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150704_肘节与秦弩

2015-12-22  EasyBot

弩机是弩箭的发射装置,一般人认为它是一种简单的连杆机构,其实它是非常巧妙的肘节机构,並通过灵巧的机械传递,让勾牙在放箭瞬间突然下沉,扣动扳机变得异常轻巧。因此,肘节是研究秦弩击发机制的重要知识基础。秦弩,指的是秦朝军队所用的十字弓,如上图右方图示之兵马俑秦弩秦遗迹,是将弓干安装在一特制的木柄端。这木柄看来就像弓的臂,并称为弩臂。弩臂中央挖长条沟槽以置箭,弩臂后端装弩机、以控制弓弦的张弛与射击。弩机上设置有钩弦弩牙、瞄准用的望山,以及拨动弩牙的扳机 ( 或称悬刀 )。操作时,首先,用牙把拉起来的弦卡住作为卡弦等待触发的装置,再将箭置于中央槽沟并抵住卡弦,弩呈闭合状态。发射时手指往后拨悬刀,弩牙即下坠,弓与弦都因恢复打开状态,而产生巨大弹力,弦便将搭于其上的箭迅速有力地射出。

肘节机构(Toggle mechanism)是一种输入很小的力可获得很大输出力的机构,常见的是一个由曲柄滑块机构与曲柄游戏杆机构组成的机构,但也有许多变形,例如秦弩的弩机就是一例。由于肘节机构尚有许多变形应用,因此为了避免误导,笔者不打算附加肘节机构的图示说明。这里特针对秦弩弩机各部件进行解说?,如上图左上方图示之秦弩击发过程示意图,符号1组件是悬刀,因其形态具有刀形而名之;符号2组件右边低者为牙及左边高者为望山,这个零件用牙来钩住弦,又以望山做瞄准之用; 符号3组件称为牛(或钩心); 符号4组件为弓弦圆剖面,紧靠4组件的部分即前面说的牙,其能钩紧弓弦,牙和望山实为一体零件;图中的符号5组件即箭矢。至于上图左下方彩绘,则为弩机较为清楚的发射示意图。

就让肘节引领我们,顺着中国高铁的引进消化吸收再创新的心法,一起动手操作积木。首先,从零开始思考,机构动力车在车轮、平台、动力三方面,由于有着相同平台化的底盘骨架,除了轮子不用重新发明,底盘骨架平台也不用再重新发明,就只剩下动力单方面着眼进行设计,这样就可以快速有效地把肘节设计安装在新款车的框架里,这也是机构动力车集团军能够经济有效创新智造的奥秘,当然还要经过多番的尝试与犯错。以下就是创新智造出来具有肘节特色的新款机构动力车。?

 保有肘节特色尚处于待命状态的新款机构动力车

上图是运用肘节特色的新款机构动力车,它设计成前端下押启动前端附斜面连杆之伸缩线车,后轮轴上有个中滑轮,是做为卷取伸缩线用的卷筒,在其上方就是呈折迭状的肘节,所以此时机构动力车尚未触发的情况。下图为了清晰起见,已经先把前端附斜面连杆拆卸掉并置换轮胎,便于观察机构布置。于后轮轴上的中滑轮上方,此时可看到肘节已经被横向连杆顶住呈伸长形态,这是受前端连杆下押启动的结果,而目视后边的红色连杆也已经抬起,而起得了杠杆作用进而抛开卡榫,现在已松动后轮轴上的蓝色中齿轮了,说时迟那时快,储能立马转换成为快速运转的动力,只见,机构动力车像一只脱缰之马往前奔驰。

保有肘节特色已触发启动的新款机构动力车

笔者提出秦弩弩机是一种巧妙的肘节机构,对于这个观点,或许有人不以为然,因为有不少对古中国机械有研究的学者认为秦弩弩机是行杠杆作用的连杆机构。这若针对个别组件的作用描述是对的,但整体上并不全对!尤其是居于关键的放弦发射装置,笔者三四年前研究指南车时,无意间观看了秦弩弩机照片,首次接触,就惊讶于古人能够把肘节机构设计得如此巧妙,难怪古人早早就发明了指南车,古中国机械设计那么先进,这并不是个巧合。可惜,有许多发明发现细节并未流传后代,就像针灸般,只知其然并不知其所以然,大大阻碍了古中国科学进步。

为了要让秦弩弩机是肘节机构这一命题成立,需从零开始思考,并加以实验证实才行。首要就是要问对问题,目前这是传统科学教育最欠缺的环节,因此,必须有两点要证明,其一要证明不是连杆机构,另一则是证明确为肘节机构。首先,为了要证明弩机不是连杆机构,笔者是采用逆命题方式进行,也就是说,如果弩机是连杆机构,它能具备所有秦弩的机能价值吗?假如这是真的,按照这个思路,笔者以实际建构法设计打造了这样机构的弩机,经实际操作结果是发射容易上弦难,实证其不满足秦弩作战要求的机能价值,因此得出结论,秦弩弩机不是行杠杆作用的连杆机构。虽然逆命题已由实际建构法否定了,但也不能据此论断秦弩弩机是肘节机构,证明呢?这个笔者也给予证明正确无误,只是这论文笔者打算另行发表,很抱歉,细节就不便在博文里披露。这情况,彷佛就像笔者对指南车的研究过程。笔者自学微分几何,发现前人探究指南车有不少失误之处,也发表过一篇论文"指南车在物理学中几何相位的应用"于《物理与工程》2014年S2期里,连带揭露指南车在数学界的意义,陈省身大师给出高维里高斯-博内公式(Gauss-BonnetFormula)的一个内蕴证明,这是大家都知道的华人荣耀,而这篇论文,则借着古人智慧的发明,也能用指南车证明二维的高斯-博内公式。除此之外,笔者另有一份“建立指南车控制理论与设计新机种”论文,该论文中同时依据了自己建构的控制理论,以实际建构法发明了新机种的指南车,并于2013年呼和浩特全国高等学校第十一届物理演示实验教学研讨会的讲台上,笔者也展示给现场参与老师们观摩,理论实验与实务验证样样俱全,然而,该论文投到许多单位都被拒收,纵然有许多心得,这些都是笔者投入大量心血的研究成果,笔者也只有大学毕业,可就人微言轻呀!条条框框加枷锁,破格谈何容易,有不少探究心得若此湮灭就可惜了,奈何,伯乐何处寻?

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