創(chuàng)客教育材料漫談——緊固件

陳染

上一期，我們談到了創(chuàng)客教育的幾種常用黏合劑，它們可以很好地將不同的材料連接在一起。除了黏合劑，緊固件也可以將不同材料連接起來。機(jī)械設(shè)計(jì)中的緊固件是指將2個(gè)或多個(gè)機(jī)械元件緊固連接為一體的機(jī)械零件，它們的結(jié)構(gòu)、尺寸、畫法、標(biāo)記完全標(biāo)準(zhǔn)化，包括螺釘、螺母、鉚釘、銷、焊釘、墊圈7個(gè)基本類別。除了這7大類之外，創(chuàng)客教育中的緊固件還包括扣子、拉鏈、扎帶、夾子、魔術(shù)貼等生活中常用的材料，它們同樣具備將2個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)連接起來的功能。

同樣用于材料的連接，緊固件和黏合劑的差別還是非常明顯的。從原理上看，黏合劑是通過分子層面的物理和化學(xué)作用，改變分子間的作用力將材料黏合起來；緊固件是利用宏觀的物理作用，通過摩擦力將材料固定起來。從用途上看，黏合劑通常只能用于剛性連接，連接的2個(gè)材料不能發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)；緊固件不僅可以用于剛性連接，還可以用于鉸接，相連接的物體不能分離但能相對活動(dòng)。從作用上看，大多數(shù)黏合材料只能1次使用，除非使用特殊的溶劑或工具，拆卸時(shí)容易對材料造成損傷；而大多數(shù)緊固件能夠多次拆卸而不損傷材料。

為了更好地描述創(chuàng)客教育中常用的緊固件，我們粗略將它分為銷釘材料、捆扎材料、壓夾材料、搭扣材料4個(gè)類型，并用創(chuàng)客案例分析它們的特點(diǎn)。

銷釘材料

機(jī)械設(shè)計(jì)中的銷釘是指用木制、金屬或其他材質(zhì)制成的一類零件，銷釘呈圓柱形，也有一頭呈錐形的，它可以通過物體之間的圓孔或凹槽將2個(gè)物體緊固起來。在這里，我們將需要在物體表面開孔或制作凹槽進(jìn)行緊固的材料都?xì)w為銷釘材料，它包括鉚釘、螺絲、銷釘、法蘭等標(biāo)準(zhǔn)緊固件，也包括訂書釘、大頭釘、雞眼釘、兩腳釘、鉸鏈等常用創(chuàng)客制作材料。

使用銷釘材料進(jìn)行固定時(shí)，我們需要考慮要連接的材料是否適合鉆孔或開槽；如果適合，需要開多大的孔或槽。選用釘子、螺絲、銷釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件時(shí)，需要認(rèn)真挑選材料的規(guī)格。以螺絲為例，材料上開孔的大小與螺絲外螺紋的直徑相關(guān)，你可以查閱螺絲規(guī)格表確定開孔大小。

使用銷釘材料不僅可以將物體進(jìn)行剛性連接，有的銷釘材料還可以提供旋轉(zhuǎn)的自由度，鉸鏈?zhǔn)且粋€(gè)典型的例子。鉸鏈又叫合頁，它連接的兩個(gè)物體可以鉸鏈的軸為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，門窗的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是典型的鉸鏈。

銷釘材料在工業(yè)中使用十分廣泛，但在創(chuàng)客教育中卻受到一定限制。銷釘材料有一定危險(xiǎn)性，對安全操作要求較高。例如，釘子、自攻螺絲、圖釘?shù)炔牧暇哂屑怃J的頭部，容易扎傷人，銷釘材料常常與錘子、螺絲刀、錐子、電鉆等配合使用，這些工具的不規(guī)范操作可能會(huì)造成嚴(yán)重后果。所以，在創(chuàng)客教育中銷釘材料的選擇不僅要考慮操作需要，更要考慮操作安全性。

科技學(xué)堂的創(chuàng)客案例“剪式升降機(jī)”便是一個(gè)運(yùn)用銷釘材料的例子?！凹羰缴禉C(jī)”使用的主要結(jié)構(gòu)材料是帶孔冰棒棍，并用兩腳釘進(jìn)行連接。與普通的冰棒棍相比，帶孔冰棒棍上自帶的5個(gè)孔很適合用銷釘材料進(jìn)行緊固。兩腳釘在生活中不太常用，可能很多人對它不是很熟悉，它由1個(gè)釘頭和2個(gè)釘腳組成。跟其他銷釘材料相比，它的操作更加安全，只需將釘腳按進(jìn)孔中，再將2個(gè)釘腳撐開就可以將2根帶孔冰棒棍緊固起來。兩腳釘還可以提供旋轉(zhuǎn)的自由度，2根冰棒棍可以旋轉(zhuǎn)而不分開，我們用它制作“剪式升降機(jī)”的轉(zhuǎn)軸。

捆扎材料

捆扎是另一種連接不同物體的方法，我們將捆綁和縫合都?xì)w納為這個(gè)方法。捆扎的材料多是條形的繩狀材料，如繩子、紗線、橡皮筋、扎帶、打包帶、膠帶等。

捆扎簡單實(shí)用，但通過技法上的變化，捆扎也能產(chǎn)生千變?nèi)f化的藝術(shù)效果，最典型的例子就是扎染了。扎染是一種中國傳統(tǒng)的手工染色技術(shù)，它包括扎線和染色2個(gè)部分，用繩、紗、線等工具，將織物捆扎成不同的形狀進(jìn)行印染，解開繩子之后，染色的部分就形成豐富的精美圖案。扎染的技法可以分為捆扎、縫絞和夾扎3大類，而細(xì)分出來的技法竟高達(dá)100多種，不同的技法組合可以創(chuàng)造出千變?nèi)f化、魅力無窮的效果，可以說是捆扎方法的極致發(fā)揮了。近年來，有一些學(xué)校嘗試將扎染藝術(shù)與數(shù)字化工具相結(jié)合，設(shè)計(jì)出了獨(dú)具一格的創(chuàng)客課程。

