物理基礎知識在機械設計中的體現和應用

◎朱泊霖

物理基礎知識在機械設計中的體現和應用

◎朱泊霖

在所有的制造業中，機械是一個基礎，是大多數工業生產都需要的，其運行蘊含有眾多物理知識點，比如力學、光學、電磁學等。本文闡述了幾個常見的物理現象，分析其在機械設計中的應用，幫助同學們增加對學習物理的興趣，感悟物理的無窮魅力。

社會在快速發展，科技在日新月異，知識在不斷更新。機械，作為第一次工業革命的產物，在第二次工業革命中得到了更加長足的發展。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，但現實是，機械是所有工業的基礎，其蘊含的物理知識點極為豐富，過去、現在和未來，都將是工業革命的主旋律。我們了解物理知識點在機械中的體現，是觸摸最基礎的工業，激發我們學習的興趣。

關于功能知識的運用

人們在騎自行車上較陡的坡時，往往走“S”形路線，這是根據功的原理。坡長相當于斜面長，坡高相當于斜面高，根據功的原理: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化為人和自行車的動能；當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，這樣上坡時動能轉化為重力勢能，能上得更高一些；

這個關于做功和距離的物理知識點，在機械設計中運用非常廣泛。比如，早期吊裝很重的設備，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備下，用力讓木棍滾動帶動設備移動。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。

關于杠桿原理的運用

日常生活中，我們經常使用菜刀，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計思路，其工作原理都是應用的杠桿省力。

杠桿原理在機械中應用十分廣泛，比如：機械臂，不僅出現在吊車、起重機塔等生產領域中，同時也出現在制造、軍事、醫療和太空探索等領域中，如航天器所使用的機械臂。盡管機械臂相對來說較為復雜，但是其基本結構都是分為運動元件（驅動裝置）、導向裝置（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。盡管機械臂十分復雜，但是其組成也是由一個個小且簡單的杠桿構成的，是由人或電腦執行相關操作而開展工作的。機械臂能將人們的工作量減少，還能將高溫、有毒環境中作業等危險工作代替人們完成，再加上可以自動控制，故而所應用的領域越來越廣泛。

關于變速箱設計中的應用

我們的日常生活中到處都充滿了機械，機械的運轉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用的物理原理進行一定的了解。

變速箱的原理其實質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，轉速為n1，從動輪的半徑為R2，轉速為n2，主動輪與從動輪借助靜摩擦力或是齒輪咬合能夠實現共同轉動，而主動輪的中心軸連接著汽車的發動機，通過發動機能夠帶動主動輪的轉動，而主動輪的轉動也使從動輪同時轉動。汽車的輪胎轉軸連接著從動輪，當從動輪的轉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速產生影響的因素，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，當主動輪的轉速一定時，從動輪的轉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速也就越大，反之，比值越小那么從動輪輸出的轉速也就越小。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用能力。

圖1

機械設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雜其組成都是由簡單的基礎部件完成的，大部分機械在工作中都涉及了物理原理。在機械設計學習中，我們應仔細留意生活中的學問，將所學知識靈活的運用到生活和生產中，使自己所學知識更加牢固。

（作者單位：河南省登封市第一高級中學）