1. 引言

　　清明假期回了趟老家，在家里一間倉(cāng)庫(kù)里，忽然發(fā)現(xiàn)了幾件農(nóng)具，堆在角落里，落了厚厚的一層灰——回想起來(lái)，我已經(jīng)十一年沒(méi)有用過(guò)它們了。我的中考和高考都正趕上麥?zhǔn)諘r(shí)節(jié)，中考是在鎮(zhèn)上，離家五公里，下了考場(chǎng)，騎自行車(chē)回家，還趕得上“揚(yáng)場(chǎng)”，一直干到晚上，倒頭就睡，第二天早上再上考場(chǎng)。高考是在縣城，考前放了幾天假，那個(gè)時(shí)候母親在外地打工，哥哥在上大學(xué)，我和父親一起收完了大部分麥子。考前一天下午到縣城，高考的那兩天里，父親一人收完了剩下的麥子。在那之后，從本科到研究生，再到出國(guó)攻讀博士，再到如今回國(guó)成為一名大學(xué)老師，我?guī)缀踉僖矝](méi)有干過(guò)農(nóng)活了。

　　高考距今已經(jīng)快十一年了，這十一年里，在我的老家，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化水平以超乎任何人想象的速度普及開(kāi)來(lái)，過(guò)去沿襲千百年的“耕牛+人力”的生產(chǎn)模式被徹底改變，曾經(jīng)一家人起早貪黑忙好幾天的活，如今依靠大型機(jī)械幾分鐘便解決了，生產(chǎn)效率提升了何止百倍千倍。我所用過(guò)的那些農(nóng)具，基本上都已經(jīng)徹底退出了歷史舞臺(tái)。我忽然意識(shí)到這樣一個(gè)事實(shí)：我們這一代農(nóng)村青年，已經(jīng)成了這些流傳了千百年的農(nóng)具的最后一批使用者與見(jiàn)證者。若將來(lái)有一天我們不在了，就沒(méi)有人知道它們了。

　　這些農(nóng)具是何時(shí)出現(xiàn)的，我不知道；其發(fā)明者是誰(shuí)，我也不知道。一代又一代的農(nóng)民依靠自己樸素的理解，制作著、使用著這些農(nóng)具，縱使它們隨著技術(shù)的發(fā)展消亡了，也應(yīng)該被記錄下來(lái)，讓知情者對(duì)曾經(jīng)的歲月報(bào)以熱淚，也讓后來(lái)人知道，我們這個(gè)農(nóng)耕民族走到今天，靠的不只是一身蠻力。

　　為此，收假回到學(xué)校后，利用三個(gè)晚上業(yè)余時(shí)間寫(xiě)成此文。這篇文章介紹了陜西關(guān)中地區(qū)最常見(jiàn)的幾種傳統(tǒng)農(nóng)具以及它們使用過(guò)程中的力學(xué)原理，與其說(shuō)是科普，不如說(shuō)是紀(jì)念，謹(jǐn)以此為那些不曾忘卻的回憶做一些科學(xué)的解釋與注腳。

　　2. 農(nóng)具使用過(guò)程中的力學(xué)原理

　　傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中涉及的農(nóng)具多種多樣、紛繁復(fù)雜，本文僅選取五種加以介紹，為了增加行文的科學(xué)性，分別命名如下：I. 可拆卸式復(fù)雜曲線割麥專(zhuān)用鐮刀；II. 基于杠桿原理的自鎖式麥捆裝車(chē)技術(shù)；III. 基于渦流效應(yīng)的除塵去雜質(zhì)簸箕；IV. 自適應(yīng) 01 開(kāi)關(guān)控制下的活塞式風(fēng)箱；V. 循環(huán)沖擊載荷下的?頭抗疲勞連接技術(shù)。

　　2.1 可拆卸式復(fù)雜曲線割麥專(zhuān)用鐮刀

　　可拆卸式復(fù)雜曲線割麥專(zhuān)用鐮刀，因其形似胳膊肘，俗稱(chēng)“肘肘”，是小麥?zhǔn)崭钸^(guò)程中使用的專(zhuān)用鐮刀，如圖 1 所示：

