勞動最光榮：快來看幾種傳統農具的力學原理

　　文章來源：中科院物理所

　　1。 引言

　　清明假期回了趟老家，在家裡一間倉庫里，忽然發現了幾件農具，堆在角落裡，落了厚厚的一層灰——回想起來，我已經十一年沒有用過它們了。我的中考和高考都正趕上麥收時節，中考是在鎮上，離家五公里，下了考場，騎自行車回家，還趕得上「揚場」，一直干到晚上，倒頭就睡，第二天早上再上考場。高考是在縣城，考前放了幾天假，那個時候母親在外地打工，哥哥在上大學，我和父親一起收完了大部分麥子。考前一天下午到縣城，高考的那兩天里，父親一人收完了剩下的麥子。在那之後，從本科到研究生，再到出國攻讀博士，再到如今回國成為一名大學老師，我幾乎再也沒有干過農活了。

　　高考距今已經快十一年了，這十一年裡，在我的老家，農業生產的機械化水平以超乎任何人想像的速度普及開來，過去沿襲千百年的「耕牛+人力」的生產模式被徹底改變，曾經一家人起早貪黑忙好幾天的活，如今依靠大型機械幾分鐘便解決了，生產效率提升了何止百倍千倍。我所用過的那些農具，基本上都已經徹底退出了歷史舞台。我忽然意識到這樣一個事實：我們這一代農村青年，已經成了這些流傳了千百年的農具的最後一批使用者與見證者。若將來有一天我們不在了，就沒有人知道它們了。

　　這些農具是何時出現的，我不知道；其發明者是誰，我也不知道。一代又一代的農民依靠自己樸素的理解，製作著、使用著這些農具，縱使它們隨著技術的發展消亡了，也應該被記錄下來，讓知情者對曾經的歲月報以熱淚，也讓後來人知道，我們這個農耕民族走到今天，靠的不只是一身蠻力。

　　為此，收假回到學校後，利用三個晚上業餘時間寫成此文。這篇文章介紹了陝西關中地區最常見的幾種傳統農具以及它們使用過程中的力學原理，與其說是科普，不如說是紀念，謹以此為那些不曾忘卻的回憶做一些科學的解釋與註腳。

　　2。 農具使用過程中的力學原理

　　傳統農業生產中涉及的農具多種多樣、紛繁複雜，本文僅選取五種加以介紹，為了增加行文的科學性，分別命名如下：I。 可拆卸式複雜曲線割麥專用鐮刀；II。 基於槓桿原理的自鎖式麥捆裝車技術；III。 基於渦流效應的除塵去雜質簸箕；IV。 自適應01開關控制下的活塞式風箱；V。 循環衝擊載荷下的?頭抗疲勞連接技術。

　　2.1 可拆卸式複雜曲線割麥專用鐮刀

　　可拆卸式複雜曲線割麥專用鐮刀，因其形似胳膊肘，俗稱「肘肘」，是小麥收割過程中使用的專用鐮刀，如圖1所示：

（a）整體效果圖

（b）俯視圖

（c）側視圖

　　圖1 可拆卸式複雜曲線割麥專用鐮刀

　　在小麥收割過程中，鐮刀面臨著麥稈干硬、收割強度大、使用時間集中等苛刻服役環境，這些不利因素對鐮刀刀刃的硬度提出了嚴苛要求，限於傳統加工水平及經濟條件，一般採用含碳量較高的硬脆鋼製造刀片。即使如此，割麥過程中刀刃磨損依然很快（一般4-5個小時即需要打磨刃片），整體服役壽命一般僅為1-2季。若刀片和刀把為一體化連接，頻繁淘汰刀片的同時也會淘汰掉服役狀態良好的刀把，顯然會造成極大浪費。因此，可拆卸式的構型可以兼顧經濟性及生產效率。

圖2 割麥示意圖

　　如圖2所示，刀把設計為曲線主要原因有兩點：

　　提高刀把末端的施力點以緩解疲勞。傳統農業生產中，要求收割的麥稈越長越好，換言之，留在地里的麥茬越短越好。前者是因為麥稈可以作為牲口的飼料，後者則是為接下來播種玉米提供便利。在這種情況下，割麥時要求刀刃越低越好。顯然，對直線刀把而言，施力路徑應沿圖2中虛線方向，割麥人就需要最大限度地彎腿彎腰，在夏季烈日暴晒的環境下，極易疲勞。顯然，刀把設計為曲線時，可顯著提高刀把末端施力點，使割麥人腿部較為舒展，從而有利於緩解割麥人的疲勞。

