生活中的彈簧

陳喜

對于彈簧，相信大家都不陌生.生活中我們常用到各種彈簧，如自動圓珠筆中的彈簧、拉力器中的彈簧、沙發(fā)中的彈簧等.彈簧存在于我們生活中的方方面面.小到手機、鐘表、電腦，大到輪船、飛機、坦克，其組件都離不開彈簧，彈簧之于機器設(shè)備就像“心臟”之于人體一樣重要.

彈簧在很久以前就已經(jīng)出現(xiàn)并被應(yīng)用了，比方說古代使用的弓以及弩就是兩種彈簧.現(xiàn)在所說的彈簧，在嚴(yán)格意義認(rèn)定是英國的科學(xué)家胡克發(fā)明的.盡管那時候的螺旋壓縮彈簧非常簡陋，但是已經(jīng)能夠滿足生活的基本需求，因此被群眾廣泛地使用.不過后來科學(xué)家提出了“胡克定律”，也就是彈簧的伸長數(shù)量和它所受到的外力在大小方面成正比趨勢.正是依靠這個理論，人們使用螺旋壓縮彈簧制造出測量力的工具，現(xiàn)在大家非常熟悉的彈簧測力計才得以問世.

彈簧有大有小，形態(tài)各異.常見的彈簧是螺旋形的，叫螺旋彈簧.彈簧測力計、擴(kuò)胸器的彈簧都是螺旋彈簧.螺旋彈簧有長有短，有粗有細(xì).有一種用來緊固螺母的彈簧墊圈，只有一圈，在緊固螺絲螺母時都離不開它.有的彈簧制成片形的或板形的，叫簧片或板簧.在口琴、手風(fēng)琴里有銅制的發(fā)聲簧片，在許多電器開關(guān)中也有銅制的簧片，在玩具或鐘表里的發(fā)條是鋼制的板簧，在載重汽車車廂下方也有鋼制的板簧.有的彈簧像蚊香那樣盤繞，例如，電學(xué)測量儀表（電流表、電壓表）內(nèi)，機械鐘表中都安裝了這種彈簧.這種彈簧在被扭轉(zhuǎn)時也會產(chǎn)生恢復(fù)原來形狀的傾向，也可以把它稱之為扭簧.

在生產(chǎn)生活中，彈簧的種類較多.按受力性質(zhì)，彈簧可分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧.按形狀可分為碟形彈簧、環(huán)形彈簧、板彈簧、螺旋彈簧、截錐渦卷彈簧以及扭桿彈簧等.其中碟形彈簧是法國人貝勒維爾發(fā)明的，是用金屬板料或鍛壓坯料而成的截錐形截面的墊圈式彈簧.除了碟形彈簧之外還出現(xiàn)了氣彈簧、橡膠彈簧、渦卷彈簧、模具彈簧、不銹鋼彈簧、空氣彈簧、記憶合金彈簧等新型彈簧.普通圓柱彈簧由于制造簡單，且可根據(jù)受載情況制成各種型式，結(jié)構(gòu)簡單，故應(yīng)用最廣.彈簧的制造材料一般來說應(yīng)具有高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性及良好的熱處理性能等，常用的有碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、不銹彈簧鋼以及銅合金、鎳合金和橡膠等.彈簧的制造方法有冷卷法和熱卷法.彈簧絲直徑小于8毫米的一般用冷卷法，大于8毫米的用熱卷法.有些彈簧在制成后還要進(jìn)行強壓或噴丸處理，以提高彈簧的承載能力.

目前，隨著鈦材的普及，鈦制品的產(chǎn)品越來越受到人們的喜愛，鈦彈簧具有高彈性、高強度、高塑性，和鋼制彈簧相比有較好的抗疲勞性，是一種理想的彈簧材料.與鋼彈簧相比，鈦彈簧具有重量輕、體積小和共振頻率高等優(yōu)點，其密度和只有鋼簧的一半，而強度幾乎與鋼彈簧一樣.由于具有這些特點，在實際應(yīng)用中可將鈦簧設(shè)計得比鋼簧直徑小、圈數(shù)少.一根鈦彈簧比相應(yīng)的鋼彈簧輕3.06kg，對汽車中的四根支撐彈簧來說，可減輕12kg重左右.用鈦彈簧代替鋼彈簧可以輕而易舉地解決長期以來一直困擾著設(shè)計者們的鋼制彈簧太長、直徑太大、質(zhì)量偏大等問題，而且鈦合金具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，所以，可以取消涂層，從而進(jìn)一步降低質(zhì)量.現(xiàn)在，一些跑車中已經(jīng)使用了鈦彈簧.例如，鈦彈簧已在Ford Simon&Simon;賽車中使用兩年以上，減輕重量達(dá)36kg左右.