（a）整體效果圖

（b）俯視圖

（c）側(cè)視圖

圖1可拆卸式復(fù)雜曲線割麥專(zhuān)用鐮刀

　　在小麥?zhǔn)崭钸^(guò)程中，鐮刀面臨著麥稈干硬、收割強(qiáng)度大、使用時(shí)間集中等苛刻服役環(huán)境，這些不利因素對(duì)鐮刀刀刃的硬度提出了嚴(yán)苛要求，限于傳統(tǒng)加工水平及經(jīng)濟(jì)條件，一般采用含碳量較高的硬脆鋼制造刀片。即使如此，割麥過(guò)程中刀刃磨損依然很快（一般4-5 個(gè)小時(shí)即需要打磨刃片），整體服役壽命一般僅為1-2 季。若刀片和刀把為一體化連接，頻繁淘汰刀片的同時(shí)也會(huì)淘汰掉服役狀態(tài)良好的刀把，顯然會(huì)造成極大浪費(fèi)。因此，可拆卸式的構(gòu)型可以兼顧經(jīng)濟(jì)性及生產(chǎn)效率。

圖 2 割麥?zhǔn)疽鈭D

　　如圖 2 所示，刀把設(shè)計(jì)為曲線主要原因有兩點(diǎn)：

　　提高刀把末端的施力點(diǎn)以緩解疲勞。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，要求收割的麥稈越長(zhǎng)越好，換言之，留在地里的麥茬越短越好。前者是因?yàn)辂湺捒梢宰鳛樯诘娘暳希笳邉t是為接下來(lái)播種玉米提供便利。在這種情況下，割麥時(shí)要求刀刃越低越好。顯然，對(duì)直線刀把而言，施力路徑應(yīng)沿圖 2 中虛線方向，割麥人就需要最大限度地彎腿彎腰，在夏季烈日暴曬的環(huán)境下，極易疲勞。顯然，刀把設(shè)計(jì)為曲線時(shí)，可顯著提高刀把末端施力點(diǎn)，使割麥人腿部較為舒展，從而有利于緩解割麥人的疲勞。

　　降低刀片打滑割傷左手的風(fēng)險(xiǎn)。如圖 3 所示，若使用直線刀把，在不斷重復(fù)的割麥過(guò)程中，割麥人由于過(guò)度疲勞，會(huì)無(wú)意識(shí)地抬腿伸腰，從而使握持端施力點(diǎn)上升，此時(shí)，刀片與麥稈之間的鈍角進(jìn)一步增大（如圖 3 左圖），加之麥稈干硬，容易打滑而割傷左手。由于刀片鋒利異常，事故一旦出現(xiàn)，往往會(huì)報(bào)銷(xiāo)割麥人整個(gè)割麥季，這在“龍口奪食”的夏收時(shí)節(jié)，后果不堪設(shè)想。對(duì)曲線刀把而言，如圖 2 所示，當(dāng)在刀把末端施以力F時(shí)，由于握持端施力點(diǎn)和刀刃著力點(diǎn)不在一個(gè)水平面上，使得鐮刀沿刀刃著力點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)向下的“低頭力矩”，該力矩可以使刀片與麥稈之間的鈍角減小，更趨近于垂直（如圖 3 右圖），從而減少“打滑”的風(fēng)險(xiǎn)，保證了割麥人的安全。

圖 3 刀片與麥稈夾角示意圖

　　顯然，在割麥過(guò)程中，采用可拆卸式復(fù)雜曲線專(zhuān)用鐮刀，既兼顧了經(jīng)濟(jì)性與高效性，又有利于緩解割麥人的疲勞并保證其在長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)割麥動(dòng)作中的安全。

　　2.2基于杠桿原理的自鎖式麥捆裝車(chē)技術(shù)

　　小麥?zhǔn)崭钔戤吅螅枰邀溊\(yùn)送到打麥場(chǎng)，然后經(jīng)過(guò)“碾場(chǎng)”、“揚(yáng)場(chǎng)”、晾曬等一系列工序，才能顆粒歸倉(cāng)。運(yùn)輸過(guò)程就需要用到架子車(chē)，如圖 4 所示：

圖 4 架子車(chē)

　　顯然，堆積起來(lái)的麥捆需要用繩索綁緊方能運(yùn)輸，那么，如圖 5 所示的麥捆“頭對(duì)頭”的裝車(chē)方式（兩排麥捆以麥穗朝里、麥茬朝外的方式碼放堆積），怎么才能方便可靠地實(shí)現(xiàn)綁緊呢？

圖 5 麥捆及裝車(chē)示意圖

　　一般情況下，假設(shè)一個(gè) 65kg 級(jí)普通成年男子雙臂最大可以提供 40kg 的拉力，那就意味著如果直接用雙手拽緊繩索，所提供的綁緊力必然小于 40kg，這在實(shí)際運(yùn)輸中遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，尤其在山路崎嶇、架子車(chē)顛簸十分嚴(yán)重的情況下。因此必須開(kāi)發(fā)一種綁緊力足夠大、同時(shí)操作又足夠簡(jiǎn)單的綁緊方法。