　　降低刀片打滑割傷左手的風險。如圖3所示，若使用直線刀把，在不斷重複的割麥過程中，割麥人由於過度疲勞，會無意識地抬腿伸腰，從而使握持端施力點上升，此時，刀片與麥稈之間的鈍角進一步增大（如圖3左圖），加之麥稈干硬，容易打滑而割傷左手。由於刀片鋒利異常，事故一旦出現，往往會報銷割麥人整個割麥季，這在「龍口奪食」的夏收時節，後果不堪設想。對曲線刀把而言，如圖2所示，當在刀把末端施以力F時，由於握持端施力點和刀刃著力點不在一個水平面上，使得鐮刀沿刀刃著力點產生一個向下的「低頭力矩」，該力矩可以使刀片與麥稈之間的鈍角減小，更趨近於垂直（如圖3右圖），從而減少「打滑」的風險，保證了割麥人的安全。

圖3 刀片與麥稈夾角示意圖

　　顯然，在割麥過程中，採用可拆卸式複雜曲線專用鐮刀，既兼顧了經濟性與高效性，又有利於緩解割麥人的疲勞並保證其在長時間重複割麥動作中的安全。

　　2.2 基於槓桿原理的自鎖式麥捆裝車技術

　　小麥收割完畢後，需要把麥捆運送到打麥場，然後經過「碾場」、「揚場」、晾曬等一系列工序，才能顆粒歸倉。運輸過程就需要用到架子車，如圖4所示：

圖4 架子車

　　顯然，堆積起來的麥捆需要用繩索綁緊方能運輸，那麼，如圖5所示的麥捆「頭對頭」的裝車方式（兩排麥捆以麥穗朝里、麥茬朝外的方式碼放堆積），怎麼才能方便可靠地實現綁緊呢？

圖5 麥捆及裝車示意圖

　　一般情況下，假設一個65kg級普通成年男子雙臂最大可以提供40kg的拉力，那就意味著如果直接用雙手拽緊繩索，所提供的綁緊力必然小於40kg，這在實際運輸中遠遠不夠，尤其在山路崎嶇、架子車顛簸十分嚴重的情況下。因此必須開發一種綁緊力足夠大、同時操作又足夠簡單的綁緊方法。

　　實踐中，農民採用的裝車方法十分簡單，如圖6所示：

圖6 麥捆裝車示意圖

　　圖中藍線表示繩索，共有兩套，在車頂通過三角形木套形成一個滑動定滑輪；在繩索2的一端，套上一尖端為楔形的木棒，將尖端插入麥捆，沿虛線箭頭方向從另一端向下壓木棒，即可將繩索拉緊。根據槓桿原理，可以產生遠大於成年男子臂力的拉緊力。繩索拉緊後，將木棒順勢插入麥捆內部，自然形成一個自鎖機構，且綁緊力越大，自鎖效應越強。另一方面，不論是裝車時木棒插入麥捆，還是卸車時木棒拔出麥捆，均只需克服較低的摩擦力，操作十分簡單。

　　顯然，該方法巧妙地實現了四兩撥千斤的力學放大效果以及綁緊後的自鎖效果，且操作十分便利，堪稱以人力為主的農業生產方式中的最優解，是傳統農村成年男子的必備技能之一。

　　2.3 基於渦流效應的除塵去雜質簸箕

　　基於渦流效應的除塵去雜質簸箕，簡稱簸箕，如圖7所示：

圖7 基於渦流效應的除塵去雜質簸箕

　　簸箕主要用於分離糧食顆粒與輕質雜質（如樹葉、麥穗殼、塵土等），其使用方法及原理如圖8所示：

圖8 簸箕使用示意圖

　　其中，簸箕所盛藍色顆粒代表糧食顆粒，深黃色顆粒代表輕質雜質。在使用過程中，首先將簸箕向上揚起，將糧食-雜質混雜物拋向空中，然後再將簸箕向下壓至水平，讓糧食顆粒原路落回簸箕。在向下壓的過程中，簸箕下表面空氣受「壓」，形成高壓氣團，簸箕上表面空氣受「拉」，形成低壓氣團，這種情況下，下表面的氣流會被迫沿簸箕邊緣「補償」到上表面，從而形成一個渦流，糧食中的輕質雜質就會被渦流「吹」出簸箕。如此往複多次，就會實現將輕質雜質分離出糧食顆粒的目的。

