生活中的彈簧

陳喜

對于彈簧，相信大家都不陌生.生活中我們常用到各種彈簧，如自動圓珠筆中的彈簧、拉力器中的彈簧、沙發中的彈簧等.彈簧存在于我們生活中的方方面面.小到手機、鐘表、電腦，大到輪船、飛機、坦克，其組件都離不開彈簧，彈簧之于機器設備就像“心臟”之于人體一樣重要.

彈簧在很久以前就已經出現并被應用了，比方說古代使用的弓以及弩就是兩種彈簧.現在所說的彈簧，在嚴格意義認定是英國的科學家胡克發明的.盡管那時候的螺旋壓縮彈簧非常簡陋，但是已經能夠滿足生活的基本需求，因此被群眾廣泛地使用.不過后來科學家提出了“胡克定律”，也就是彈簧的伸長數量和它所受到的外力在大小方面成正比趨勢.正是依靠這個理論，人們使用螺旋壓縮彈簧制造出測量力的工具，現在大家非常熟悉的彈簧測力計才得以問世.

彈簧有大有小，形態各異.常見的彈簧是螺旋形的，叫螺旋彈簧.彈簧測力計、擴胸器的彈簧都是螺旋彈簧.螺旋彈簧有長有短，有粗有細.有一種用來緊固螺母的彈簧墊圈，只有一圈，在緊固螺絲螺母時都離不開它.有的彈簧制成片形的或板形的，叫簧片或板簧.在口琴、手風琴里有銅制的發聲簧片，在許多電器開關中也有銅制的簧片，在玩具或鐘表里的發條是鋼制的板簧，在載重汽車車廂下方也有鋼制的板簧.有的彈簧像蚊香那樣盤繞，例如，電學測量儀表（電流表、電壓表）內，機械鐘表中都安裝了這種彈簧.這種彈簧在被扭轉時也會產生恢復原來形狀的傾向，也可以把它稱之為扭簧.

在生產生活中，彈簧的種類較多.按受力性質，彈簧可分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉彈簧和彎曲彈簧.按形狀可分為碟形彈簧、環形彈簧、板彈簧、螺旋彈簧、截錐渦卷彈簧以及扭桿彈簧等.其中碟形彈簧是法國人貝勒維爾發明的，是用金屬板料或鍛壓坯料而成的截錐形截面的墊圈式彈簧.除了碟形彈簧之外還出現了氣彈簧、橡膠彈簧、渦卷彈簧、模具彈簧、不銹鋼彈簧、空氣彈簧、記憶合金彈簧等新型彈簧.普通圓柱彈簧由于制造簡單，且可根據受載情況制成各種型式，結構簡單，故應用最廣.彈簧的制造材料一般來說應具有高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性及良好的熱處理性能等，常用的有碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、不銹彈簧鋼以及銅合金、鎳合金和橡膠等.彈簧的制造方法有冷卷法和熱卷法.彈簧絲直徑小于8毫米的一般用冷卷法，大于8毫米的用熱卷法.有些彈簧在制成后還要進行強壓或噴丸處理，以提高彈簧的承載能力.

目前，隨著鈦材的普及，鈦制品的產品越來越受到人們的喜愛，鈦彈簧具有高彈性、高強度、高塑性，和鋼制彈簧相比有較好的抗疲勞性，是一種理想的彈簧材料.與鋼彈簧相比，鈦彈簧具有重量輕、體積小和共振頻率高等優點，其密度和只有鋼簧的一半，而強度幾乎與鋼彈簧一樣.由于具有這些特點，在實際應用中可將鈦簧設計得比鋼簧直徑小、圈數少.一根鈦彈簧比相應的鋼彈簧輕3.06kg，對汽車中的四根支撐彈簧來說，可減輕12kg重左右.用鈦彈簧代替鋼彈簧可以輕而易舉地解決長期以來一直困擾著設計者們的鋼制彈簧太長、直徑太大、質量偏大等問題，而且鈦合金具有優異的抗腐蝕性能，所以，可以取消涂層，從而進一步降低質量.現在，一些跑車中已經使用了鈦彈簧.例如，鈦彈簧已在Ford Simon&Simon;賽車中使用兩年以上，減輕重量達36kg左右.