　　實(shí)踐中，農(nóng)民采用的裝車(chē)方法十分簡(jiǎn)單，如圖 6 所示：

圖 6 麥捆裝車(chē)示意圖

　　圖中藍(lán)線表示繩索，共有兩套，在車(chē)頂通過(guò)三角形木套形成一個(gè)滑動(dòng)定滑輪；在繩索 2 的一端，套上一尖端為楔形的木棒，將尖端插入麥捆，沿虛線箭頭方向從另一端向下壓木棒，即可將繩索拉緊。根據(jù)杠桿原理，可以產(chǎn)生遠(yuǎn)大于成年男子臂力的拉緊力。繩索拉緊后，將木棒順勢(shì)插入麥捆內(nèi)部，自然形成一個(gè)自鎖機(jī)構(gòu)，且綁緊力越大，自鎖效應(yīng)越強(qiáng)。另一方面，不論是裝車(chē)時(shí)木棒插入麥捆，還是卸車(chē)時(shí)木棒拔出麥捆，均只需克服較低的摩擦力，操作十分簡(jiǎn)單。

　　顯然，該方法巧妙地實(shí)現(xiàn)了四兩撥千斤的力學(xué)放大效果以及綁緊后的自鎖效果，且操作十分便利，堪稱(chēng)以人力為主的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式中的最優(yōu)解，是傳統(tǒng)農(nóng)村成年男子的必備技能之一。

　　2.3基于渦流效應(yīng)的除塵去雜質(zhì)簸箕

　　基于渦流效應(yīng)的除塵去雜質(zhì)簸箕，簡(jiǎn)稱(chēng)簸箕，如圖 7 所示：

圖7基于渦流效應(yīng)的除塵去雜質(zhì)簸箕

　　簸箕主要用于分離糧食顆粒與輕質(zhì)雜質(zhì)（如樹(shù)葉、麥穗殼、塵土等），其使用方法及原理如圖 8 所示：

圖 8 簸箕使用示意圖

　　其中，簸箕所盛藍(lán)色顆粒代表糧食顆粒，深黃色顆粒代表輕質(zhì)雜質(zhì)。在使用過(guò)程中，首先將簸箕向上揚(yáng)起，將糧食-雜質(zhì)混雜物拋向空中，然后再將簸箕向下壓至水平，讓糧食顆粒原路落回簸箕。在向下壓的過(guò)程中，簸箕下表面空氣受“壓”，形成高壓氣團(tuán)，簸箕上表面空氣受“拉”，形成低壓氣團(tuán)，這種情況下，下表面的氣流會(huì)被迫沿簸箕邊緣“補(bǔ)償”到上表面，從而形成一個(gè)渦流，糧食中的輕質(zhì)雜質(zhì)就會(huì)被渦流“吹”出簸箕。如此往復(fù)多次，就會(huì)實(shí)現(xiàn)將輕質(zhì)雜質(zhì)分離出糧食顆粒的目的。

　　該方法簡(jiǎn)便易行，廣泛應(yīng)用于小麥、玉米、豆類(lèi)等糧食顆粒的提純操作中。

　　2.4自適應(yīng) 01 開(kāi)關(guān)控制下的活塞式風(fēng)箱

　　風(fēng)箱，是傳統(tǒng)農(nóng)村廚房的必備廚具，旺火大灶必不可少，其布局如圖 9 所示：

圖 9 活塞式風(fēng)箱

　　其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 10 所示：

圖 10 活塞式風(fēng)箱結(jié)構(gòu)示意圖

　　活塞式風(fēng)箱一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是：不論推拉，均可送風(fēng)，其原理如圖 11 和圖 12 所示：

圖 11 推桿過(guò)程中送風(fēng)原理

　　圖 11 中，上圖為側(cè)視圖，下圖為俯視圖。在推桿過(guò)程中，風(fēng)箱內(nèi)活塞右側(cè)氣壓減小，外部空氣涌入，自然頂開(kāi)風(fēng)門(mén)（圖中右側(cè)藍(lán)色矩形薄板，上端活頁(yè)連接到風(fēng)箱箱體，平時(shí)自然下垂，遇外部氣流涌入時(shí)被自然推開(kāi)）；同時(shí)，左側(cè)氣壓增大，且氣壓高于風(fēng)箱外部大氣壓，左側(cè)風(fēng)門(mén)被迫關(guān)閉，氣流被迫涌入底端送風(fēng)管道，中央擋風(fēng)板被“吹”向右側(cè)閉合，從而使氣流向外排出。

　　同理，如圖 12 所示，在拉桿過(guò)程中，左右兩側(cè)風(fēng)門(mén)及中央擋風(fēng)板在氣壓的作用下反向動(dòng)作，使得氣流沿底端送風(fēng)管道右側(cè)涌入并排出。

