創客教育材料漫談——緊固件

陳染

上一期，我們談到了創客教育的幾種常用黏合劑，它們可以很好地將不同的材料連接在一起。除了黏合劑，緊固件也可以將不同材料連接起來。機械設計中的緊固件是指將2個或多個機械元件緊固連接為一體的機械零件，它們的結構、尺寸、畫法、標記完全標準化，包括螺釘、螺母、鉚釘、銷、焊釘、墊圈7個基本類別。除了這7大類之外，創客教育中的緊固件還包括扣子、拉鏈、扎帶、夾子、魔術貼等生活中常用的材料，它們同樣具備將2個或多個結構連接起來的功能。

同樣用于材料的連接，緊固件和黏合劑的差別還是非常明顯的。從原理上看，黏合劑是通過分子層面的物理和化學作用，改變分子間的作用力將材料黏合起來；緊固件是利用宏觀的物理作用，通過摩擦力將材料固定起來。從用途上看，黏合劑通常只能用于剛性連接，連接的2個材料不能發生相對運動；緊固件不僅可以用于剛性連接，還可以用于鉸接，相連接的物體不能分離但能相對活動。從作用上看，大多數黏合材料只能1次使用，除非使用特殊的溶劑或工具，拆卸時容易對材料造成損傷；而大多數緊固件能夠多次拆卸而不損傷材料。

為了更好地描述創客教育中常用的緊固件，我們粗略將它分為銷釘材料、捆扎材料、壓夾材料、搭扣材料4個類型，并用創客案例分析它們的特點。

銷釘材料

機械設計中的銷釘是指用木制、金屬或其他材質制成的一類零件，銷釘呈圓柱形，也有一頭呈錐形的，它可以通過物體之間的圓孔或凹槽將2個物體緊固起來。在這里，我們將需要在物體表面開孔或制作凹槽進行緊固的材料都歸為銷釘材料，它包括鉚釘、螺絲、銷釘、法蘭等標準緊固件，也包括訂書釘、大頭釘、雞眼釘、兩腳釘、鉸鏈等常用創客制作材料。

使用銷釘材料進行固定時，我們需要考慮要連接的材料是否適合鉆孔或開槽；如果適合，需要開多大的孔或槽。選用釘子、螺絲、銷釘等標準件時，需要認真挑選材料的規格。以螺絲為例，材料上開孔的大小與螺絲外螺紋的直徑相關，你可以查閱螺絲規格表確定開孔大小。

使用銷釘材料不僅可以將物體進行剛性連接，有的銷釘材料還可以提供旋轉的自由度，鉸鏈是一個典型的例子。鉸鏈又叫合頁，它連接的兩個物體可以鉸鏈的軸為中心進行轉動，門窗的運動機構就是典型的鉸鏈。

銷釘材料在工業中使用十分廣泛，但在創客教育中卻受到一定限制。銷釘材料有一定危險性，對安全操作要求較高。例如，釘子、自攻螺絲、圖釘等材料具有尖銳的頭部，容易扎傷人，銷釘材料常常與錘子、螺絲刀、錐子、電鉆等配合使用，這些工具的不規范操作可能會造成嚴重后果。所以，在創客教育中銷釘材料的選擇不僅要考慮操作需要，更要考慮操作安全性。

科技學堂的創客案例“剪式升降機”便是一個運用銷釘材料的例子。“剪式升降機”使用的主要結構材料是帶孔冰棒棍，并用兩腳釘進行連接。與普通的冰棒棍相比，帶孔冰棒棍上自帶的5個孔很適合用銷釘材料進行緊固。兩腳釘在生活中不太常用，可能很多人對它不是很熟悉，它由1個釘頭和2個釘腳組成。跟其他銷釘材料相比，它的操作更加安全，只需將釘腳按進孔中，再將2個釘腳撐開就可以將2根帶孔冰棒棍緊固起來。兩腳釘還可以提供旋轉的自由度，2根冰棒棍可以旋轉而不分開，我們用它制作“剪式升降機”的轉軸。

捆扎材料

捆扎是另一種連接不同物體的方法，我們將捆綁和縫合都歸納為這個方法。捆扎的材料多是條形的繩狀材料，如繩子、紗線、橡皮筋、扎帶、打包帶、膠帶等。

捆扎簡單實用，但通過技法上的變化，捆扎也能產生千變萬化的藝術效果，最典型的例子就是扎染了。扎染是一種中國傳統的手工染色技術，它包括扎線和染色2個部分，用繩、紗、線等工具，將織物捆扎成不同的形狀進行印染，解開繩子之后，染色的部分就形成豐富的精美圖案。扎染的技法可以分為捆扎、縫絞和夾扎3大類，而細分出來的技法竟高達100多種，不同的技法組合可以創造出千變萬化、魅力無窮的效果，可以說是捆扎方法的極致發揮了。近年來，有一些學校嘗試將扎染藝術與數字化工具相結合，設計出了獨具一格的創客課程。