形形色色的彈簧在不同場合下發揮著不同的功能，下面就來談談彈簧具體的功能有哪些？

1.測量功能.我們知道，彈簧的工作原理是：在彈性限度內，彈簧的伸長（或壓縮）跟外力成正比，利用彈簧這一性質可制成彈簧測力計.在彈簧測力計中，主要部件就是彈簧.

2.緊壓功能.觀察各種電器開關會發現，開關的兩個觸頭中，必然有一個觸頭裝有彈簧，以保證兩個觸頭緊密接觸，使導通良好.如果接觸不良，接觸處的電阻變大，電流通過時產生的熱量變大，嚴重的還會使接觸處的金屬熔化.卡口燈頭的兩個金屬柱都裝有彈簧也是為了接觸良好；至于螺口燈頭的中心金屬片以及所有插座的接插金屬片都是簧片，其功能都是使雙方緊密接觸，以保證導通良好.在盒式磁帶中，有一塊用磷青銅制成的簧片，利用它彎曲形變時產生的彈力使磁頭與磁帶密切接觸.在訂書機中有一個長螺旋彈簧，它的作用一方面是頂緊訂書釘，另一方面是當最前面的釘被推出后，可以將后面的釘送到最前面以備釘書時推出，這樣，就能自動地將一個個釘推到最前面，直到釘全部用完為止.許多機器自動供料，自動步槍中的子彈自動上膛都靠彈簧的這種功能.此外，像夾衣服的夾子，圓珠筆、鋼筆套上的夾片都利用彈簧的緊壓功能夾在衣服上.

3.復位功能.彈簧在外力作用下發生形變，撤去外力后，彈簧就能恢復原狀.很多工具和設備都是利用彈簧這一性質來復位的.例如，許多建筑物大門的合頁上都裝了復位彈簧，人進出后，門會自動復位.人們還利用這一功能制成了自動傘、自動鉛筆等用品，十分方便.此外，各種按鈕、按鍵也少不了復位彈簧.

4.帶動功能.機械鐘表、發條玩具都是靠上緊發條帶動的.當發條被上緊時，發條產生彎曲形變，存儲一定的彈性勢能.釋放后，彈性勢能轉變為動能，通過傳動裝置帶動時、分、秒針或輪子轉動.在許多玩具槍中都裝有彈簧，彈簧被壓縮后具有勢能，扣動扳機，彈簧釋放，勢能轉變為動能，撞擊小球沿槍管射出.田徑比賽用的發令槍和軍用槍支也是利用彈簧被釋放后彈性勢能轉變為動能撞擊發令紙或子彈的引信完成發令或發火任務的.

5.緩沖功能.在機車、汽車車架與車輪之間裝有彈簧，利用彈簧的彈性來減緩車輛的顛簸.

6.振動發聲功能.當空氣從口琴、手風琴中的簧孔中流動時，沖擊簧片，簧片振動發出聲音.

說到了彈簧，我們有必要進一步認識一下彈力.彈力是由于物體發生彈性形變產生的力，推、拉、提、壓等形式中產生的力都是彈力.彈簧受力后發生形變，也會產生彈力.其因果關系是“外力——形變——彈力”.在初中階段，為了便于同學們自學和容易理解，一般從“外力——形變”的因果關系出發闡述原因，得出在一定范圍內，彈簧的伸長量跟其所受的拉力成正比.這個規律稱之為胡克定律.但在高中物理中，將改為從后一個因果關系出發，建立彈力與形變的關系.彈力產生的條件有兩個：一是兩物體互相接觸；二是物體發生彈性形變（包括人眼不能觀察到的微小形變）.需要注意的是：任何物體只要發生了彈性形變，就一定會對與它接觸的物體產生彈力.一旦超出彈性形變范圍，就會徹底失去彈力（即是超過了彈性限度，塑性物體除外）.

當然，生活中無處不在的彈簧給我們帶來了諸多便利，我們需要進一步認識它、研究它，讓它給我們帶來更大的可利用的價值.