几种传统农具使用过程中的力学原理
1. 引言清明假期回了趟老家，在家里一间仓库里，忽然发现了几件农具，堆在角落里，落了厚厚的一层灰——回想起来，我已经十一年没有用过它们了。我的中考和高考都正赶上麦收时节，中考是在镇上，离家五公里，下了考场，骑自行车回家，还赶得上“扬场”，一直干到晚上，倒头就睡，第二天早上再上考场。高考是在县城，考前放了几天假，那个时候母亲在外地打工，哥哥在上大学，我和父亲一起收完了大部分麦子。考前一天下午到县城，高考的那两天里，父亲一人收完了剩下的麦子。在那之后，从本科到研究生，再到出国攻读博士，再到如今回国成为一名大学老师，我几乎再也没有干过农活了。
高考距今已经快十一年了，这十一年里，在我的老家，农业生产的机械化水平以超乎任何人想象的速度普及开来，过去沿袭千百年的“耕牛+人力”的生产模式被彻底改变，曾经一家人起早贪黑忙好几天的活，如今依靠大型机械几分钟便解决了，生产效率提升了何止百倍千倍。我所用过的那些农具，基本上都已经彻底退出了历史舞台。我忽然意识到这样一个事实：我们这一代农村青年，已经成了这些流传了千百年的农具的最后一批使用者与见证者。若将来有一天我们不在了，就没有人知道它们了。
这些农具是何时出现的，我不知道；其发明者是谁，我也不知道。一代又一代的农民依靠自己朴素的理解，制作着、使用着这些农具，纵使它们随着技术的发展消亡了，也应该被记录下来，让知情者对曾经的岁月报以热泪，也让后来人知道，我们这个农耕民族走到今天，靠的不只是一身蛮力。
为此，收假回到学校后，利用三个晚上业余时间写成此文。这篇文章介绍了陕西关中地区最常见的几种传统农具以及它们使用过程中的力学原理，与其说是科普，不如说是纪念，谨以此为那些不曾忘却的回忆做一些科学的解释与注脚。
2. 农具使用过程中的力学原理
传统农业生产中涉及的农具多种多样、纷繁复杂，本文仅选取五种加以介绍，为了增加行文的科学性，分别命名如下： I. 可拆卸式复杂曲线割麦专用镰刀；II. 基于杠杆原理的自锁式麦捆装车技术；III. 基于涡流效应的除尘去杂质簸箕；IV. 自适应01开关控制下的活塞式风箱；V. 循环冲击载荷下的䦆头抗疲劳连接技术。
2.1 可拆卸式复杂曲线割麦专用镰刀
可拆卸式复杂曲线割麦专用镰刀，因其形似胳膊肘，俗称“肘肘”，是小麦收割过程中使用的专用镰刀，如图1所示：
图1 可拆卸式复杂曲线割麦专用镰刀
在小麦收割过程中，镰刀面临着麦秆干硬、收割强度大、使用时间集中等苛刻服役环境，这些不利因素对镰刀刀刃的硬度提出了严苛要求，限于传统加工水平及经济条件，一般采用含碳量较高的硬脆钢制造刀片。即使如此，割麦过程中刀刃磨损依然很快（一般4-5个小时即需要打磨刃片），整体服役寿命一般仅为1-2季。若刀片和刀把为一体化连接，频繁淘汰刀片的同时也会淘汰掉服役状态良好的刀把，显然会造成极大浪费。因此，可拆卸式的构型可以兼顾经济性及生产效率。
图2 割麦示意图
如图2所示，刀把设计为曲线主要原因有两点：
提高刀把末端的施力点以缓解疲劳。传统农业生产中，要求收割的麦秆越长越好，换言之，留在地里的麦茬越短越好。前者是因为麦秆可以作为牲口的饲料，后者则是为接下来播种玉米提供便利。在这种情况下，割麦时要求刀刃越低越好。显然，对直线刀把而言，施力路径应沿图2中虚线方向，割麦人就需要最大限度地弯腿弯腰，在夏季烈日暴晒的环境下，极易疲劳。显然，刀把设计为曲线时，可显著提高刀把末端施力点，使割麦人腿部较为舒展，从而有利于缓解割麦人的疲劳。