橡皮筋也是一種創客教育常用的材料，常出現在與彈力相關的制作中。與其他捆扎材料相比，橡皮筋本身有彈性，捆扎更加牢固，而且被捆扎的物體還可以進行一定角度的扭轉，松手之后便會在彈力的作用下復原到原來位置。我們可以利用這種性質，設計可回彈的裝置，科技學堂作品“筷子皮筋槍”就是這樣的一個例子。皮筋槍的扳機和槍身之問的固定部分就是用橡皮筋捆扎的，沒有扣動扳機的時候，扳機自然前伸；扣動扳機時，皮筋扭轉形變，作為子彈的橡皮筋彈出，松手時便會恢復原狀。

壓夾材料

根據摩擦力原理，物體的正壓力與最大靜摩擦力呈正比，增加正壓力可以讓物體保持靜止狀態，壓夾材料正是運用這個原理進行緊固的。常見的壓夾材料包括木夾、魚尾夾、回形針等，常與銷釘材料配合的螺母、墊圈等材料也屬于壓夾材料。

壓夾材料的作用相似，但原理卻各不相同。木夾、魚尾夾、別針等材料的正壓力來源于支點處的彈性形變，通過杠桿作用于被緊固物體上。同樣的彈性形變下，力臂越大，施加于物體上的壓力就越小，所以，木夾、魚尾夾、別針等材料只能用于材料邊緣的緊固。而螺母、墊圈等零件一般配合銷釘材料使用，它提供的正壓力來源于內外螺紋之間的壓力和摩擦力。

通常，我們把磁鐵視為磁性材料而非緊固材料，但在創客教育中我們卻可以利用磁鐵異極相吸的特點，為被緊固材料提供正壓力。這種方式對緊固的位置要求不高，可以彌補夾子和螺母的局限性。同時，磁鐵還可以提供移動的自由度，我們可以用磁鐵設計出可在平面上平移的作品。但磁鐵提供的壓力大小與磁鐵間的距離成反比，所以磁鐵材料作用的距離比較有限，并且只適用于非鐵質板材之間的固定。

科技學堂的“磁鐵小劇場”就是一個利用磁鐵進行緊固的作品。它是一個將動手做和繪本故事結合起來的教育工具，它的場景由紙板和卡通角色搭建而成，學生們可以在這個場景上演繹繪本故事，培養敘述能力。“磁鐵小劇場”的主角兔子先生的四肢粘貼了磁鐵，學生可以在背后用磁鐵控制它的動作，創作自己的故事。

搭扣材料

如果創客教育作品中的2個部件需要頻繁地組合和拆分，那么搭扣材料可能是一個比較合適的選擇。這一類材料在生活中非常常見，例如紐扣、拉鏈、魔術貼等，它們為創客教育提供了更多可能，看看這個案例怎樣用魔術貼改變創客教學。

魔術貼又叫尼龍搭扣，它由2條織物組成，一條織物上覆蓋著環狀結構，另一條織物上覆蓋著鉤狀結構，當環狀結構與鉤狀結構相結合，就能形成暫時緊固狀態。有的魔術貼背后覆蓋了膠帶，可以很方便地粘在平整的平面上。

“紙箱迷宮”是一個常見的創客教學案例，它設計簡單，制作難度適中，自由發揮的空間大，很受學校和教育機構的歡迎。與很多創客教育的作品一樣，紙箱迷宮的制作過程不需要太多的團隊協作，玩法也比較單一。但我們只需要在普通的紙箱迷宮上面多開一個出口，再加一個魔術貼，就可以將普通的紙箱迷宮變成雙人紙箱迷宮甚至多人紙箱迷宮，設計出一個團隊合作的游戲。

同樣是結構的連接，銷釘材料、捆扎材料、壓夾材料、搭扣材料各有不同的屬性和適用范圍。不同的材料不僅為創客制作提供了更多選擇，更為教育賦予了更多靈感，靈活運用它們，讓創客教育更多彩。

閱讀更多

在科技學堂公眾號（Sciclass）中回復關鍵詞“緊固件”，認識更多緊固件創客案例。