinne des ersten, zweiten und dritten Gedankenstrichs oder von unvollständigen Maschinen im Sinne des Buchstabens g, die, damit sie zusammenwirken, so angeordnet sind und betätigt werden, dass sie als Gesamtheit funktionieren;
- eine Gesamtheit miteinander verbundener Teile oder Vorrichtungen, von denen mindestens eines bzw. eine beweglich ist und die für Hebevorgänge zusammengefügt sind und deren einzige Antriebsquelle die unmittelbar eingesetzte menschliche Kraft ist. ⓘ
Eine Maschine ist als eigenständige Einheit im Wesentlichen unabhängig von der Umgebung funktionsfähig, während ihre Einzelkomponenten meist nicht unabhängig von der Maschine sinnvoll verwendbar sind. ⓘ
Nicht unter den Regelungsbereich der Maschinenrichtlinie fallen jedoch „Maschinen, deren einzige Kraftquelle die unmittelbar angewandte menschliche Arbeitskraft ist, mit Ausnahme von Maschinen, die zum Heben von Lasten verwendet werden, …“ (2006/42/EG Artikel I Absatz 2a). Diese Eingrenzung des Begriffes grenzt somit viele Geräte aus, die im alltagssprachlichen Sinne Maschinen sind. Im Verordnungstext werden noch weitere Ausnahmen und Ergänzungen definiert. ⓘ
Die Neufassung der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG führt daneben auch unvollständige Maschinen auf, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie dazu bestimmt sind, in eine andere Maschine oder andere unvollständige Maschinen eingebaut oder mit ihnen zusammengefügt zu werden, um zusammen mit ihnen eine Maschine im Sinne der Richtlinie zu bilden. ⓘ
Beispiele, mit den daraus folgenden zugehörigen Anforderungen der EU-Richtlinien:
- Eine Spannvorrichtung für Werkstücke, welche die Energie und die Signale von einer übergeordneten Maschine bezieht, ist keine Maschine.
Grund: keine Funktion ohne übergeordnete Maschine. (RL: Einbauerklärung) - Die Heugabel ist keine Maschine.
Grund: kein Anbau an Maschine (vorgesehener Gebrauch), keine beweglichen Teile, nur mit Muskelkraft betrieben, keine gespeicherte Energie. (RL: keine Kennzeichnung) ⓘ
Speziellere Definitionen
- Eine Maschine soll eine Aufgabe mechanisch erledigen und die Antriebsenergie in Bewegung umwandeln (= Kraftmaschine) mit entsprechender Kraftentfaltung auf die Abtriebs- bzw. Arbeitsseite der Maschine (= Arbeitsmaschine).
- Bearbeitung eines Materials (bohren, drehen, fräsen) mit exakter Festlegung der Bewegungen von Werkzeug und Werkstück: Maschine = Werkzeugmaschine.
- Maschine, die für einen speziellen Zweck konstruiert und gebaut wurde: Maschine = Sondermaschine
- Maschinen, deren Zweck die Umsetzung einer zugeführten Energie in Bewegung ist: Maschine = Motor
- Maschinen, die der Wiederherstellung von körperlichen Fähigkeiten dienen: Maschine = Prothese
- Maschinen, die in Gebäude eingebaut sind. Maschine = Anlage der Technischen Gebäudeausrüstung, z. B. Lüftungsanlagen, Aufzüge, Kältemaschinen, Klimaanlagen, Rückkühlwerke ⓘ
Maschinen in Mythologie und Literatur
- In der Literatur des Barock und der Romantik wurden auch Fabelwesen als Maschinen bezeichnet, in der Dichtung der Antike waren es oft die Fabelwesen, die den Mechanismus darstellten, welcher die Geschichte vorantrieb.
- Sozialwissenschaften und Psychologie nehmen mechanische Aspekte auf, um psychische oder soziale Sachverhalte als Maschinen vorzustellen, wie etwa der Philosoph Gilles Deleuze.
- Hephaistos, der Schmiedegott, soll mechanische Frauen aus Gold geschaffen haben, seine bekanntesten Schöpfungen sind die Pandora und der bronzene Riese Talos
- Rabbi Judah Löw soll einen künstlichen Menschen, den Golem, aus Lehm geschaffen haben, um die Prager Juden vor ihren Feinden zu schützen
- Ende des 18./Anfang des 19. Jahrhunderts wurde parallel zur technischen Revolution auch in der romantischen Literatur der künstliche Mensch zum Thema.
- Anfang des 20. Jahrhunderts hielt der Androide bzw. der Roboter Einzug in die Literatur, Isaac Asimov formulierte die „Roboter-Gesetze“, die einen Verhaltenscode für Automaten festlegen.
- Häufig taucht der Teufel im Märchen im Zusammenhang mit Mühlen und anderen technischen Gebilden auf, der Begriff „Teufelswerk“ wird oft bei der Einführung einer neuen Technologie genutzt.
- „Brauchbar ist eine Maschine erst dann, wenn sie von der Erkenntnis unabhängig geworden ist, die zu ihrer Erfindung führte.“ (Friedrich Dürrenmatt: Die Physiker – Gespräch zwischen Inspektor Voß und Newton (1. Akt)) ⓘ