第三节 杠杆原理
作者:法拉第      更新:2017-12-19 12:26      字数:4375

于是在渡过淮河后,姜海涛开始认真学习现在的文字、基础知识,比如石钧斤、尺寸步、舆辋辀、黍菽粟。当然还有语言习惯等。

在学习过程中,姜海涛也顺带布置了两项小任务。

第一是给自己的,那就是留心纸和笔的制造。现在用的竹简、毛笔,他实在是很不习惯。而且最大问题是:毛笔写字占地方,不容易画线条图;竹简太重,面积太小。姜海涛认为自己应该随时把回忆出的知识点记录下来,还有一些想法,否则时间长了容易忘。可是他看着牛车上记着东西的几捆竹简,脑袋就大。这十几斤重物上的东西,还不如自己过去一个作业本的容量多。

纸!你真是伟大神奇革命开天辟地拯救众生照亮全球全宇宙的发明啊!可是老子只记得,造纸要木浆,什么进口原木浆卫生纸。妈的,现在就算不擦屁股也行啊!

不过在这极度失望中,他感觉还有一点希望。一是回到胡城后,可以找木头磨成浆,试一试。二是笔,可以学欧洲电影上的,试一试鹅毛笔。

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第二项任务是给工匠们和自己的,也更加实际,那就是根据缴获的那把楚军弩,设计出一种更好的弩机。如果不行,也可以直接抄袭它。不过姜海涛已经向归豹表过态,说自己能造出更好的,而且完全抄袭几千年前的古人设计,有点丢面子啊。更何况这是武器,直到秦、汉时期都还很先进的武器!因此每到晚上,姜海涛都要找一块空地,和工匠们一起讨论弩机的改进方法。

前俩晚,基本是他自己在地上画,工匠们在一旁瞎讨论。姜海涛利用白天整理的物理课知识,首先在概念上确定:扳机力的大小,是弓弦的拉力经过一系列杠杆、摩擦面后,传递到扳机上的阻力。比如他为十弓车弩设计的那种扳机:弓弦压在青铜牙上,弓弦拉力就转换为青铜牙滑动的摩擦阻力;这其中的摩擦系数,主要是青铜牙和木孔之间的,还有少数弓弦和牙的;牙滑动的摩擦阻力,再经过杠杆,变成杠杆顶端扳动时的阻力。这样一来,这个扳机力的大小就是

扳机力=弓弦拉力×牙与木的摩擦系数×牙到轴的距离÷扳机位到轴的距离

而楚国那个弩呢,牙是转动的。为了分析和交流,姜海涛把这个可以转动的牙,整体叫做“旋牙”;旋牙后面瞄准的东西本来在历史上应该叫“望山”,现在被姜海涛改称为“照门”;旋牙上勾住弓弦的那两个凸起还叫做“牙”,弓弦到轴的距离称作“牙距”;旋牙前面压住扳机头的那段东西叫做“悬臂”,前端卡在扳机头上的坑叫做“悬臂齿”,它到旋转轴的距离叫做“齿距”;扳机由上面顶住悬臂的扳机头和下面手指扣动的扳机杆组成,手扣动的位置距离扳机轴的距离叫做“扳机距”。这样一规定和分析,它的扳机力大小是

扳机力=弓弦拉力×牙距÷齿距×悬臂齿与扳机头的摩擦系数×扳机头长度÷扳机距

和他设计的弩机相比,楚国弩机多了一套杠杆,而且齿距要比牙距大,扳机距要比扳机头更长,因此扳机力能更小一些。当然,扳机杆不能太长,否则用手指抠动起来不方便。但是它还有另外一个优点,就是把青铜与木的摩擦,换成了青铜与青铜的摩擦,这个摩擦系数显然更小。

通过这一分析,姜海涛找到了减小扳机力的理论方法,那就是增加其中的杠杆、滑动结构,而且尽量用光滑的接触面。但到底怎么增加,他一时想不出办法,得靠那些工匠精英,就是他让轸老头挑选出的那一队。从内心里,他已经把这当作了一个设计小组。自己要从他们那学习很多知识,比如前面的计量单位,还有车轮结构等等。同时,自己的很多想法要靠他们来实现,甚至要把很多知识告诉这些人,让他们去搞具体设计。

