孫千宸

北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)

淺談物理知識(shí)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

孫千宸

北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)

物理學(xué)作為理論科學(xué)，是諸如機(jī)械設(shè)計(jì)這一類(lèi)應(yīng)用科學(xué)的理論基石。物理學(xué)的發(fā)展對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)起著正向推動(dòng)作用，機(jī)械設(shè)計(jì)的具體實(shí)踐為物理理論提供了反向驗(yàn)證和逐步完善的條件。本文從力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)的角度，對(duì)共享單車(chē)、增程式電動(dòng)車(chē)和常用機(jī)械零件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，指出物理知識(shí)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用場(chǎng)景。最后，論述了理論創(chuàng)新與應(yīng)用創(chuàng)新的關(guān)系。

物理學(xué)；機(jī)械設(shè)計(jì)；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

一、概述

1.基石與大廈

物理知識(shí)是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要理論基石之一，機(jī)械設(shè)計(jì)的主要步驟包括前期的原理、功能設(shè)計(jì)，中期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，物理知識(shí)貫穿其中，尤其是原理設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)是建筑在物理知識(shí)上的大廈，沒(méi)有基石，就筑不成大廈，沒(méi)有大廈，就體現(xiàn)不了基石的作用。

2.正向推動(dòng)與反向驗(yàn)證

合理的機(jī)械設(shè)計(jì)必然基于一定的正確原理，如果原理錯(cuò)了，那設(shè)計(jì)也會(huì)失敗。如果沒(méi)有能量守恒定律的提出，永動(dòng)機(jī)的幻想也不會(huì)被打破，這是物理知識(shí)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的正向推動(dòng)。某一理論在提出的時(shí)候不一定足夠完善，一些經(jīng)典理論是在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中被完善以至于被發(fā)現(xiàn)的，比如說(shuō)流體動(dòng)壓現(xiàn)象就是在一次偶然的工程試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，由此進(jìn)一步研究所得出的雷諾方程可以說(shuō)是現(xiàn)代流體動(dòng)力學(xué)的原始基礎(chǔ)，這便是機(jī)械設(shè)計(jì)到對(duì)物理理論的反向驗(yàn)證和完善作用。

二、運(yùn)用實(shí)例

1.力學(xué)在共享單車(chē)中的運(yùn)用

（1）摩擦力

自行車(chē)依靠驅(qū)動(dòng)輪（后輪）與地面之間的靜摩擦力提供動(dòng)力得以前進(jìn)，而此時(shí)前輪所受滾動(dòng)摩擦力為阻力。目前市場(chǎng)上的共享單車(chē)主要有兩類(lèi)，一是制造成本低但報(bào)廢率高，二個(gè)是制造成本高但可靠耐用。第一類(lèi)車(chē)使用了充氣輪胎，第二類(lèi)車(chē)則使用了實(shí)心輪胎。當(dāng)氣胎的氣不足時(shí)，車(chē)胎與地面的接觸面積會(huì)增大，此時(shí)前輪的滾動(dòng)在一定程度上變成了滑動(dòng)，使得摩擦力變大很多，騎行也變得費(fèi)力，而實(shí)心輪胎則不用擔(dān)心氣不足的問(wèn)題，能夠穩(wěn)定地保持與地面間滾動(dòng)接觸。但實(shí)心輪胎也有彈性不足、容易顛簸的缺點(diǎn)，因此新一代的實(shí)心輪胎分布有大量的軸向通孔，既可以增加彈性，又可以減小重量。

（2）運(yùn)動(dòng)力學(xué)

傳動(dòng)系統(tǒng)是自行車(chē)的重要子系統(tǒng)。第一類(lèi)共享單車(chē)沿用了鏈傳動(dòng)形式，腳踏板軸線的旋轉(zhuǎn)從大鏈輪經(jīng)由鏈條傳遞到小鏈輪上，由鏈條所連接的大小兩個(gè)鏈輪具有相同的線速度，而大鏈輪的半徑大于小鏈輪的半徑，根據(jù)公式：

V=ωR

后輪就有了比前輪更大的角速度，即轉(zhuǎn)速。這樣的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)減小了輸出轉(zhuǎn)矩，但放大了輸出轉(zhuǎn)速，一般腳踏轉(zhuǎn)一圈，后輪可以轉(zhuǎn)三至四圈。鏈傳動(dòng)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但工作時(shí)間久了鏈條松動(dòng)則容易脫落。第二類(lèi)共享單車(chē)則使用了封閉式的錐齒輪傳動(dòng)，通過(guò)齒輪嚙合傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)，這種傳動(dòng)不易故障，但成本高，而且受限于布置空間，通常傳動(dòng)比不大，很多用戶(hù)使用之后反映齒輪傳動(dòng)的車(chē)騎行速度太慢，因此新批次的第二類(lèi)共享單車(chē)又改成鏈傳動(dòng)。另外，為了使騎行省力，腳踏板、龍頭把手、車(chē)剎都利用了杠桿原理，增大驅(qū)動(dòng)力臂，使較小的驅(qū)動(dòng)力也能產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力矩，使得蹬踏、轉(zhuǎn)向、剎車(chē)都變得輕便。

