傳統(tǒng)農(nóng)具中的力學(xué)原理

西北工業(yè)大學(xué) 張亞輝

近年來(lái)，家鄉(xiāng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化水平以超乎想象的速度普及開(kāi)來(lái)，過(guò)去沿襲千百年的“耕牛+人力”的生產(chǎn)模式被徹底改變，曾經(jīng)要一家人起早貪黑忙好幾天的活，如今依靠大型機(jī)械短時(shí)間便能解決。我忽然意識(shí)到這樣一個(gè)事實(shí)：我們這一代農(nóng)村青年已經(jīng)成了一些傳統(tǒng)農(nóng)具的最后一批使用者與見(jiàn)證者。

為作紀(jì)念，我分析了陜西關(guān)中地區(qū)常見(jiàn)的幾種傳統(tǒng)農(nóng)具在使用過(guò)程中的力學(xué)原理。

可拆卸式復(fù)雜曲線割麥專用鐮刀

在小麥?zhǔn)崭钸^(guò)程中，麥稈干硬、收割強(qiáng)度大、時(shí)間集中等因素對(duì)鐮刀刀刃的硬度提出了嚴(yán)苛要求，限于傳統(tǒng)加工水平及經(jīng)濟(jì)條件，一般采用含碳量較高的硬脆鋼制造刀片。即便如此，在割麥過(guò)程中，刀刃依然磨損得很快。若刀片和刀把為一體化連接，頻繁淘汰刀片的同時(shí)也會(huì)淘汰掉服役狀態(tài)良好的刀把，顯然會(huì)造成極大浪費(fèi)。因此，割麥專用鐮刀可拆卸式的構(gòu)造可以兼顧經(jīng)濟(jì)性及生產(chǎn)效率，如圖1。

圖1 可拆卸式復(fù)雜曲線割麥專用鐮刀

如圖2所示，將刀把設(shè)計(jì)為曲線的主要原因有兩點(diǎn)。

一是提高刀把末端的施力點(diǎn)以緩解割麥人的疲勞。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，要求收割的麥稈越長(zhǎng)越好，即留在地里的麥茬越短越好。因?yàn)槭崭畹柠湺捒梢宰鳛樯陲暳?，留下的麥茬能為接下?lái)播種玉米提供便利。在這種情況下，割麥時(shí)要求刀刃越低越好。顯然，對(duì)直線刀把而言，施力路徑應(yīng)沿圖2中的虛線方向，需要割麥人最大限度地彎腿、彎腰，在夏季烈日暴曬的環(huán)境下，極易導(dǎo)致割麥人疲勞。將刀把設(shè)計(jì)為曲線時(shí)，可顯著提高刀把末端的施力點(diǎn)，使割麥人腿部舒展，從而利于緩解疲勞。

圖2 割麥?zhǔn)疽鈭D

二是降低刀片打滑割傷手的風(fēng)險(xiǎn)。若使用直線刀把，在不斷重復(fù)的割麥過(guò)程中，割麥人由于過(guò)度疲勞，會(huì)無(wú)意識(shí)地抬腿伸腰，從而使握持端施力點(diǎn)上升，此時(shí)，刀片與麥稈之間的鈍角進(jìn)一步增大，加之麥稈干硬，容易打滑而割傷手。對(duì)曲線刀把而言，當(dāng)在刀把末端施以力F時(shí)，由于握持端施力點(diǎn)和刀刃著力點(diǎn)不在同一個(gè)水平面上，使得鐮刀沿刀刃著力點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)向下的“低頭力矩”，該力矩可以使刀片與麥稈之間的鈍角減小，更趨近于垂直，從而減少打滑的風(fēng)險(xiǎn)，保證了割麥人的安全。

基于渦流效應(yīng)的除塵去雜質(zhì)簸箕

基于渦流效應(yīng)的除塵去雜質(zhì)簸箕主要用于分離糧食顆粒與輕質(zhì)雜質(zhì)（如樹(shù)葉、麥穗殼、塵土等），其實(shí)物及使用原理如圖3所示。

圖3 基于渦流效應(yīng)的除塵去雜質(zhì)簸箕

其中，簸箕所盛藍(lán)色顆粒代表糧食顆粒，深黃色顆粒代表輕質(zhì)雜質(zhì)。在使用過(guò)程中，首先將簸箕向上揚(yáng)起，將糧食和雜質(zhì)混雜物拋向空中，然后將簸箕向下壓至水平，讓糧食顆?；景丛仿浠佤せ?。在向下壓的過(guò)程中，簸箕下表面空氣受“壓”，形成高壓氣團(tuán)，上表面空氣受“拉”，形成低壓氣團(tuán)，這種情況下，下表面的氣流會(huì)被迫沿簸箕邊緣“補(bǔ)償”到上表面，從而形成一個(gè)渦流，糧食中的輕質(zhì)雜質(zhì)就會(huì)被渦流“吹”出簸箕。如此往復(fù)多次，就能實(shí)現(xiàn)將輕質(zhì)雜質(zhì)分離的目的。

自適應(yīng)01開(kāi)關(guān)控制下的活塞式風(fēng)箱

風(fēng)箱是傳統(tǒng)農(nóng)村廚房中常見(jiàn)的工具，其結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示?；钊斤L(fēng)箱最大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：不論推拉，均可送風(fēng)。

在推桿過(guò)程中，風(fēng)箱內(nèi)活塞右側(cè)氣壓減小，外部空氣涌入，自然頂開(kāi)風(fēng)門(mén)。如圖4（b）中，右側(cè)藍(lán)色矩形薄板上端活頁(yè)連接風(fēng)箱箱體，平時(shí)自然下垂，遇外部氣流涌入時(shí)被推開(kāi)。同時(shí)，左側(cè)氣壓增大，且氣壓高于風(fēng)箱外部大氣壓，左側(cè)風(fēng)門(mén)被迫關(guān)閉，氣流被迫涌入底端送風(fēng)管道，中央擋風(fēng)板被“吹”向右側(cè)閉合，從而使氣流向外排出。

圖4 活塞式風(fēng)箱

同理，在拉桿過(guò)程中，左、右兩側(cè)風(fēng)門(mén)及中央擋風(fēng)板在氣壓的作用下反向動(dòng)作，使得氣流沿底端送風(fēng)管道右側(cè)涌入并排出。

在上述動(dòng)作中，左、右兩側(cè)風(fēng)門(mén)及中央擋風(fēng)板可視為01開(kāi)關(guān)，在氣壓的作用下自然形成閉合送風(fēng)路徑，且無(wú)需額外的控制手段，在推拉過(guò)程中皆可送風(fēng)。

循環(huán)沖擊載荷下的頭

圖5 墊布一般用舊鞋幫等制成，在頭使用前，常常會(huì)蘸一些水，墊布吸水膨脹，會(huì)在頭連接部位內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而大大提高頭連接部位的抗疲勞性能

作者有話說(shuō)：傳統(tǒng)農(nóng)具的設(shè)計(jì)和使用包含了深刻的科學(xué)原理，是當(dāng)時(shí)歷史發(fā)展水平下的最優(yōu)解。對(duì)于科技工作者來(lái)說(shuō)，我們應(yīng)該通過(guò)上下求索，不斷推進(jìn)科技的發(fā)展。