圖 12 拉桿過(guò)程中送風(fēng)原理

　　顯然，在上述動(dòng)作中，左右兩側(cè)風(fēng)門(mén)及中央擋風(fēng)板可視為 01 開(kāi)關(guān)，在氣壓的作用下自然形成閉合送風(fēng)路徑，且無(wú)需額外的控制手段，在推拉過(guò)程中皆可送風(fēng)，諺曰：風(fēng)箱里的老鼠——兩頭受氣，就是這個(gè)道理。

　　2.5循環(huán)沖擊載荷下的?頭抗疲勞連接技術(shù)

　　?頭，人力挖土工具，如圖 13 所示：

圖 13 ?頭

　　在挖土的過(guò)程中，?頭不斷承受循環(huán)沖擊載荷，若接頭部位連接不當(dāng)，?頭很容易掉落。在實(shí)踐中，?頭的鏈接形式如圖 14 所示：

圖 14 ?頭鏈接示意圖

　　在圖 14 中，先將墊布襯于?頭連接處，再裝入?頭把，然后從虛線位置強(qiáng)行塞入木質(zhì)楔形墊塊（以錘子砸入以實(shí)現(xiàn)過(guò)盈配合），最后從另一端裝入緊固圈，使整個(gè)連接頭處于鎖止?fàn)顟B(tài)。

　　然而，即便如此，在實(shí)際使用過(guò)程中，也常有?頭掉落的情況出現(xiàn)，這是由于結(jié)構(gòu)疲勞失效造成的。所謂疲勞失效，特指循環(huán)載荷下，結(jié)構(gòu)在不斷重復(fù)受力時(shí)發(fā)生破壞失效的現(xiàn)象，其原理如下：

　　實(shí)際使用的材料與結(jié)構(gòu)，均不是“理想”和“完美”的，其中必然存在某種缺陷。在受到靜載荷時(shí)，只要該靜力低于材料或結(jié)構(gòu)的破壞極限，材料就“挺得住”，且由于材料或結(jié)構(gòu)缺陷處的受力會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，完全可以長(zhǎng)期保持。而在循環(huán)載荷下，載荷一次次地作用，局部缺陷部位受力始終無(wú)法達(dá)到平衡狀態(tài)，必然導(dǎo)致缺陷不斷擴(kuò)大。長(zhǎng)此以往，當(dāng)缺陷擴(kuò)大到再也無(wú)法承受外載時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)突然破壞失效。

　　為了提高疲勞壽命，在一些情況下，可以在材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部引入壓應(yīng)力，壓應(yīng)力會(huì)抑制缺陷擴(kuò)展的速率。?頭的連接正是應(yīng)用了這一原理：

圖 15 ?頭抗疲勞連接示意圖

　　如圖 15 所示，在?頭連接時(shí)，專(zhuān)門(mén)墊有墊布，墊布一般采用舊鞋幫等材料制成。在?頭使用前，常常會(huì)蘸一些水，墊布吸水膨脹，會(huì)在?頭連接部位內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而大大提高?頭連接部位的抗疲勞性能。

　　該方法簡(jiǎn)便易行、原理可靠，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于?頭、雙齒、鋤頭等承受循環(huán)沖擊載荷的挖土類(lèi)農(nóng)具中。

　　3. 結(jié)論

　　本文介紹了幾種典型農(nóng)具使用過(guò)程中的力學(xué)原理，結(jié)果表明，傳統(tǒng)農(nóng)具并非技術(shù)含量低下的代名詞，相反，在受限于人力生產(chǎn)條件時(shí)，傳統(tǒng)農(nóng)具的設(shè)計(jì)使用包含了深刻的科學(xué)原理，是當(dāng)時(shí)歷史發(fā)展水平大環(huán)境約束下的最優(yōu)解。因此，既要以開(kāi)放的心態(tài)樂(lè)見(jiàn)技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的巨大紅利，又不宜在享受紅利的同時(shí)脫離歷史條件去指點(diǎn)過(guò)往。而不斷上下求索以推進(jìn)科技發(fā)展水平、突破歷史大環(huán)境約束，正是一代又一代科技工作者的價(jià)值所在。

　　4. 致謝

　　謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給我可愛(ài)的故鄉(xiāng)，并以此紀(jì)念那段不曾褪色的時(shí)光。

參考文獻(xiàn)

　　本文實(shí)物拍攝于作者自家后院倉(cāng)庫(kù)，所用的力學(xué)原理見(jiàn)于任何一本力學(xué)教材，示意圖為作者自行繪制。故本文無(wú)參考文獻(xiàn)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的劳动最光荣：快来看几种传统农具的力学原理的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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