張銘軒

項(xiàng)目的提出

日常生活中人們經(jīng)常碰到小口瓶壁厚、金屬鍋壁厚的測量問題。這類尺寸用直尺、卷尺不好量，游標(biāo)卡尺往往又伸不進(jìn)孔，無法同時接觸到它們的內(nèi)外壁。怎樣才能讓尺子同時接觸到它們的內(nèi)外壁進(jìn)行測量呢？我看到人們有時用姆指和食指夾住物體憑感覺經(jīng)驗(yàn)判斷厚度的方法，于是想到模仿人的虎口形狀，把尺子的2個測量頭做成鉗口形狀，中間穿一個銷子，可以實(shí)現(xiàn)量具測量面與物體內(nèi)外壁同時接觸，解決了接觸的問題。而怎樣把鉗口張開的距離（壁厚）量出來，就需要研究制作一把鉗型厚度尺專門用來測量類似的物體。

方案設(shè)想

在使用鉗子的時候我有這樣的感覺：鉗口夾持厚度越大，鉗子手把分開的距離也越大，鉗口張開的大小與手把分開的大小是成正比的，在鉗口重復(fù)夾同一厚度的物體時，手把的張開大小也是固定的，反過來如果手把張開到相同的位置，那么鉗口夾住的厚度也就確定了。如果在2個手把之間裝一把尺子，在夾不同厚度的情況下在尺子上標(biāo)出記號，那么，在測量物體時，看這把尺子上的記號，就可以知道被夾物體的厚度了。這樣，鉗型厚度尺的初步方案形成了：厚度尺做成交叉鉗形狀，中間用鉚釘連接，讓兩頭都可以張開、合攏；鉚釘?shù)囊活^鉗口做成人手虎口的形狀，便于鉗口測量面與兩被測量壁的接觸，另一頭在左右鉗臂手把上裝一個能測量讀數(shù)的部件，把左右鉗臂手把連接起來，這樣，就可以把鉗口的開口距離顯示出來；把鉗頭做成一個圓弧，因?yàn)閳A心到圓上各點(diǎn)的距離相同，所以無論如何張開都不會影響精度，從而達(dá)到精確測量壁厚的目的。那么我的想法是否一定成立呢？為了證明我的想法，我想到了我初一剛剛學(xué)習(xí)過的相似三角形，鉗口的大小與鉗子的轉(zhuǎn)動點(diǎn)與兩鉗臂手把之間的尺子形成了兩個相似三角形，不管鉗口張開多大，這兩個三角形依然相似。

研制過程

首先，我在紙上劃了一個大概的虎口鉗子的模樣，鉗口的尺寸比照自己拇指和食指大小，鉗臂手把一邊畫了一把尺子，另一邊畫了一個指針。然后，我又找了一把火鉗，還有鐵皮、螺絲、鉚釘和銷子等材料開始制作。經(jīng)過剪切、彎曲、錘打、鉆孔、刻線等配件制作，用鐵皮做成1對對稱的指狀鉗口，用螺釘安裝在火鉗的一頭，另一頭用鐵皮做成直尺和指針，用螺釘分別裝在2個不同的鉗臂手把上。做好以后，我試用了一下，發(fā)現(xiàn)活動很不方便，甚至動不了！原來尺子是不能固定在手把上的，它必須隨手把的開合有一個擺動；指針也不能固定，它必須隨尺子的擺動保持與尺子中心線的垂直關(guān)系。于是就把固定改為鉸鏈鉚接，直尺改為可以伸縮的尺。就這樣，一邊做一邊改一邊試，不斷摸索、修改，逐步弄清了鉗口、鉗臂和伸縮尺之間相似三角形的關(guān)系，明確了測量讀數(shù)與測量厚度比例關(guān)系和鉗口圓弧形狀尺寸的作用，結(jié)構(gòu)上也逐步完善，使用更為方便，最后達(dá)到了滿意的效果，能夠比較方便、快捷地測量出小口瓶的壁厚和金屬鍋邊的厚度。為了提高測量的精度，我還給厚度尺加上了游標(biāo)。設(shè)計(jì)圖見圖1，實(shí)物照片見圖2。我用14.8mm x 9.7mm x 4.9mm的長方體，分別用游標(biāo)卡尺和鉗形厚度尺對其長、寬、高各測量3次，對測量值和3次測量平均值進(jìn)行比較，觀察鉗形厚度尺的測量正確性。測試結(jié)果表明，鉗形厚度尺完全滿足測量精度要求。

