減壓式變形陀螺筆的結構設計

馮 嫦 劉慶倫 劉 婷 吳騰生 梁超然 黎 錦

（中山火炬職業技術學院裝備智造學院，廣東 中山528436）

1 概述

筆主要用于學習文化科學知識，是人類的一大發明。筆是生活中不可缺少的文化用品，記錄著人類文化工具，在人類社會發展中起到非常重要的作用。大多通過筆尖將帶有顏色的固體或液體（墨水）在紙上或其他固體表面繪制符號或圖畫，也有利用固體筆尖的硬度比書寫表面大的特性在表面刻出符號或圖畫。中國最早的娛樂項目——陀螺，也叫作陀羅，閩南語稱作“干樂”。傳統古陀螺大致是木或鐵制的倒圓錐形，現代已有各式各樣的材質與形狀出現。而隨著時間的演變，陀螺也有了嶄新的樣式與玩法，是許多人共同的心靈記憶，更洋溢真摯的鄉土情懷，也是童玩游戲之一，陪伴許多人的童年。陀螺的種類很多，有紙陀螺、銅錢陀螺、線軸陀螺、竹陀螺、塑膠類陀螺、金屬陀螺、木制陀螺乃至發展至今的手上玩物——指尖陀螺。

本文通過將筆和陀螺合二為一，重新進行結構的設計，讓人們在緊張工作之余，可以通過兒時玩伴然后進行適當的放松，讓休息時間變得更加有趣和充滿愉快的回憶。

2 減壓式變形陀螺筆的結構設計

手指陀螺是由一個雙向或多向的對稱體作為主體，在主體中間嵌入一個軸承的設計組合，整體構成一個可平面轉動的裝置，也可以在雙向或多向的對稱體鑲嵌上相同重量的配置。根據離心力的原理當物體在做非直線運動時（非牛頓環境，例如圓周運動），因物體一定有本身的質量存在，質量造成的慣性會強迫物體繼續朝著運動軌跡的切線方向（原來那一瞬間前進的直線方向）前進，使得指旋陀螺在配置的離心力做用下，帶動中間軸承高速旋轉。

離心力大小計算公式：

m：質量，v：速度，r：離心運動半徑；

從這個公式可以得出，當質量和速度越大，半徑越小，離心力則越大，此時陀螺旋轉越快，所以我們在本設計中通過調整半徑大小，調整離心力大小。

減壓式變形陀螺筆的結構由筆帽、筆身磁環、指尖陀螺、筆尖蓋、筆尖帽五個結構組成。筆身磁環是與筆帽、筆尖帽、筆夾相連接，其磁環的內孔要與筆帽、筆尖帽、筆夾的5 毫米直徑外圓配合成過度配合。筆身磁環與指尖陀螺（兩端）、筆尖帽相吸住，其外圓直徑相等，兩端面要求與軸心垂直。其他的不做技術要求，精度要求不高。筆尖塞與筆夾帽內孔連接，筆尖塞直徑為4 毫米外圓與筆尖塞4 毫米直徑內孔過盈配合，材料設計選擇為軟橡膠、化合軟橡膠，顏色為黑色或透明色。

圖1 減壓式變形陀螺筆三維結構圖

通過每段磁環連接在一起，每段磁環是可以獨立的，可以隨意組合數量，中間位置有一個指尖陀螺。當人們精神比較緊張或者疲倦時，可以通過磁環自由組合形狀或者指尖陀螺進行短暫休息，磁環的組合形狀變換是多樣的。

圖2 減壓式變形陀螺筆剖面結構圖

指尖陀螺設計采用軸承工作原理，包含了外圈、滾珠套、主蓋、內圈、滾珠和上下蓋。選擇直徑為4mm 滾珠，外圈輪廓選擇六邊形，增強立體感，所有的倒角處都為圓角R0.5，防止刮傷事件。上下蓋選擇圓形，圓形在內圈滾珠的帶動下，運動會更流暢，視覺上會讓人感覺更輕松。

筆身兩端設有磁環，筆夾蓋與磁環相吸一段也設有磁環，兩端面在設計要求上公差要求是要保證同軸度，使內置筆書寫方便。而在材料方面，要求較高，要求用磁性較好的磁鐵，如銣磁鐵、強磁鐵、鈷磁鐵。色彩為黃棕色、紅棕色或銀白色。

變形陀螺筆可以用于觸控手機、電腦等電子設備的屏幕。隨著互聯網APP 的開發，現在的電容筆已不簡單是替代手指操控功能，越來越多的專業人士已經使用主動式電容筆在移動設備上進行工作，如：筆記記錄、繪畫創作、文檔標準，繪畫等。同時在其筆尾上在結構設計也可以換成熒光物質的熒光筆頭，到了灰暗的地方就會發出亮光，將其轉動起來，就更加色彩奪目。熒光的發光原理是物質吸收光照或者其他電磁輻射后發出的光。

許多物質都可產生熒光現象，但并非都可用作熒光色素，常用的熒光色素有：異硫氰酸熒光素、四乙基羅丹明、四甲基異硫氰酸羅丹明、藻紅蛋白。只有那些能產生明顯的熒光并能作為染料使用的有機化合物才能稱為免疫熒光色素或熒光染料。因此我們要選擇對身體健康無害的熒光色素。

圖3 筆芯視圖

圖4 小匕首造型圖

筆尖帽與筆尖蓋相類似，是與筆身磁環相連接，其5 毫米直徑的外圓要與筆身磁環的內孔配合成過度配合，直徑為4 毫米的內孔與筆尖塞形成過盈配合，此設計的配合關系利于平時不使用時合上筆尖部分，防止扎人事件產生，通過筆身自由組合也可以變出不同造型。

3 結論

本文介紹的變形陀螺筆是一只神奇的筆、百變造型的筆，在有壓力下時可以使人降壓，大人、小孩、青年都能用，機構簡單，可玩可用。該設計具有一定的實際使用價值。