材料工程與力學原理在兒童立體書中的運用分析

摘要：

本文旨在分析在生產(chǎn)力高度發(fā)達的未來，材料學及力學能給兒童書籍帶來的多種革新的可能性。材料工程是一門龐大復雜的科學，當我們了解了它的巨大作用并利用它的具體特性于兒童書籍之中時，兒童書籍將會產(chǎn)生許許多多浪漫而又實用的變化。同樣，力學原理也是一門可以改變具體生活的科學，當我們充分利用力學原理設計兒童立體書籍時就能夠更理想地展示兒童立體書籍的魅力了。

關鍵詞：

材料工程 力學 兒童立體書 設計

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2015）04-0128-02

運用紙張就能玩出花樣的兒童立體書看起來相當有趣，其中也蘊含著奧秘。有著創(chuàng)新精神的設計師們把靈感的觸角延伸到各個領域與方向。未來產(chǎn)品將會是多重學科知識疊加的產(chǎn)物。關于材料、力學與設計，是科學與藝術的結合，也是理性與感性的碰撞。材料將在更多領域發(fā)揮它的作用，力學也變成了創(chuàng)新的關鍵，設計更不僅僅是設計師涂鴉在紙上無法實現(xiàn)的想象。

1 材料工程在兒童立體書設計中的運用

材料工程是工程的研究、開發(fā)、生產(chǎn)和各種材料的應用。人類的文明史是人類利用材料改造自然的歷史。人類最早利用石頭，樹枝作為工具來建造房屋，制作武器。在商周時代開始冶煉金屬，制作青銅器、鐵器。到了近代，化工原料的使用使我們的生活更加便利，塑料、橡膠、高分子材料用品充斥著我們的生活。納米材料制作的產(chǎn)品也將邁入我們的眼簾，帶我們進入一個新的時代。材料基本具備兩種作用：提供技術功能，創(chuàng)造產(chǎn)品的性能。在兒童立體書設計時，我們可以通過采用新的材料得到很多的可能性：

1.1 復合材料

復合材料是指由兩種或多種不同性質(zhì)的材料，通過物理、化學等方法組成的具有新性能的材料。性能上的協(xié)同作用，使其優(yōu)于原材料中的任意一種，可以滿足現(xiàn)代生活的不同需求。復合型材料有多種實現(xiàn)的方式，纖維復合材料便是其中一種。纖維復合材料是將各種纖維增強體置于基體材料內(nèi)復合而成。如果將纖維復合材料應用于兒童立體書籍的設計中，取代傳統(tǒng)單純的紙質(zhì)材料，勢必將會得到顯而易見的改良效果。介于復合型材料的優(yōu)勢特征，兒童立體書籍將會擁有更加結實的結構，可以實現(xiàn)很多傳統(tǒng)紙質(zhì)材料達不到的造型設計效果。例如傳統(tǒng)材料做如下圖的設計，轉(zhuǎn)折部分因需反復折疊導致極易破損，而使用復合材料就能解決這個問題。（圖1）

1.2 光伏材料及熒光材料

1.2.1 光伏材料

又名太陽能材料，是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能運用的材料。若是將此類材料運用于兒童圖書中，可使白天置于陽光下照射過的書籍在夜間發(fā)出柔和的光線，營造新的閱讀體驗。

1.2.2 熒光材料

熒光材料是將金屬硫化物（或稀土氧化物）與微量活性劑配合經(jīng)煅燒而成。無色或淺白色，是在紫外光照射下，依材料中金屬和活化劑種類、含量的不同，呈現(xiàn)出各種顏色的可見光。遙控器上的熒光材料按鈕，手機貼紙上的熒光圖案在白天吸收光線后，夜間都會發(fā)出柔和的光。我們希望把這種材料運用到兒童立體書的設計中去，使夜間讀書也有足夠柔和的光線。將點狀、線狀或面狀的夜光材料運用于立體書的某些結構點上，在可見光不足的空間中能得到不同的閱讀體驗，營造一種氛圍，同時還能強調(diào)立體書的空間感和趣味性。（圖2）

1.3 智能皮膚

智能皮膚是一種頗具科幻色彩的高科技材料。將其包裹于書籍的表面，通過皮膚上的上萬個微型傳感器可以使書籍感受得到周圍的環(huán)境，從而產(chǎn)生一系列的反應。我們想借由相同的原理，得到紙質(zhì)的智能皮膚材料。在書籍的紙張中預埋上大量的中空纖維，纖維中灌滿黏合劑。當皮膚感應到書籍的損壞，相應位置的纖維會斷開，釋放出黏合劑，將裂紋自動黏合住。這樣就得到了一本能自我修復的書籍。雖然這種設計現(xiàn)在還只是一種暢想，但英國的一家公司已經(jīng)率先開始著手研究在戰(zhàn)斗機上運用這種材料，使得戰(zhàn)斗機可以感知周圍的環(huán)境，從而對危險情況產(chǎn)生預判。

1.4 形狀記憶材料

形狀記憶材料是一種新的材料?，F(xiàn)在已存在用形狀記憶材料制作的家具，設計師將這款新型材料制作的家具壓制成一個方便運輸?shù)钠桨?，在需要的時候，通過將之接上電源，就能在十分鐘之內(nèi)使其從平板恢復成一個家具。在設計兒童立體書時，我們可以將想要表達的立體場景預先設計好，然后利用形狀記憶的先進技術將每一個的立體場景壓縮為一層薄薄的書頁，然后接上電源或者接受陽光的照射使立體的場景再現(xiàn)。通過利用這一技術我們完全可以實現(xiàn)對兒童立體書的一次創(chuàng)新。立體書將不再被紙張創(chuàng)作的局限性所約束，從而實現(xiàn)復雜的、逼真的，紙張無法做到的立體場景，實現(xiàn)對兒童立體書籍設計的變革也是本文探索的主旨。

