歡迎來到物料、組件與系統！
各位同學好！準備好深入了解物品是怎樣製造出來的嗎？這一章節的重點，就是設計的「材料」—— 我們使用的物料、搭建的結構，以及那些讓物品運作的巧妙機構。理解這些知識非常重要，因為選擇合適的物料或組件，可能就是成就一個傑出產品或導致徹底失敗的關鍵！想像一下，你就像一位科技界的大廚！學完這章後，你就會明白為甚麼電話是用玻璃和金屬製造，而不是木頭和橡膠，以及一個簡單的槓桿如何能賦予你超乎常人的力量。事不宜遲，我們馬上開始吧！
第一部分：選擇合適的物料
你所看到的每一件產品，都是由特定物料製成的，而這些物料的選擇都有其原因。設計師的工作就是為某個用途挑選最合適的物料。要做到這一點，我們必須先了解物料的特性。
物料特性與工作特性
你可以把物料特性想像成物料的「個性」。它堅固嗎？柔韌嗎？重嗎？接下來，我們就來逐一剖析一些關鍵的特性吧。
力學特性（物料受力時的表現）
強度：物料在受力時能抵抗破壞的能力。強度可細分為不同類型：
- 抗拉強度：抵抗被拉扯分開的力量（就像拔河時的繩索）。
- 抗壓強度：抵抗被壓扁的力量（就像混凝土柱）。
- 抗剪強度：抵抗滑動或剪切的力量（就像剪刀剪紙）。
硬度：抵抗刮花、凹陷或磨損的能力。例子：鑽石硬度極高，因此可以用來切割玻璃。
韌度：吸收能量和衝擊而不會斷裂或破損的能力。你可以把它想像成「脆性」的相反。例子：鎚子具高韌度，因此擊打釘子時不會碎裂。玻璃則沒有韌度（它很脆）。
延展性：在不折斷的情況下被拉成幼絲的能力。例子：銅的延展性非常好，這就是它非常適合用作電線的原因。
展性：在不折斷的情況下被錘打或滾壓成薄片的能力。例子：鋁箔就是一種極佳的具展性金屬。
彈性：被拉伸或彎曲後能恢復原有形狀的能力。例子：橡皮筋的彈性非常好。
剛度：抵抗彎曲或改變形狀的能力。它衡量的是使物料變形所需的力有多大。例子：鋼尺比膠尺的剛度高得多。
物料選擇如何影響設計
選擇物料不單只看其特性。這是一門講求平衡的藝術！
功能：這種物料是否勝任其功能？（例如：煎鍋需要良好導熱，所以我們使用金屬。）
美學：它看起來和摸起來怎麼樣？（例如：高級手錶可能會使用鈦金屬，以營造時尚、現代的外觀。）
成本：生產成本是否可負擔？（例如：塑膠被用於玩具，因為它便宜且易於塑形。）
製造：它是否容易塑形？（例如：有些金屬比其他金屬更容易焊接或鑄造。）
快速複習：關鍵術語
韌度 vs. 硬度：不要把這兩個概念混淆了！陶瓷刀非常硬（不易刮花）但沒有韌度（如果掉落會碎裂）。汽車保險桿則非常韌（能吸收撞擊）但不太硬（容易刮花）。
第一部分重點總結
選擇合適的物料是設計的核心技能。你必須平衡物料的特性（例如強度和硬度）與其他因素，如成本、外觀，以及其製造難易度，才能創造出成功的產品。
第二部分：物料與結構——如何打造堅固的結構！
現在我們對物料有了基本認識，接下來就來看看如何利用這些物料來建造能夠承受不同力度的穩定結構吧。想想看，橋樑、椅子或摩天大樓——它們都需要足夠的強度和剛度來達到其設計目的。
結構中的強度與剛度
讓我們深入一點，了解一些更技術性的概念。當我們對物料施加力（推力或拉力）時，它會經歷兩件事：
應力 (σ)：物料內部單位面積承受的力。你可以把它想像成在一個小空間內「擠壓」了多少力。公式是 力 / 面積。
應變 (ε)：物料變形或拉伸的程度，以其原始長度的百分比表示。你可以把它想像成物料的「伸展度」。公式是 長度變化 / 原始長度。
楊氏模量 (E) —— 剛度指標
這聽起來可能有點複雜，但它其實只是一個告訴我們物料剛度高低的數值。楊氏模量高表示物料非常堅硬（例如鋼），而楊氏模量低則表示它非常柔韌（例如橡膠）。
比喻：想像一下，拉伸一根細鋼絲和一條相同尺寸的橡皮筋。你只需要施加微小的力就能拉伸橡皮筋，但要拉伸鋼絲一點點，則需要大得多的力。因此，鋼的楊氏模量比橡膠高得多。
公式就是應力與應變的簡單比率：
$$E = \frac{\sigma}{\epsilon} = \frac{\text{Stress}}{\text{Strain}}$$別擔心，你通常不需要進行複雜的計算，但你必須理解這個概念：高楊氏模量 = 高剛度。
安全系數
工程師在設計時，總會讓物體比實際所需承受的強度高出許多。結構實際的強度與其預期最大承載負荷之間的比率，就稱為安全系數。例子：如果一部升降機設計載重為1000公斤，它實際可能建造能承受5000公斤。這就賦予它5的安全系數。這對於一旦失效便會造成災難性後果的物體至關重要，例如橋樑、飛機和升降機！
認識樑
樑是基本的結構部件。課程大綱主要涵蓋兩種主要類型：
簡支樑：樑的兩端都得到支撐。想像一下一塊木板橫跨小溪的情景。
懸臂樑：樑的一端固定，另一端自由。想像一下跳水板或陽台。
當你將載荷（一種力）施加在樑上時，它會產生內力：剪力和彎矩。設計師會使用圖表來可視化這些力，以確保樑足夠堅固。
快速了解剪力圖與彎矩圖 (SFD & BMD)
這部分可能有些棘手，所以讓我們盡量簡化。這些圖表是用來顯示樑沿其長度方向上內力強度的圖像。