降低刀片打滑割伤左手的风险。如图3所示，若使用直线刀把，在不断重复的割麦过程中，割麦人由于过度疲劳，会无意识地抬腿伸腰，从而使握持端施力点上升，此时，刀片与麦秆之间的钝角进一步增大（如图3左图），加之麦秆干硬，容易打滑而割伤左手。由于刀片锋利异常，事故一旦出现，往往会报销割麦人整个割麦季，这在“龙口夺食”的夏收时节，后果不堪设想。对曲线刀把而言，如图2所示，当在刀把末端施以力F时，由于握持端施力点和刀刃着力点不在一个水平面上，使得镰刀沿刀刃着力点产生一个向下的“低头力矩”，该力矩可以使刀片与麦秆之间的钝角减小，更趋近于垂直（如图3右图），从而减少“打滑”的风险，保证了割麦人的安全。
图3 刀片与麦秆夹角示意图
显然，在割麦过程中，采用可拆卸式复杂曲线专用镰刀，既兼顾了经济性与高效性，又有利于缓解割麦人的疲劳并保证其在长时间重复割麦动作中的安全。
2.2 基于杠杆原理的自锁式麦捆装车技术
小麦收割完毕后，需要把麦捆运送到打麦场，然后经过“碾场”、“扬场”、晾晒等一系列工序，才能颗粒归仓。运输过程就需要用到架子车，如图4所示：
图4 架子车
显然，堆积起来的麦捆需要用绳索绑紧方能运输，那么，如图5所示的麦捆“头对头”的装车方式（两排麦捆以麦穗朝里、麦茬朝外的方式码放堆积），怎么才能方便可靠地实现绑紧呢？
图5 麦捆及装车示意图
一般情况下，假设一个65kg级普通成年男子双臂最大可以提供40kg的拉力，那就意味着如果直接用双手拽紧绳索，所提供的绑紧力必然小于40kg，这在实际运输中远远不够，尤其在山路崎岖、架子车颠簸十分严重的情况下。因此必须开发一种绑紧力足够大、同时操作又足够简单的绑紧方法。
实践中，农民采用的装车方法十分简单，如图6所示：
图6 麦捆装车示意图
图中蓝线表示绳索，共有两套，在车顶通过三角形木套形成一个滑动定滑轮；在绳索2的一端，套上一尖端为楔形的木棒，将尖端插入麦捆，沿虚线箭头方向从另一端向下压木棒，即可将绳索拉紧。根据杠杆原理，可以产生远大于成年男子臂力的拉紧力。绳索拉紧后，将木棒顺势插入麦捆内部，自然形成一个自锁机构，且绑紧力越大，自锁效应越强。另一方面，不论是装车时木棒插入麦捆，还是卸车时木棒拔出麦捆，均只需克服较低的摩擦力，操作十分简单。
显然，该方法巧妙地实现了四两拨千斤的力学放大效果以及绑紧后的自锁效果，且操作十分便利，堪称以人力为主的农业生产方式中的最优解，是传统农村成年男子的必备技能之一。
2.3 基于涡流效应的除尘去杂质簸箕
基于涡流效应的除尘去杂质簸箕，简称簸箕，如图7所示：
图7 基于涡流效应的除尘去杂质簸箕
簸箕主要用于分离粮食颗粒与轻质杂质（如树叶、麦穗壳、尘土等），其使用方法及原理如图8所示：
图8 簸箕使用示意图
其中，簸箕所盛蓝色颗粒代表粮食颗粒，深黄色颗粒代表轻质杂质。在使用过程中，首先将簸箕向上扬起，将粮食-杂质混杂物抛向空中，然后再将簸箕向下压至水平，让粮食颗粒原路落回簸箕。在向下压的过程中，簸箕下表面空气受“压”，形成高压气团，簸箕上表面空气受“拉”，形成低压气团，这种情况下，下表面的气流会被迫沿簸箕边缘“补偿”到上表面，从而形成一个涡流，粮食中的轻质杂质就会被涡流“吹”出簸箕。如此往复多次，就会实现将轻质杂质分离出粮食颗粒的目的。
该方法简便易行，广泛应用于小麦、玉米、豆类等粮食颗粒的提纯操作中。
