剪刀是生活中很常见的工具。但是剪刀大家族有不少稀奇古怪的成员,剪刀的功能不同,其形状和设计也各不相同。而在其中则往往蕴含着对于杠杆原理的充分利用。
一个固定点、一根能够绕着固定点旋转的硬棒就构成了一个杠杆。根据杠杆原理,杠杆的动力与动力臂的乘积,等于阻力与阻力臂的乘积时,就能保持平衡。在保持力和力臂乘积不变的情况下,希望使用更小的力就要有更长的力臂,希望使用更大的力就要使用更短的力臂。剪刀的设计,就是在各种功能和限制条件中充分权衡利弊的结果。
普通剪刀的阻力臂、动力臂差别不大。这是一把最普通的剪刀,生活中常常用来剪纸等较容易处理的材料。我们可以观察到这种剪刀的一些设计特点:首先,这种剪刀的两个力臂大概相等,因此能够将手用的力大致相等地传递到纸上。其次,把手侧覆盖了塑料,同时设计得较为圆滑以保护手指,而在刀刃侧较为锋利,大大增加了压强。
在这种剪刀的基础上,人们根据使用场景的不同,制造了很多衍生类型。
例如,在理发时,我们希望剪刀能够一次能剪到更多的头发和更大的区域。这时,更大的剪切范围成为重要的因素。理发剪是典型的费力杠杆。由于手指一次张开的距离是基本固定的,相当于动力臂不能改变,因此只能延长阻力臂。这样带来的问题就是手指会相对费力。相对而言,头发是一种较容易剪的材料,大拇指的力量仍足以驱动。因此,我们常见的理发剪就制成了这种有较长的刃,并且有一个适合拇指的短柄的形状。
此外,理发剪还有一些其他具有针对性的设计。理发剪的刃设计成了梳子的形状,每一根刃相当于一把小的剪刀,确保在剪掉一部分头发的同时均匀地保留一些,不会一刀剪成秃子。在另外一些情况中,我们需要剪切铁板、树枝等更坚硬的物体,更大的剪切力成为我们关注的重点。这意味着,我们需要延长动力臂,从而放大动力的效果。
由此带来的问题是我们需要较大的动作距离,但由于铁皮、树枝的厚度往往有限,动作距离虽然变长,仍然在可控范围内,这个因素并不重要。基于这些考虑,人们设计了用于切割铁皮、树枝的园艺剪等。
我们可以看到这类剪刀的几个特点。首先,动力臂比阻力臂长得多,确保了动力能够被放大传导到被剪的物体上。其次,我们可以看到这把剪刀的刀刃是弯曲的。
这种设计能够在剪刀尚未闭合的时候就将树枝等较细的圆柱形的物体卡在刀刃范围内,以防止其滑脱。这种设计对于剪纸、头发等情形而言没有什么意义,但对于切割树枝等情况却十分有用。另外,园艺剪的两个把手之间有一个弹簧,这是为了缓冲树枝剪断的一瞬间对于手指的冲击力而设计;在接近转轴的地方还有一个锁紧机构,防止不使用的时候剪刀意外弹开伤人。
与此设计相类似的还有电工钳。电工钳为了剪断电线或切开电线的绝缘层,同样设计得拥有较长的动力臂。但是与园艺剪不同的是,我们可以看到其用尺寸大小不同的凹槽代替了园艺剪的弧形刀刃。这些尺寸不同的凹槽能够分别应用于不同尺寸的电线切割和剥皮。值得注意的是,越粗的电线越难以剪断,因此大的凹槽更靠近转轴,阻力臂更短,剪切力更大。
我们可以简单总结一下上面提到的剪刀的类型。这里可以看出,虽然这些剪刀都是利用了杠杆原理,但是为了实现不同的目标,在工程上就拥有了不同的考虑重点和设计。猜猜看,这把“剪刀”是用来剪什么东西的呢?点击下方空白区域查看答案。液压钳用于剪/夹持钢管等。