形形色色的彈簧在不同場合下發(fā)揮著不同的功能，下面就來談?wù)剰椈删唧w的功能有哪些？

1.測量功能.我們知道，彈簧的工作原理是：在彈性限度內(nèi)，彈簧的伸長（或壓縮）跟外力成正比，利用彈簧這一性質(zhì)可制成彈簧測力計.在彈簧測力計中，主要部件就是彈簧.

2.緊壓功能.觀察各種電器開關(guān)會發(fā)現(xiàn)，開關(guān)的兩個觸頭中，必然有一個觸頭裝有彈簧，以保證兩個觸頭緊密接觸，使導(dǎo)通良好.如果接觸不良，接觸處的電阻變大，電流通過時產(chǎn)生的熱量變大，嚴(yán)重的還會使接觸處的金屬熔化.卡口燈頭的兩個金屬柱都裝有彈簧也是為了接觸良好；至于螺口燈頭的中心金屬片以及所有插座的接插金屬片都是簧片，其功能都是使雙方緊密接觸，以保證導(dǎo)通良好.在盒式磁帶中，有一塊用磷青銅制成的簧片，利用它彎曲形變時產(chǎn)生的彈力使磁頭與磁帶密切接觸.在訂書機中有一個長螺旋彈簧，它的作用一方面是頂緊訂書釘，另一方面是當(dāng)最前面的釘被推出后，可以將后面的釘送到最前面以備釘書時推出，這樣，就能自動地將一個個釘推到最前面，直到釘全部用完為止.許多機器自動供料，自動步槍中的子彈自動上膛都靠彈簧的這種功能.此外，像夾衣服的夾子，圓珠筆、鋼筆套上的夾片都利用彈簧的緊壓功能夾在衣服上.

3.復(fù)位功能.彈簧在外力作用下發(fā)生形變，撤去外力后，彈簧就能恢復(fù)原狀.很多工具和設(shè)備都是利用彈簧這一性質(zhì)來復(fù)位的.例如，許多建筑物大門的合頁上都裝了復(fù)位彈簧，人進(jìn)出后，門會自動復(fù)位.人們還利用這一功能制成了自動傘、自動鉛筆等用品，十分方便.此外，各種按鈕、按鍵也少不了復(fù)位彈簧.

4.帶動功能.機械鐘表、發(fā)條玩具都是靠上緊發(fā)條帶動的.當(dāng)發(fā)條被上緊時，發(fā)條產(chǎn)生彎曲形變，存儲一定的彈性勢能.釋放后，彈性勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，通過傳動裝置帶動時、分、秒針或輪子轉(zhuǎn)動.在許多玩具槍中都裝有彈簧，彈簧被壓縮后具有勢能，扣動扳機，彈簧釋放，勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，撞擊小球沿槍管射?田徑比賽用的發(fā)令槍和軍用槍支也是利用彈簧被釋放后彈性勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽茏矒舭l(fā)令紙或子彈的引信完成發(fā)令或發(fā)火任務(wù)的.

5.緩沖功能.在機車、汽車車架與車輪之間裝有彈簧，利用彈簧的彈性來減緩車輛的顛簸.

6.振動發(fā)聲功能.當(dāng)空氣從口琴、手風(fēng)琴中的簧孔中流動時，沖擊簧片，簧片振動發(fā)出聲音.

說到了彈簧，我們有必要進(jìn)一步認(rèn)識一下彈力.彈力是由于物體發(fā)生彈性形變產(chǎn)生的力，推、拉、提、壓等形式中產(chǎn)生的力都是彈力.彈簧受力后發(fā)生形變，也會產(chǎn)生彈力.其因果關(guān)系是“外力——形變——彈力”.在初中階段，為了便于同學(xué)們自學(xué)和容易理解，一般從“外力——形變”的因果關(guān)系出發(fā)闡述原因，得出在一定范圍內(nèi)，彈簧的伸長量跟其所受的拉力成正比.這個規(guī)律稱之為胡克定律.但在高中物理中，將改為從后一個因果關(guān)系出發(fā)，建立彈力與形變的關(guān)系.彈力產(chǎn)生的條件有兩個：一是兩物體互相接觸；二是物體發(fā)生彈性形變（包括人眼不能觀察到的微小形變）.需要注意的是：任何物體只要發(fā)生了彈性形變，就一定會對與它接觸的物體產(chǎn)生彈力.一旦超出彈性形變范圍，就會徹底失去彈力（即是超過了彈性限度，塑性物體除外）.

當(dāng)然，生活中無處不在的彈簧給我們帶來了諸多便利，我們需要進(jìn)一步認(rèn)識它、研究它，讓它給我們帶來更大的可利用的價值.