師景陽

夏天來了，想必在涼爽的房間里吹著空調(diào)或風(fēng)扇是一件非常享受的事情吧！當(dāng)我們享受夏日的同時(shí)，你是否想過這些在我們身邊，默默為我們提供清涼的電器是怎么工作的呢？也許我們已經(jīng)對它們非常熟悉了，但對于有旺盛好奇心的孩子來說，這些電器便是天然的游樂場。許多人在童年的時(shí)候，都有對著風(fēng)扇說話，讓風(fēng)把聲音吹得抖動起來的經(jīng)歷，還有很多孩子嘗試用手捏住搖頭風(fēng)扇后方的搖擺按鈕，想知道它為什么會不停地旋轉(zhuǎn)。

孩子們的好奇心是科技教育不斷前進(jìn)的源泉，而讓孩子對他好奇的東西進(jìn)行重構(gòu)是學(xué)習(xí)機(jī)械結(jié)構(gòu)的好方法。我們將用樂高機(jī)械件搭建一個(gè)搖頭風(fēng)扇，讓孩子們在搭建的過程中學(xué)習(xí)機(jī)械知識和原理。

機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

要搭建出搖頭風(fēng)扇，首先我們要知道它是怎么工作的。有些人可能會認(rèn)為，搖頭風(fēng)扇內(nèi)部裝有專門用于搖頭控制的電機(jī)，以達(dá)到控制搖頭的目的。實(shí)際上，機(jī)械式的搖頭風(fēng)扇并沒有那么復(fù)雜，下面這個(gè)圖很好地呈現(xiàn)出機(jī)械式搖頭風(fēng)扇的工作方式——原來，它的動力源自于主電動機(jī)的轉(zhuǎn)動，并通過一系列的連接件讓電機(jī)的轉(zhuǎn)動變化成風(fēng)扇的搖動。在這個(gè)案例中，電機(jī)的轉(zhuǎn)動經(jīng)過3個(gè)機(jī)構(gòu)的變化才實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇的搖頭轉(zhuǎn)動。

下圖是用樂高搭建搖頭風(fēng)扇轉(zhuǎn)動部分的核心零件。我們可以看到，它可以分為橫向軸和豎向軸2個(gè)部分，橫向軸連接的是風(fēng)扇的電機(jī);豎向軸上連接著2個(gè)齒輪，代表的是電風(fēng)扇后方的搖頭開關(guān)。下圖處于“拔起”的狀態(tài)，即停止搖頭，當(dāng)把豎向軸按下時(shí)，齒輪會向下移動1個(gè)軸套的距離，與橫軸上的齒輪嚙合，風(fēng)扇就可以搖頭了。

減速機(jī)構(gòu)

我們知道風(fēng)扇中電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度是非常快的（把手伸進(jìn)風(fēng)扇里的好奇孩子應(yīng)該更深有體會，但是千萬不要特意這樣做），而我們并不希望讓風(fēng)扇瘋狂地?fù)u頭，而是想讓它緩慢地轉(zhuǎn)動。這就需要用到減速機(jī)構(gòu)將速度降下來。這里用到的機(jī)構(gòu)有蝸桿減速機(jī)構(gòu)和齒輪減速機(jī)構(gòu)。

首先是蝸桿減速機(jī)構(gòu)，在電動機(jī)后方的軸上連接的螺旋狀的齒輪便是蝸桿。蝸桿，是指具有1個(gè)或幾個(gè)螺旋齒，并且與蝸輪嚙合而組成交錯(cuò)軸齒輪副的齒輪。它可以用于改變轉(zhuǎn)動的方向和減速的效果。我們可以把蝸桿看成只有1個(gè)齒的齒輪，蝸桿旋轉(zhuǎn)1圈，與之連接的齒輪轉(zhuǎn)動1齒，它的減速效率是很高的。當(dāng)按下?lián)u頭開關(guān)時(shí)，蝸桿與24齒齒輪嚙合，這時(shí)候相當(dāng)于電機(jī)轉(zhuǎn)動24周，齒輪才會轉(zhuǎn)動1周。