幾點(diǎn)認(rèn)識

經(jīng)過這次科研活動，我對鉗形厚度尺有了一定的體會，總結(jié)如下。

鉗口的結(jié)構(gòu)形狀要做成虎口形，一方面要讓鉗口測量面與被測壁接觸，另一方面不能讓鉗口非測量面與被測物體接觸，也就是鉗口內(nèi)腔半寬耍大于瓶口到瓶孔壁的距離，鉗口內(nèi)腔深度要大于瓶口平面到瓶底的距離。

鉗形厚度尺的尺寸關(guān)系耍符合中心對稱的相似三角形的要求，即以中間鉸鏈為中心，鉗口圓弧中心/鉗口圓弧中心連線中點(diǎn)形成的直角三角形與對應(yīng)鉗臂鉸鏈中心/讀數(shù)裝置中心線中點(diǎn)形成的直角三角形是相似三角形。并以中間鉸鏈公共點(diǎn)形成中心對稱（鉗口圓弧中心、中間鉸鏈中心和對應(yīng)鉗臂鉸鏈中心三點(diǎn)成直線），這樣才能確保開關(guān)時對應(yīng)邊成比例。

鉗口圓弧中心到中心鉸鏈距離與測量讀數(shù)裝置鉸鏈到中間鉸鏈距離采用不同比例（如1：2、1：5），可以將讀數(shù)細(xì)分，讀數(shù)裝置上的1 mm可以讀成0.2mm或0.5mm，從而獲得更為精確的測量效果。原理見圖3。

鉗口圓弧面到圓弧中心的半徑不變。鉗口張開后，雖然鉗口轉(zhuǎn)了一個角度，但兩圓心連線中，兩端鉗口接觸測量點(diǎn)到其圓心的距離保持不變，才能保證測量正確性。

用途

該量具非常適合于溝槽、彎曲工件及孔內(nèi)壁厚和應(yīng)避免直接接觸（如高溫、低溫、有毒）物體的測量，其測量范圍是0-20mm。

創(chuàng)新點(diǎn)

虎口形鉗口解決了鉗口測量面與被測部位可靠接觸。

讀數(shù)裝置鉸鏈中心、中間鉸鏈中心和鉗口圓弧中心三點(diǎn)在一條直線上，從相似三角形的原理上確保關(guān)系的成立。

鉗口圓弧面以相似三角形交點(diǎn)為圓心，確保鉗口張開后，轉(zhuǎn)了一個角度，但兩圓心連線之中，兩端鉗口接觸測量點(diǎn)到其圓心的距離始終為半徑常量，保證了測量結(jié)果的正確性。

傘鉗口與鉗臂臂長采用放大的比例，可以用1 mm刻度顯示小于1mm的讀數(shù)值。

專家評語

項(xiàng)目利用相似三角形原理，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以測量許多傳統(tǒng)測量工具不易測量的部分尺寸，具有較好的科學(xué)性、創(chuàng)新性和實(shí)用性。實(shí)物觀察和現(xiàn)場問辯表明該項(xiàng)目作品能夠較好地實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的意圖。建議項(xiàng)目作者通過后續(xù)作品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)一步提高作品的測量精度和測量結(jié)果的穩(wěn)定性，以達(dá)到可以在未來市場上實(shí)用的目的。