又经过两个晚上的努力,姜海涛终于让井和其他几个小工匠们基本理解了杠杆、摩擦系数的概念,几个老工匠就只能是半懂不懂。这其中,他还发现春秋人已经懂得杠杆的基本原理。

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他们用来提水的桔槔(jie2、gao1),就是一种杠杆。它是在井旁、河旁支一个架子,甚至直接找一个树丫,然后放上一根木棍。木棍前头吊桶,后面吊一块大石头。不用时,空桶重量×木棍前段长<石头重量×木棍后段长,因此桶被吊起来。打水时,抓住空桶、绳往下拉,把桶放入水中。装满水后,水桶重量×木棍前段长>石头重量×木棍后段长,但是打水人只要在桶绳上施加一点力,就能改变这种情况,形成一种平衡:(水桶重量-人的提力)×木棍前段长=石头重量×木棍后段长。再稍微加点力,水就提上来了。如果木棍前后长度一样,那么打水人先需要耗费(石头重量-空桶重量)的力,才能把桶放下;然后用(水桶重量-石头重量)的力,就能把水提上来。这和直接把桶扔进水里,然后全凭人力去提桶相比,自然省劲多了。在这里,石头向下的重力,通过杠杆转换成一种帮助提水的向上的力。不过春秋人还没有把这种东西总结到理论高度,只是凭感觉和经验在用它。

经过姜海涛的“理论提高”后,一个小工匠明白了其中的原理,说自己再也不用试,就能直接架出一个最省力的桔槔。井和豫等人也很快明白了。几个老工匠听到他们“吹牛”后,不禁出言教训了几句。要是在过去,这些小工匠们还只是老工匠们的徒弟,不能如此“犯上作乱”,要尊重权威。可是现在有了姜海涛以后,情况就有些变化了。

连杆殳、十弓车弩,都是在这个年岁也不大的公子带领下设计制造的,结构与过去的完全不同。而且姜海涛还有一套计算方法、物理原理之类的说道,听起来蛮有道理。比如用什么抛物线的原理划瞄准刻度,算出来的和实际结果还真很接近。要是在过去,老工匠们只可能告诉他们一些口诀之类的,甚至只有几个典型数据,比如“十步降一尺,百步降百尺”。而且这口诀肯定不会轻易告诉你。现在姜海涛深为公子,不仅知道一种更好的方法,可以算出任意多少步降多少尺,还大大方方地把这方法告诉大家。这在小工匠们看来,那自然是更亲切了。

姜海涛似乎也对小工匠们反驳老工匠持默许的态度,于是他们的态度越来越让一些老工匠,特别是带有徒弟的师傅们,有些无法忍受了。冲突爆发的结果,就是双方要在傍晚进行了一次比试。

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大家首先架设了一个桔槔,暂时不绑石头。然后工匠们轮流上场,绑上石头调试出最好结果,由一些步卒试用评价。

几个小工匠们认为,让拉桶下水、提桶上水的力一样大,是最省力的情况。否则石头轻点,放桶时省力,提水时就需要更大劲;石头重,就成了放桶时费力,提水时省力。于是他们先仔细测量了空桶、水桶的重量,木棍的长度;然后根据姜海涛教的力学知识,包括什么力矩、力臂等等,进行计算。这时他们还发挥了一点创造性。由于一块石头的重量不方便调整,于是他们决定用一块稍重一点的石头,然后通过计算,看木棍前后分别长多少最合适。最后的结论是:用空桶重量加上满水后水桶的重量,除以石块的重量,就是木棍后段和前段长度的比例。虽然测量、计算花了一点时间,但是他们调整木棍、绑石头时一次搞定。

几个老工匠则分别采用了不同方法。有的是把木棍平均分配在两边,然后挑选合适重量的石块绑上,亲自试用一下。为了最省力,他们还增减一些小石块。有的则是选择了一块大石头绑上,然后试用一下,移动一下木棍,调整前后的长度。他们的速度有快有慢,因为经验多少显然不一样。

几个步卒试验后,觉得大家最后弄出的都很省劲。要想仔细分出用劲大小,就的用滑轮、砝码等东西测量,那就有点麻烦了。但仅仅这样,因为小工匠一次就成功,也让老工匠们对姜海涛那些在地上画画算算的方法开始另眼相看。

有了这一次经历,设计小组的工匠们向姜海涛学习所谓“物理”、“数学”的积极性更高了,包括老工匠们。阿拉伯数字也因为笔画简单,便于书写计算,开始被他们越来越多地采用。少数老工匠还是习惯用算筹和心算,但也只是反复证明了小工匠们采用的新方法计算结果正确。不过他们也不再对一些新说法、新想法很抵触了。大家也都很明白武器设计的重要性,于是纷纷在地上画各种弩机结构设想图,进行理论分析和计算,看哪种结构的扳机力最小。

这个所谓的“图纸设计”,比他们过去边造边试快多了,因此各式各样的设计方案接连出炉。特别是几个小工匠,提出的结构最多。但是老工匠们也有优势,那就是凭借自己的经验挑刺,还纠正了小工匠和姜海涛一度犯出的错误:越省力越好,不顾扳机行程、零件数量。本着杠杆结构越多、滑动结构越多,扳机力就越小的原则,小工匠们曾设计出一套有六个旋转部件的弩机,结果遭到了老工匠们的一致批评。随后大家配合越来越好,自动分成几个小组设计,然后再互相挑毛病、修改。

直到有一天,他们已经搞出了四种设计方案,只等着试造和试验。这时养敖告诉姜海涛,他们明天就要回到胡城了。