传统农具中的力学原理

西北工业大学 张亚辉

近年来，家乡的农业生产机械化水平以超乎想象的速度普及开来，过去沿袭千百年的“耕牛+人力”的生产模式被彻底改变，曾经要一家人起早贪黑忙好几天的活，如今依靠大型机械短时间便能解决。我忽然意识到这样一个事实：我们这一代农村青年已经成了一些传统农具的最后一批使用者与见证者。

为作纪念，我分析了陕西关中地区常见的几种传统农具在使用过程中的力学原理。

可拆卸式复杂曲线割麦专用镰刀

在小麦收割过程中，麦秆干硬、收割强度大、时间集中等因素对镰刀刀刃的硬度提出了严苛要求，限于传统加工水平及经济条件，一般采用含碳量较高的硬脆钢制造刀片。即便如此，在割麦过程中，刀刃依然磨损得很快。若刀片和刀把为一体化连接，频繁淘汰刀片的同时也会淘汰掉服役状态良好的刀把，显然会造成极大浪费。因此，割麦专用镰刀可拆卸式的构造可以兼顾经济性及生产效率，如图1。

图1 可拆卸式复杂曲线割麦专用镰刀

如图2所示，将刀把设计为曲线的主要原因有两点。

一是提高刀把末端的施力点以缓解割麦人的疲劳。在传统农业生产中，要求收割的麦秆越长越好，即留在地里的麦茬越短越好。因为收割的麦秆可以作为牲口饲料，留下的麦茬能为接下来播种玉米提供便利。在这种情况下，割麦时要求刀刃越低越好。显然，对直线刀把而言，施力路径应沿图2中的虚线方向，需要割麦人最大限度地弯腿、弯腰，在夏季烈日暴晒的环境下，极易导致割麦人疲劳。将刀把设计为曲线时，可显著提高刀把末端的施力点，使割麦人腿部舒展，从而利于缓解疲劳。

图2 割麦示意图

二是降低刀片打滑割伤手的风险。若使用直线刀把，在不断重复的割麦过程中，割麦人由于过度疲劳，会无意识地抬腿伸腰，从而使握持端施力点上升，此时，刀片与麦秆之间的钝角进一步增大，加之麦秆干硬，容易打滑而割伤手。对曲线刀把而言，当在刀把末端施以力F时，由于握持端施力点和刀刃着力点不在同一个水平面上，使得镰刀沿刀刃着力点产生一个向下的“低头力矩”，该力矩可以使刀片与麦秆之间的钝角减小，更趋近于垂直，从而减少打滑的风险，保证了割麦人的安全。

基于涡流效应的除尘去杂质簸箕

基于涡流效应的除尘去杂质簸箕主要用于分离粮食颗粒与轻质杂质（如树叶、麦穗壳、尘土等），其实物及使用原理如图3所示。

图3 基于涡流效应的除尘去杂质簸箕

其中，簸箕所盛蓝色颗粒代表粮食颗粒，深黄色颗粒代表轻质杂质。在使用过程中，首先将簸箕向上扬起，将粮食和杂质混杂物抛向空中，然后将簸箕向下压至水平，让粮食颗粒基本按原路落回簸箕。在向下压的过程中，簸箕下表面空气受“压”，形成高压气团，上表面空气受“拉”，形成低压气团，这种情况下，下表面的气流会被迫沿簸箕边缘“补偿”到上表面，从而形成一个涡流，粮食中的轻质杂质就会被涡流“吹”出簸箕。如此往复多次，就能实现将轻质杂质分离的目的。

自适应01开关控制下的活塞式风箱

风箱是传统农村厨房中常见的工具，其结构如图4（a）所示。活塞式风箱最大的一个优点是：不论推拉，均可送风。

在推杆过程中，风箱内活塞右侧气压减小，外部空气涌入，自然顶开风门。如图4（b）中，右侧蓝色矩形薄板上端活页连接风箱箱体，平时自然下垂，遇外部气流涌入时被推开。同时，左侧气压增大，且气压高于风箱外部大气压，左侧风门被迫关闭，气流被迫涌入底端送风管道，中央挡风板被“吹”向右侧闭合，从而使气流向外排出。

图4 活塞式风箱

同理，在拉杆过程中，左、右两侧风门及中央挡风板在气压的作用下反向动作，使得气流沿底端送风管道右侧涌入并排出。

在上述动作中，左、右两侧风门及中央挡风板可视为01开关，在气压的作用下自然形成闭合送风路径，且无需额外的控制手段，在推拉过程中皆可送风。

循环冲击载荷下的头

图5 垫布一般用旧鞋帮等制成，在头使用前，常常会蘸一些水，垫布吸水膨胀，会在头连接部位内部产生压应力，从而大大提高头连接部位的抗疲劳性能

作者有话说：传统农具的设计和使用包含了深刻的科学原理，是当时历史发展水平下的最优解。对于科技工作者来说，我们应该通过上下求索，不断推进科技的发展。