　　該方法簡便易行，廣泛應用於小麥、玉米、豆類等糧食顆粒的提純操作中。

　　2.4 自適應01開關控制下的活塞式風箱

　　風箱，是傳統農村廚房的必備廚具，旺火大灶必不可少，其布局如圖9所示：

圖9 活塞式風箱

　　其結構示意圖如圖10所示：

圖10 活塞式風箱結構示意圖

　　活塞式風箱一個最大的優點是：不論推拉，均可送風，其原理如圖11和圖12所示：

圖11 推桿過程中送風原理

　　圖11中，上圖為側視圖，下圖為俯視圖。在推桿過程中，風箱內活塞右側氣壓減小，外部空氣湧入，自然頂開風門（圖中右側藍色矩形薄板，上端活頁連接到風箱箱體，平時自然下垂，遇外部氣流湧入時被自然推開）；同時，左側氣壓增大，且氣壓高於風箱外部大氣壓，左側風門被迫關閉，氣流被迫湧入底端送風管道，中央擋風板被「吹」向右側閉合，從而使氣流向外排出。

　　同理，如圖12所示，在拉杆過程中，左右兩側風門及中央擋風板在氣壓的作用下反向動作，使得氣流沿底端送風管道右側湧入並排出。

圖12 拉杆過程中送風原理

　　顯然，在上述動作中，左右兩側風門及中央擋風板可視為01開關，在氣壓的作用下自然形成閉合送風路徑，且無需額外的控制手段，在推拉過程中皆可送風，諺曰：風箱里的老鼠——兩頭受氣，就是這個道理。

　　2.5 循環衝擊載荷下的?頭抗疲勞連接技術

　　?頭，人力挖土工具，如圖13所示：

圖13 ?頭

　　在挖土的過程中，?頭不斷承受循環衝擊載荷，若接頭部位連接不當，?頭很容易掉落。在實踐中，?頭的鏈接形式如圖14所示：

圖14 ?頭鏈接示意圖

　　在圖14中，先將墊布襯於?頭連接處，再裝入?頭把，然後從虛線位置強行塞入木質楔形墊塊（以鎚子砸入以實現過盈配合），最後從另一端裝入緊固圈，使整個連接頭處於鎖止狀態。

　　然而，即便如此，在實際使用過程中，也常有?頭掉落的情況出現，這是由於結構疲勞失效造成的。所謂疲勞失效，特指循環載荷下，結構在不斷重複受力時發生破壞失效的現象，其原理如下：

　　實際使用的材料與結構，均不是「理想」和「完美」的，其中必然存在某種缺陷。在受到靜載荷時，只要該靜力低於材料或結構的破壞極限，材料就「挺得住」，且由於材料或結構缺陷處的受力會達到一個平衡狀態，完全可以長期保持。而在循環載荷下，載荷一次次地作用，局部缺陷部位受力始終無法達到平衡狀態，必然導致缺陷不斷擴大。長此以往，當缺陷擴大到再也無法承受外載時，結構就會突然破壞失效。

　　為了提高疲勞壽命，在一些情況下，可以在材料或結構內部引入壓應力，壓應力會抑制缺陷擴展的速率。?頭的連接正是應用了這一原理：

圖15 ?頭抗疲勞連接示意圖

　　如圖15 所示，在?頭連接時，專門墊有墊布，墊布一般採用舊鞋幫等材料製成。在?頭使用前，常常會蘸一些水，墊布吸水膨脹，會在?頭連接部位內部產生壓應力，從而大大提高?頭連接部位的抗疲勞性能。

　　該方法簡便易行、原理可靠，已經廣泛應用於?頭、雙齒、鋤頭等承受循環衝擊載荷的挖土類農具中。

　　3。 結論

　　本文介紹了幾種典型農具使用過程中的力學原理，結果表明，傳統農具並非技術含量低下的代名詞，相反，在受限於人力生產條件時，傳統農具的設計使用包含了深刻的科學原理，是當時歷史發展水平大環境約束下的最優解。因此，既要以開放的心態樂見技術發展帶來的巨大紅利，又不宜在享受紅利的同時脫離歷史條件去指點過往。而不斷上下求索以推進科技發展水平、突破歷史大環境約束，正是一代又一代科技工作者的價值所在。

　　4。 致謝

　　謹以此文獻給我可愛的故鄉，並以此紀念那段不曾褪色的時光。

　　參考文獻

　　本文實物拍攝於作者自家後院倉庫，所用的力學原理見於任何一本力學教材，示意圖為作者自行繪製。故本文無參考文獻。

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