◎朱泊霖

物理基礎(chǔ)知識在機械設(shè)計中的體現(xiàn)和應(yīng)用

◎朱泊霖

在所有的制造業(yè)中，機械是一個基礎(chǔ)，是大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)都需要的，其運行蘊含有眾多物理知識點，比如力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等。本文闡述了幾個常見的物理現(xiàn)象，分析其在機械設(shè)計中的應(yīng)用，幫助同學(xué)們增加對學(xué)習(xí)物理的興趣，感悟物理的無窮魅力。

社會在快速發(fā)展，科技在日新月異，知識在不斷更新。機械，作為第一次工業(yè)革命的產(chǎn)物，在第二次工業(yè)革命中得到了更加長足的發(fā)展。但在人工智能的浪潮推動下，機械，在很多人的眼里有點“過氣”了，但現(xiàn)實是，機械是所有工業(yè)的基礎(chǔ)，其蘊含的物理知識點極為豐富，過去、現(xiàn)在和未來，都將是工業(yè)革命的主旋律。我們了解物理知識點在機械中的體現(xiàn)，是觸摸最基礎(chǔ)的工業(yè)，激發(fā)我們學(xué)習(xí)的興趣。

關(guān)于功能知識的運用

人們在騎自行車上較陡的坡時，往往走“S”形路線，這是根據(jù)功的原理。坡長相當(dāng)于斜面長，坡高相當(dāng)于斜面高，根據(jù)功的原理:W1 =W2，即FL =Gh，可看出，斜面長L是斜面高h的幾倍，所用的力F就是重力G的幾分之一，所以，在高度h不變的情況下，斜面越長越省力，走“S”形路線是為了增大斜面長，從而能使用較小的力順利上坡。

同樣的道理，當(dāng)人騎自行車下坡時，速度越來越快，是由于下坡時人和自行車的重力勢能轉(zhuǎn)化為人和自行車的動能；當(dāng)人騎自行車上坡之前要緊蹬幾下，目的是增大速度，來增大人和自行車的動能，這樣上坡時動能轉(zhuǎn)化為重力勢能，能上得更高一些；

這個關(guān)于做功和距離的物理知識點，在機械設(shè)計中運用非常廣泛。比如，早期吊裝很重的設(shè)備，單純的用力搬動難度很大，又沒有新型工具，人們往往會使用多個圓形木棍墊在設(shè)備下，用力讓木棍滾動帶動設(shè)備移動。后來又使用一種叫“倒鏈”的工具，“倒鏈”就是定滑輪和動滑輪的組合，用鐵鏈子做牽引，用增加距離的方法減少負重。

關(guān)于杠桿原理的運用

日常生活中，我們經(jīng)常使用菜刀，菜刀在切菜的過程中，使用者在刀柄上施加動力，由刀刃下的被切物體提供阻力，刀在下壓過程中阻力的力臂相應(yīng)增大，同時阻力力矩也會同步增加，但是阻力力臂永遠比動力臂小，故而在對被切割物理進行切割時十分輕松也很省力。菜刀其實就是一種非常常見的簡單機械，是一種典型的省力杠桿。類似的還有農(nóng)村使用的閘刀、在照相館中使用的切紙刀等，都有著與切紙刀相同的設(shè)計思路，其工作原理都是應(yīng)用的杠桿省力。

杠桿原理在機械中應(yīng)用十分廣泛，比如：機械臂，不僅出現(xiàn)在吊車、起重機塔等生產(chǎn)領(lǐng)域中，同時也出現(xiàn)在制造、軍事、醫(yī)療和太空探索等領(lǐng)域中，如航天器所使用的機械臂。盡管機械臂相對來說較為復(fù)雜，但是其基本結(jié)構(gòu)都是分為運動元件（驅(qū)動裝置）、導(dǎo)向裝置（方向掌控）和手臂（工作部件）這三大部分，手臂是其核心部件，不但能夠執(zhí)行具體的操作工作，同時也是部分管路和冷卻與檢測裝置的安裝部位。杠桿原理是機械臂的工作原理，是以力矩平衡為根據(jù)進行工作的，故而必須將“動力矩—阻力矩”滿足。而如塔吊所吊重物力臂遠比電機拉力力臂大的較為簡單的機械臂為費力杠桿，相對更省距離。盡管機械臂十分復(fù)雜，但是其組成也是由一個個小且簡單的杠桿構(gòu)成的，是由人或電腦執(zhí)行相關(guān)操作而開展工作的。機械臂能將人們的工作量減少，還能將高溫、有毒環(huán)境中作業(yè)等危險工作代替人們完成，再加上可以自動控制，故而所應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛。

關(guān)于變速箱設(shè)計中的應(yīng)用

我們的日常生活中到處都充滿了機械，機械的運轉(zhuǎn)為我們的生活帶來了很大的便利。例如來來往往行駛而過的汽車，通過對汽車變速箱的分析也能夠讓我們對其中所應(yīng)用的物理原理進行一定的了解。

變速箱的原理其實質(zhì)便是曲線運動過程中的傳動裝置，借助不同半徑的主動輪與從動輪的接觸從而將最佳的速度比和動力性能達成。例如圖1中，主動輪的半徑為R1，轉(zhuǎn)速為n1，從動輪的半徑為R2，轉(zhuǎn)速為n2，主動輪與從動輪借助靜摩擦力或是齒輪咬合能夠?qū)崿F(xiàn)共同轉(zhuǎn)動，而主動輪的中心軸連接著汽車的發(fā)動機，通過發(fā)動機能夠帶動主動輪的轉(zhuǎn)動，而主動輪的轉(zhuǎn)動也使從動輪同時轉(zhuǎn)動。汽車的輪胎轉(zhuǎn)軸連接著從動輪，當(dāng)從動輪的轉(zhuǎn)速變大時車速也會隨之加快。此時，我們會不由自主地思考對從動輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響的因素，而通過書本、資料的查詢進行分析便能將該問題解決。

根據(jù)曲線運動，主動輪邊緣的線速度為：

v1=w1R1=2πn1R1

從動輪邊緣的線速度為：v2=w2R2=2πn2R2

通過上述公式可以得知，當(dāng)主動輪的轉(zhuǎn)速一定時，從動輪的轉(zhuǎn)速是通過主動輪和從動輪的半徑比值所決定的，比值越大那么從動輪輸出的轉(zhuǎn)速也就越大，反之，比值越小那么從動輪輸出的轉(zhuǎn)速也就越小。我們在通過思考對這些原理有了一定的了解后，就不再會覺得變速箱這一事物有多么的神秘了，而在了解了這個原理后也能使相關(guān)知識的掌握更加牢固、深化，進而提高自己的物理知識水平和應(yīng)用能力。

圖1

機械設(shè)計中所蘊含的物理知識極為豐富，但是機械裝備無論多么復(fù)雜其組成都是由簡單的基礎(chǔ)部件完成的，大部分機械在工作中都涉及了物理原理。在機械設(shè)計學(xué)習(xí)中，我們應(yīng)仔細留意生活中的學(xué)問，將所學(xué)知識靈活的運用到生活和生產(chǎn)中，使自己所學(xué)知識更加牢固。

（作者單位：河南省登封市第一高級中學(xué)）