2.電學(xué)在增程式電動(dòng)車(chē)中的運(yùn)用

（1）電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。目前國(guó)家正大力推動(dòng)新能源汽車(chē)的發(fā)展，其中在電動(dòng)汽車(chē)上使用較多的是永磁同步電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)。除了動(dòng)力來(lái)源上的差別，電動(dòng)汽車(chē)和傳統(tǒng)燃油汽車(chē)在驅(qū)動(dòng)布置結(jié)構(gòu)上也有不同，傳統(tǒng)燃油車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)前置，通過(guò)后輪驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力由傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋傳遞到后輪上，類(lèi)似的方式也應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)，這是集中式驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)鏈本身會(huì)消耗一部分能量；電動(dòng)汽車(chē)還有分布式驅(qū)動(dòng)，即由四個(gè)電機(jī)分別直接驅(qū)動(dòng)四個(gè)車(chē)輪，并且可將電機(jī)與輪轂結(jié)合以省去傳動(dòng)環(huán)節(jié)，稱(chēng)為輪轂電機(jī)，這種驅(qū)動(dòng)方式能量利用率高，在純電動(dòng)方程式賽車(chē)中已得到廣泛應(yīng)用。

（2）發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)的作用是將其他形式的能源轉(zhuǎn)化為電能，這里主要指機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，同樣是利用電磁感應(yīng)原理，使金屬線圈在磁場(chǎng)中沿垂直于磁場(chǎng)方向的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其工作過(guò)程正好與電動(dòng)機(jī)相反。增程式電動(dòng)汽車(chē)作為燃油車(chē)向純電動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)變的過(guò)渡車(chē)型，其最大特點(diǎn)在于當(dāng)車(chē)載電池電量低于理想狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)燃油機(jī)給電池充電直至理想狀態(tài)。這樣既可以避免電池深度放電造成的壽命損耗，又可以保持燃油發(fā)電機(jī)處于最佳的工作狀態(tài)（因?yàn)橹话l(fā)電，不驅(qū)動(dòng)車(chē)），以保證最大能源利用效率。由物理學(xué)中相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)特性可知，不良的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩搭配會(huì)大大影響能量的利用，增程式電動(dòng)車(chē)正式克服了這樣的缺陷。

3.熱學(xué)在常用零件中的運(yùn)用

（1）熱脹冷縮

為了保證精度和承載能力，有相當(dāng)一部分軸承是需要實(shí)行過(guò)盈配合的，即軸承外圈的直徑比軸承孔略大，安裝時(shí)將軸承擠壓進(jìn)軸承孔。為了便于安裝，通常會(huì)將軸承孔所在的零件放在熱油里加熱，使孔擴(kuò)張，然后在冷卻之前完成安裝，這里就運(yùn)用了熱學(xué)當(dāng)中的熱脹冷縮原理。

（2）布朗運(yùn)動(dòng)

布朗運(yùn)動(dòng)是指微小粒子不停地做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，溫度越高，這種溫度越劇烈。在一些場(chǎng)合中，需要零件有較好的韌性，但表面硬度又要高，通常單一的材料是不能滿(mǎn)足要求的，因此可以在較強(qiáng)韌的零件表面滲入其他元素使表面硬度升高，比如滲碳。這一過(guò)程需要在合適的氣體環(huán)境下將零件加熱至合適的溫度，使碳原子進(jìn)入零件表面，其根本原理便是布朗運(yùn)動(dòng)。

三、創(chuàng)新設(shè)計(jì)

物理學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)中起到基石的作用，而對(duì)基礎(chǔ)理論的深入研究與運(yùn)用，是推動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新的必要步驟。人類(lèi)模仿鳥(niǎo)類(lèi)的滑翔造出了固定翼飛機(jī)，旋翼形式的微型無(wú)人機(jī)近幾年十分火熱，而要使飛行器變得更小、能量利用效率更高，則需要采用蜜蜂那樣的撲翼形式，但對(duì)相應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)理論要求極高，因此要實(shí)現(xiàn)微型飛行器的創(chuàng)新，必然先有理論上的突破。同樣，諧波減速器是現(xiàn)代高精度機(jī)器人的關(guān)鍵部件，但國(guó)內(nèi)相關(guān)理論研究尚不成熟，因此這項(xiàng)產(chǎn)品還依賴(lài)于進(jìn)口。由此可見(jiàn)，在高精尖的機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，理論創(chuàng)新起著關(guān)鍵性作用。

結(jié)論

機(jī)械行業(yè)是整個(gè)制造業(yè)中極其重要的一環(huán)，而機(jī)械設(shè)計(jì)又是整個(gè)機(jī)械工程中高屋建瓴的一步，掌握充足的物理知識(shí)是做好機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要方法，好的設(shè)計(jì)必然原理正確，功能完整，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)。目前我國(guó)制造業(yè)正處于向著高端制造發(fā)展的重要階段，作為新時(shí)代的青年，打好基礎(chǔ)，面向未來(lái)，是義不容辭的責(zé)任。

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[2]范增.我國(guó)高中物理核心概念及其學(xué)習(xí)進(jìn)階研究[D].西南大學(xué),2013.

[3]陳炳榛.創(chuàng)意性的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè), 2015,（29）：32-33.