物理基础知识在机械设计中的体现和应用

2017-11-21朱泊霖

环球市场信息导报 2017年36期

◎朱泊霖

物理基础知识在机械设计中的体现和应用

◎朱泊霖

在所有的制造业中，机械是一个基础，是大多数工业生产都需要的，其运行蕴含有众多物理知识点，比如力学、光学、电磁学等。本文阐述了几个常见的物理现象，分析其在机械设计中的应用，帮助同学们增加对学习物理的兴趣，感悟物理的无穷魅力。

社会在快速发展，科技在日新月异，知识在不断更新。机械，作为第一次工业革命的产物，在第二次工业革命中得到了更加长足的发展。但在人工智能的浪潮推动下，机械，在很多人的眼里有点“过气”了，但现实是，机械是所有工业的基础，其蕴含的物理知识点极为丰富，过去、现在和未来，都将是工业革命的主旋律。我们了解物理知识点在机械中的体现，是触摸最基础的工业，激发我们学习的兴趣。

关于功能知识的运用

人们在骑自行车上较陡的坡时，往往走“S”形路线，这是根据功的原理。坡长相当于斜面长，坡高相当于斜面高，根据功的原理:W1 =W2，即FL =Gh，可看出，斜面长L是斜面高h的几倍，所用的力F就是重力G的几分之一，所以，在高度h不变的情况下，斜面越长越省力，走“S”形路线是为了增大斜面长，从而能使用较小的力顺利上坡。

同样的道理，当人骑自行车下坡时，速度越来越快，是由于下坡时人和自行车的重力势能转化为人和自行车的动能；当人骑自行车上坡之前要紧蹬几下，目的是增大速度，来增大人和自行车的动能，这样上坡时动能转化为重力势能，能上得更高一些；

这个关于做功和距离的物理知识点，在机械设计中运用非常广泛。比如，早期吊装很重的设备，单纯的用力搬动难度很大，又没有新型工具，人们往往会使用多个圆形木棍垫在设备下，用力让木棍滚动带动设备移动。后来又使用一种叫“倒链”的工具，“倒链”就是定滑轮和动滑轮的组合，用铁链子做牵引，用增加距离的方法减少负重。

关于杠杆原理的运用

日常生活中，我们经常使用菜刀，菜刀在切菜的过程中，使用者在刀柄上施加动力，由刀刃下的被切物体提供阻力，刀在下压过程中阻力的力臂相应增大，同时阻力力矩也会同步增加，但是阻力力臂永远比动力臂小，故而在对被切割物理进行切割时十分轻松也很省力。菜刀其实就是一种非常常见的简单机械，是一种典型的省力杠杆。类似的还有农村使用的闸刀、在照相馆中使用的切纸刀等，都有着与切纸刀相同的设计思路，其工作原理都是应用的杠杆省力。

杠杆原理在机械中应用十分广泛，比如：机械臂，不仅出现在吊车、起重机塔等生产领域中，同时也出现在制造、军事、医疗和太空探索等领域中，如航天器所使用的机械臂。尽管机械臂相对来说较为复杂，但是其基本结构都是分为运动元件（驱动装置）、导向装置（方向掌控）和手臂（工作部件）这三大部分，手臂是其核心部件，不但能够执行具体的操作工作，同时也是部分管路和冷却与检测装置的安装部位。杠杆原理是机械臂的工作原理，是以力矩平衡为根据进行工作的，故而必须将“动力矩—阻力矩”满足。而如塔吊所吊重物力臂远比电机拉力力臂大的较为简单的机械臂为费力杠杆，相对更省距离。尽管机械臂十分复杂，但是其组成也是由一个个小且简单的杠杆构成的，是由人或电脑执行相关操作而开展工作的。机械臂能将人们的工作量减少，还能将高温、有毒环境中作业等危险工作代替人们完成，再加上可以自动控制，故而所应用的领域越来越广泛。

关于变速箱设计中的应用

我们的日常生活中到处都充满了机械，机械的运转为我们的生活带来了很大的便利。例如来来往往行驶而过的汽车，通过对汽车变速箱的分析也能够让我们对其中所应用的物理原理进行一定的了解。

变速箱的原理其实质便是曲线运动过程中的传动装置，借助不同半径的主动轮与从动轮的接触从而将最佳的速度比和动力性能达成。例如图1中，主动轮的半径为R1，转速为n1，从动轮的半径为R2，转速为n2，主动轮与从动轮借助静摩擦力或是齿轮咬合能够实现共同转动，而主动轮的中心轴连接着汽车的发动机，通过发动机能够带动主动轮的转动，而主动轮的转动也使从动轮同时转动。汽车的轮胎转轴连接着从动轮，当从动轮的转速变大时车速也会随之加快。此时，我们会不由自主地思考对从动轮转速产生影响的因素，而通过书本、资料的查询进行分析便能将该问题解决。

根据曲线运动，主动轮边缘的线速度为：

v1=w1R1=2πn1R1

从动轮边缘的线速度为：v2=w2R2=2πn2R2

通过上述公式可以得知，当主动轮的转速一定时，从动轮的转速是通过主动轮和从动轮的半径比值所决定的，比值越大那么从动轮输出的转速也就越大，反之，比值越小那么从动轮输出的转速也就越小。我们在通过思考对这些原理有了一定的了解后，就不再会觉得变速箱这一事物有多么的神秘了，而在了解了这个原理后也能使相关知识的掌握更加牢固、深化，进而提高自己的物理知识水平和应用能力。