剪力圖 (SFD)：顯示試圖垂直剪斷樑的力量。
彎矩圖 (BMD)：顯示試圖使樑彎曲的力量。此圖的峰值顯示了樑最有可能因彎曲而斷裂的位置。
在你的考試中，你應該能夠辨認簡單的簡支樑和懸臂樑在承受集中載荷（施加在單一點上的力）時，這些圖表的基本形狀。
第二部分重點總結
結構的設計是為了安全地管理各種力。關鍵概念包括應力（內部作用力）和應變（變形）。楊氏模量則衡量物料的剛度。設計師會利用剪力圖和彎矩圖等工具來分析樑，並應用安全系數以確保產品的安全。
第三部分：機構——讓工作變得更輕鬆
機構是巧妙的系統，能將輸入的力和運動轉化為所需的輸出力和運動。它們的存在就是為了讓工作變得更輕鬆！你可以把它們想像成「力量放大器」。
機械利益 (MA)
這告訴你一個機構能將你的力放大多少倍。如果一個機構的機械利益是5，這意味著你每輸入1牛頓的力（施力），就能輸出5牛頓的力（負載）！
實際例子：汽車千斤頂。你施加一個小小的力，就能舉起一輛沉重的汽車。這就是高機械利益的體現！
$$ \text{Mechanical Advantage (MA)} = \frac{\text{Load}}{\text{Effort}} $$速度比 (VR)
物理學中沒有免費的午餐！為了獲得力量的放大，你必須犧牲一些東西——那就是距離。速度比告訴你施力點移動的距離相對於負載移動的距離多了多少。
實際例子：使用汽車千斤頂時，你需要將手柄大幅度地上下移動，才能讓汽車僅僅提升一點點。這就是高速度比的體現。
$$ \text{Velocity Ratio (VR)} = \frac{\text{Distance moved by Effort}}{\text{Distance moved by Load}} $$效率
在一個理想世界中，機械利益會等於速度比。但實際上，總會有部分能量因摩擦等因素而損失。效率告訴我們，我們輸入的功有多少被轉化為有用的輸出功。
達到100%的效率是不可能的。大多數機器裝置的效率通常介乎50%至95%之間。
$$ \text{Efficiency} (\%) = \frac{\text{Mechanical Advantage (MA)}}{\text{Velocity Ratio (VR)}} \times 100\% $$常見錯誤提示！
學生經常會混淆機械利益 (MA) 和速度比 (VR)。請記住：
- 機械利益 (MA) 關乎力（負載 / 施力）。
- 速度比 (VR) 關乎距離（施力點移動距離 / 負載移動距離）。
扭矩
扭矩簡而言之就是一種轉動或扭轉的力。當你用扳手擰緊螺母，或轉動門把手時，你施加的就是扭矩。
它取決於兩件事：你施加了多少力，以及你施力點距離支點有多遠。
$$ \text{Torque} = \text{Force} \times \text{Perpendicular Distance from Pivot} $$這就是為甚麼用長扳手更容易擰鬆緊固的螺母——你增加了力臂距離，因此只需要較小的力就能產生相同的扭矩！
第三部分重點總結
機構透過操控力和距離來幫助我們完成工作。機械利益 (MA) 是力的放大倍數，速度比 (VR) 是距離上的取捨，而效率則告訴我們有多少能量在過程中損耗。扭矩則是轉動力的量度。
第四部分：新型及智能物料——未來已來！
這些是經過特別設計的先進物料，通常具有獨特的特性。有些甚至能對其周圍環境作出反應！它們正處於科技和設計的最前沿。
你應該知道的例子：
太陽能電池板（光伏）：將太陽光直接轉化為電能。由半導體材料如矽製成。
耐熱陶瓷：這些陶瓷具有極高的耐熱性。用於穿梭機的隔熱瓦片，在重返大氣層時提供保護。
液晶顯示器 (LCD)：你的電話、電視和計算機屏幕就是用這種材料製造的！液晶體是一種奇特的物質狀態（介於液體和固體之間），可以透過電力來控制，使其阻擋或通過光線。
碳纖維：極其堅固且輕巧。它是一種將碳纖維線編織在一起並固定在堅硬塑膠（聚合物）中的織物。用於高性能運動器材，如網球拍和賽車，以及超級跑車和飛機。
納米物料：在分子或原子尺度（那是超級、超級微小！）上設計的物料。這可以賦予它們驚人的特性。例子包括自潔玻璃和防水衣物。
形狀記憶合金 (SMA)：這些是「神奇」的金屬。你可以將它們彎曲變形，而當你加熱它們時，它們會「記憶」並彈回原始形狀！用於牙齒矯正器（口腔的熱量有助於它們施加恆定力）和動脈支架等。
你知道嗎？
形狀記憶合金是在美國海軍軍械實驗室一次意外中被發現的。一位研究員彎曲了一塊合金樣本，然後試圖用他的煙斗打火機加熱它，結果對它彈回原始形狀感到非常驚訝！
第四部分重點總結
新型及智能物料為設計師提供了無限的可能。從發電（太陽能電池板）到超級堅固輕巧（碳纖維），甚至能「記憶」形狀（形狀記憶合金），這些物料正在以嶄新而令人興奮的方式解決舊有問題。
課程到此為止了！你已經掌握了物料、結構和機構的基本知識。記住要把這些概念與現實世界的產品連結起來。你越是留意身邊的物料和系統，就越能透徹理解這些原理。你一定做到㗎！