即使有了蝸桿減速機(jī)構(gòu)，它的轉(zhuǎn)速依舊非?？?。這時(shí)候我們可以運(yùn)用齒輪減速機(jī)構(gòu)進(jìn)一步降低旋轉(zhuǎn)速度。齒輪減速機(jī)構(gòu)是齒輪變速機(jī)構(gòu)的一種，生活中齒輪變速機(jī)構(gòu)的應(yīng)用非常多，汽車的變速箱就是齒輪變速的例子。如果你熟悉汽車的話，你會發(fā)現(xiàn)掛高擋能讓車的速度變得更快，而掛低擋能讓車變得更有力量，這是因?yàn)樵趻鞊鯐r(shí)改變了變速箱中齒輪嚙合的組合，從而實(shí)現(xiàn)了變速的效果。

提到齒輪變速機(jī)構(gòu)，我們不得不提一個(gè)概念：傳動比。所謂傳動比，是指在2個(gè)嚙合的平面齒輪中，主動輪齒數(shù)和從動輪齒數(shù)的比值。下圖的3個(gè)大齒輪是主動輪，齒數(shù)分別是16齒、24齒和40齒，它們分別與1個(gè)8齒的從動輪嚙合，它們的傳動比就分別是2：1、3：1和5：1?？梢韵胂?，如果主動輪轉(zhuǎn)動了l周，8齒的從動輪就要分別轉(zhuǎn)動2周、3周和5周。換句話說，傳動比=從動輪轉(zhuǎn)速：主動輪轉(zhuǎn)速。高傳動比的齒輪變速機(jī)構(gòu)能提高轉(zhuǎn)速，而低傳動比齒輪變速機(jī)構(gòu)能降低轉(zhuǎn)速。

在搖頭風(fēng)扇中，齒輪減速機(jī)構(gòu)體現(xiàn)在開關(guān)下方的黃色小齒輪與最下方黑色齒輪的嚙合上。當(dāng)按下?lián)u頭風(fēng)扇的開關(guān)時(shí)，8齒的小齒輪與24齒大齒輪嚙合，小齒輪是主動輪，大齒輪是從動輪，它們的傳動比是1：3.也就是說，當(dāng)小齒輪轉(zhuǎn)動3周時(shí)，大齒輪才轉(zhuǎn)動1周。

由于黃色8齒齒輪與24齒齒輪同軸，所以它們的轉(zhuǎn)速是一致的，從上方2個(gè)減速機(jī)構(gòu)我們不難得出，電動機(jī)轉(zhuǎn)動24周時(shí)，黃色小齒輪才轉(zhuǎn)動1周;當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動72周時(shí)，下方的黑色大齒輪才轉(zhuǎn)動1周，也就是說，風(fēng)扇才完成了1個(gè)搖頭周期（由于力矩的改變，轉(zhuǎn)動起來也不那么費(fèi)力了），這個(gè)速度能讓我們更好地享受風(fēng)扇帶來的絲絲涼意。

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

完成從齒輪轉(zhuǎn)動到風(fēng)扇搖頭轉(zhuǎn)變的是連接在齒輪下方的3根連桿，它們構(gòu)成了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。曲柄搖桿是指具有1個(gè)曲柄和1個(gè)搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。在這個(gè)案例中，白色梁一端是固定在風(fēng)扇上方的，而另一端具有旋轉(zhuǎn)的自由度。紅色的梁并非固定在黑色齒輪的正下方，而是與齒輪邊上的孔連接（這里可能看不太清楚），構(gòu)成曲柄機(jī)構(gòu)。齒輪轉(zhuǎn)動時(shí)，在綠色梁（搖桿）的帶動下，整個(gè)機(jī)構(gòu)呈現(xiàn)往復(fù)搖頭的效果。

搭建方式

在科技學(xué)堂微信公眾號（sciclass）上回復(fù)關(guān)鍵詞“搖頭風(fēng)扇”，即可下載詳細(xì)的搭建說明書。