2.4 自适应01开关控制下的活塞式风箱
风箱，是传统农村厨房的必备厨具，旺火大灶必不可少，其布局如图9所示：
图9 活塞式风箱
其结构示意图如图10所示：
图10 活塞式风箱结构示意图
活塞式风箱一个最大的优点是：不论推拉，均可送风，其原理如图11和图12所示：
图11 推杆过程中送风原理
图11中，上图为侧视图，下图为俯视图。在推杆过程中，风箱内活塞右侧气压减小，外部空气涌入，自然顶开风门（图中右侧蓝色矩形薄板，上端活页连接到风箱箱体，平时自然下垂，遇外部气流涌入时被自然推开）；同时，左侧气压增大，且气压高于风箱外部大气压，左侧风门被迫关闭，气流被迫涌入底端送风管道，中央挡风板被“吹”向右侧闭合，从而使气流向外排出。
同理，如图12所示，在拉杆过程中，左右两侧风门及中央挡风板在气压的作用下反向动作，使得气流沿底端送风管道右侧涌入并排出。
图12 拉杆过程中送风原理
显然，在上述动作中，左右两侧风门及中央挡风板可视为01开关，在气压的作用下自然形成闭合送风路径，且无需额外的控制手段，在推拉过程中皆可送风，谚曰：风箱里的老鼠——两头受气，就是这个道理。
2.5 循环冲击载荷下的䦆头抗疲劳连接技术
䦆头，人力挖土工具，如图13所示：
图13 䦆头
在挖土的过程中，䦆头不断承受循环冲击载荷，若接头部位连接不当，䦆头很容易掉落。在实践中，䦆头的链接形式如图14所示：
图14 䦆头链接示意图
在图14中，先将垫布衬于䦆头连接处，再装入䦆头把，然后从虚线位置强行塞入木质楔形垫块（以锤子砸入以实现过盈配合），最后从另一端装入紧固圈，使整个连接头处于锁止状态。
然而，即便如此，在实际使用过程中，也常有䦆头掉落的情况出现，这是由于结构疲劳失效造成的。所谓疲劳失效，特指循环载荷下，结构在不断重复受力时发生破坏失效的现象，其原理如下：
实际使用的材料与结构，均不是“理想”和“完美”的，其中必然存在某种缺陷。在受到静载荷时，只要该静力低于材料或结构的破坏极限，材料就“挺得住”，且由于材料或结构缺陷处的受力会达到一个平衡状态，完全可以长期保持。而在循环载荷下，载荷一次次地作用，局部缺陷部位受力始终无法达到平衡状态，必然导致缺陷不断扩大。长此以往，当缺陷扩大到再也无法承受外载时，结构就会突然破坏失效。
为了提高疲劳寿命，在一些情况下，可以在材料或结构内部引入压应力，压应力会抑制缺陷扩展的速率。䦆头的连接正是应用了这一原理：
图15 䦆头抗疲劳连接示意图
如图15 所示，在䦆头连接时，专门垫有垫布，垫布一般采用旧鞋帮等材料制成。在䦆头使用前，常常会蘸一些水，垫布吸水膨胀，会在䦆头连接部位内部产生压应力，从而大大提高䦆头连接部位的抗疲劳性能。
该方法简便易行、原理可靠，已经广泛应用于䦆头、双齿、锄头等承受循环冲击载荷的挖土类农具中。
3. 结论
本文介绍了几种典型农具使用过程中的力学原理，结果表明，传统农具并非技术含量低下的代名词，相反，在受限于人力生产条件时，传统农具的设计使用包含了深刻的科学原理，是当时历史发展水平大环境约束下的最优解。因此，既要以开放的心态乐见技术发展带来的巨大红利，又不宜在享受红利的同时脱离历史条件去指点过往。而不断上下求索以推进科技发展水平、突破历史大环境约束，正是一代又一代科技工作者的价值所在。
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