2 力學原理在兒童立體書設計中的運用

力學是屬于自然科學的一門古老學科，是自然科學中運用定量分析的工具。它在我們的生活中運用十分廣泛。現(xiàn)在我們來分析—下，有哪些力學原理適合運用到兒童立體書的設計之中，從而給兒童立體書帶來怎樣的改變。

2.1 結構靜力學

結構靜力學是結構力學中的分支，它主要研究工程結構在靜荷作用下的彈塑性形變和應力狀態(tài)，以及結構優(yōu)化問題。由于在兒童立體書籍的設計中無法避免會出現(xiàn)較多的纖細結構，以及材料本身薄軟的特性。導致它們在受壓時結構會產(chǎn)生過大的形變，從而無法提供足夠的支撐力。

如圖，當我們在設計立體書的結構時，需要更多地考慮在集中應力的結構點做加強強度或韌性的處理，從而能保證結構的穩(wěn)定性。在紙質(zhì)模型試驗中我們通過增加紙張的厚度來加大它的結構穩(wěn)定性，或者將集中應力的部位替換為穩(wěn)定性更高的復合型材料來達到增加穩(wěn)定性的目的，從而實現(xiàn)更加復雜的結構。（圖3）

2.2 摩擦力

下面我們要探究的是在日常生活中隨處可見的摩擦力。

物理告訴我們：人類在光滑的平面上行走非常困難，因為光滑的平面會減少鞋底與地面之間的摩擦力；增大摩擦力對人們的生活有種種好處，但有時減少摩擦力也是必要的，例如在機械中加入潤滑劑是為了減小齒輪之間的摩擦力，增加機械的壽命。在滑梯上我們保持滑道的光滑是為了減少摩擦力從而保證更有趣的體驗。

兒童在翻閱書籍的時候，由于皮膚細嫩，手指短小，所以無法獲得足夠的摩擦力導致不易翻閱，也易造成對書籍的損害。所以在設計兒童書籍的時候，我們可以利用增大摩擦力的原理在圖書底面處使用表面粗糙的紙張。這樣兒童在翻閱書籍時會更加自如，也延長了兒童書籍的壽命。如圖，當接觸面越粗糙的時候摩擦力越大。而紙質(zhì)模型圖的冷灰色底面就是更加粗糙的紙質(zhì)材料，可以幫助兒童更加容易地翻閱圖書。而在立體書的立體部分，我們需要減小摩擦力，所以使用光滑的材料（象牙白色紙張），使書籍立體的動態(tài)過程中減少阻力的產(chǎn)生，使閱讀的過程更加順暢。（圖4）

2.3 彈力

在日常生活中，也有一個重要的力：彈力。其兩個重要形成條件：接觸和變形。

物體在力的作用下發(fā)生的形狀或體積改變叫作形變。在外力停止作用后，能夠恢復原狀的形變叫作彈性形變。彈力是指彈性形變而引起的應變力。例如將彈簧拉長后其要恢復原來的形狀，就會有力，這個力就是彈力。

在兒童立體書中我們運用彈力原理可以將書籍的故事情節(jié)與立體結構結合做設計。如圖，講述的是鯉魚躍龍門的故事，小鯉魚躍入水塘，留下漣漪。當讀者拉出小鯉魚的尾巴時產(chǎn)生彈性形變，而因巧妙的結構設計產(chǎn)生的應變力拉小鯉魚回歸平面（水面）。這樣巧妙地運用彈力，我們得到了一本能與讀者互動的兒童立體書。如圖5、圖6嘗試小鯉魚身體的不同結構帶來的不同彈力效果。結果顯示圖5的結構更具彈力。如圖7螺旋切割的紙張也是一種彈力控制的運用。在立體書的設計中加入如彈簧般螺旋的結構，能夠在靜止的立體結構中增加一絲動感。使用巧妙的剪裁能在閉合書籍的時候毫不費力。

3 總結

書籍可以啟迪兒童幼小的心靈，立體書籍更加適合兒童的特殊讀物。探究兒童立體書籍未來的創(chuàng)新形式是一次充滿童趣的旅程。通過對材料科學以及力學的研究，我們更加意識到在未來兒童立體書籍可以發(fā)生的種種改變。采用這些概念設計的兒童立體書籍不僅可以更加生動地敘事，同時也在孩童的心中埋下了科學的種子。從而達到拓展立體書籍發(fā)展寬度的目的。

當孩童翻開一本由形狀記憶材料設計的立體書時，他不僅僅獲得了故事里的啟迪，同時也定會對科技產(chǎn)生濃厚的興趣。當孩童打開書籍看見一個個由纖薄的紙張制作的惟妙惟肖、窮工極態(tài)的立體場景時，他定會對力學有了新的認知。

當然，超前的設計理念同樣意味著現(xiàn)實與未來的距離。比如智能皮膚就是一種離我們的生活還有些遙遠的材料科學。但未來并不是完全不可見的。任何天馬行空的想象都可能會成為人類開啟下一個文明時代的關鍵鑰匙。下一位愛因斯坦的誕生也許就會從他翻開一本神奇的兒童立體書開始。