橡皮筋也是一種創(chuàng)客教育常用的材料，常出現(xiàn)在與彈力相關(guān)的制作中。與其他捆扎材料相比，橡皮筋本身有彈性，捆扎更加牢固，而且被捆扎的物體還可以進(jìn)行一定角度的扭轉(zhuǎn)，松手之后便會(huì)在彈力的作用下復(fù)原到原來位置。我們可以利用這種性質(zhì)，設(shè)計(jì)可回彈的裝置，科技學(xué)堂作品“筷子皮筋槍”就是這樣的一個(gè)例子。皮筋槍的扳機(jī)和槍身之問的固定部分就是用橡皮筋捆扎的，沒有扣動(dòng)扳機(jī)的時(shí)候，扳機(jī)自然前伸；扣動(dòng)扳機(jī)時(shí)，皮筋扭轉(zhuǎn)形變，作為子彈的橡皮筋彈出，松手時(shí)便會(huì)恢復(fù)原狀。

壓夾材料

根據(jù)摩擦力原理，物體的正壓力與最大靜摩擦力呈正比，增加正壓力可以讓物體保持靜止?fàn)顟B(tài)，壓夾材料正是運(yùn)用這個(gè)原理進(jìn)行緊固的。常見的壓夾材料包括木夾、魚尾夾、回形針等，常與銷釘材料配合的螺母、墊圈等材料也屬于壓夾材料。

壓夾材料的作用相似，但原理卻各不相同。木夾、魚尾夾、別針等材料的正壓力來源于支點(diǎn)處的彈性形變，通過杠桿作用于被緊固物體上。同樣的彈性形變下，力臂越大，施加于物體上的壓力就越小，所以，木夾、魚尾夾、別針等材料只能用于材料邊緣的緊固。而螺母、墊圈等零件一般配合銷釘材料使用，它提供的正壓力來源于內(nèi)外螺紋之間的壓力和摩擦力。

通常，我們把磁鐵視為磁性材料而非緊固材料，但在創(chuàng)客教育中我們卻可以利用磁鐵異極相吸的特點(diǎn)，為被緊固材料提供正壓力。這種方式對緊固的位置要求不高，可以彌補(bǔ)夾子和螺母的局限性。同時(shí)，磁鐵還可以提供移動(dòng)的自由度，我們可以用磁鐵設(shè)計(jì)出可在平面上平移的作品。但磁鐵提供的壓力大小與磁鐵間的距離成反比，所以磁鐵材料作用的距離比較有限，并且只適用于非鐵質(zhì)板材之間的固定。

科技學(xué)堂的“磁鐵小劇場”就是一個(gè)利用磁鐵進(jìn)行緊固的作品。它是一個(gè)將動(dòng)手做和繪本故事結(jié)合起來的教育工具，它的場景由紙板和卡通角色搭建而成，學(xué)生們可以在這個(gè)場景上演繹繪本故事，培養(yǎng)敘述能力?！按盆F小劇場”的主角兔子先生的四肢粘貼了磁鐵，學(xué)生可以在背后用磁鐵控制它的動(dòng)作，創(chuàng)作自己的故事。

搭扣材料

如果創(chuàng)客教育作品中的2個(gè)部件需要頻繁地組合和拆分，那么搭扣材料可能是一個(gè)比較合適的選擇。這一類材料在生活中非常常見，例如紐扣、拉鏈、魔術(shù)貼等，它們?yōu)閯?chuàng)客教育提供了更多可能，看看這個(gè)案例怎樣用魔術(shù)貼改變創(chuàng)客教學(xué)。

魔術(shù)貼又叫尼龍搭扣，它由2條織物組成，一條織物上覆蓋著環(huán)狀結(jié)構(gòu)，另一條織物上覆蓋著鉤狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)狀結(jié)構(gòu)與鉤狀結(jié)構(gòu)相結(jié)合，就能形成暫時(shí)緊固狀態(tài)。有的魔術(shù)貼背后覆蓋了膠帶，可以很方便地粘在平整的平面上。

“紙箱迷宮”是一個(gè)常見的創(chuàng)客教學(xué)案例，它設(shè)計(jì)簡單，制作難度適中，自由發(fā)揮的空間大，很受學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)的歡迎。與很多創(chuàng)客教育的作品一樣，紙箱迷宮的制作過程不需要太多的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，玩法也比較單一。但我們只需要在普通的紙箱迷宮上面多開一個(gè)出口，再加一個(gè)魔術(shù)貼，就可以將普通的紙箱迷宮變成雙人紙箱迷宮甚至多人紙箱迷宮，設(shè)計(jì)出一個(gè)團(tuán)隊(duì)合作的游戲。

同樣是結(jié)構(gòu)的連接，銷釘材料、捆扎材料、壓夾材料、搭扣材料各有不同的屬性和適用范圍。不同的材料不僅為創(chuàng)客制作提供了更多選擇，更為教育賦予了更多靈感，靈活運(yùn)用它們，讓創(chuàng)客教育更多彩。

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在科技學(xué)堂公眾號(hào)（Sciclass）中回復(fù)關(guān)鍵詞“緊固件”，認(rèn)識(shí)更多緊固件創(chuàng)客案例。