傳統農具中的力學原理

西北工業大學 張亞輝

近年來，家鄉的農業生產機械化水平以超乎想象的速度普及開來，過去沿襲千百年的“耕牛+人力”的生產模式被徹底改變，曾經要一家人起早貪黑忙好幾天的活，如今依靠大型機械短時間便能解決。我忽然意識到這樣一個事實：我們這一代農村青年已經成了一些傳統農具的最后一批使用者與見證者。

為作紀念，我分析了陜西關中地區常見的幾種傳統農具在使用過程中的力學原理。

可拆卸式復雜曲線割麥專用鐮刀

在小麥收割過程中，麥稈干硬、收割強度大、時間集中等因素對鐮刀刀刃的硬度提出了嚴苛要求，限于傳統加工水平及經濟條件，一般采用含碳量較高的硬脆鋼制造刀片。即便如此，在割麥過程中，刀刃依然磨損得很快。若刀片和刀把為一體化連接，頻繁淘汰刀片的同時也會淘汰掉服役狀態良好的刀把，顯然會造成極大浪費。因此，割麥專用鐮刀可拆卸式的構造可以兼顧經濟性及生產效率，如圖1。

圖1 可拆卸式復雜曲線割麥專用鐮刀

如圖2所示，將刀把設計為曲線的主要原因有兩點。

一是提高刀把末端的施力點以緩解割麥人的疲勞。在傳統農業生產中，要求收割的麥稈越長越好，即留在地里的麥茬越短越好。因為收割的麥稈可以作為牲口飼料，留下的麥茬能為接下來播種玉米提供便利。在這種情況下，割麥時要求刀刃越低越好。顯然，對直線刀把而言，施力路徑應沿圖2中的虛線方向，需要割麥人最大限度地彎腿、彎腰，在夏季烈日暴曬的環境下，極易導致割麥人疲勞。將刀把設計為曲線時，可顯著提高刀把末端的施力點，使割麥人腿部舒展，從而利于緩解疲勞。

圖2 割麥示意圖

二是降低刀片打滑割傷手的風險。若使用直線刀把，在不斷重復的割麥過程中，割麥人由于過度疲勞，會無意識地抬腿伸腰，從而使握持端施力點上升，此時，刀片與麥稈之間的鈍角進一步增大，加之麥稈干硬，容易打滑而割傷手。對曲線刀把而言，當在刀把末端施以力F時，由于握持端施力點和刀刃著力點不在同一個水平面上，使得鐮刀沿刀刃著力點產生一個向下的“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，從而減少打滑的風險，保證了割麥人的安全。

基于渦流效應的除塵去雜質簸箕

基于渦流效應的除塵去雜質簸箕主要用于分離糧食顆粒與輕質雜質（如樹葉、麥穗殼、塵土等），其實物及使用原理如圖3所示。

圖3 基于渦流效應的除塵去雜質簸箕

其中，簸箕所盛藍色顆粒代表糧食顆粒，深黃色顆粒代表輕質雜質。在使用過程中，首先將簸箕向上揚起，將糧食和雜質混雜物拋向空中，然后將簸箕向下壓至水平，讓糧食顆粒基本按原路落回簸箕。在向下壓的過程中，簸箕下表面空氣受“壓”，形成高壓氣團，上表面空氣受“拉”，形成低壓氣團，這種情況下，下表面的氣流會被迫沿簸箕邊緣“補償”到上表面，從而形成一個渦流，糧食中的輕質雜質就會被渦流“吹”出簸箕。如此往復多次，就能實現將輕質雜質分離的目的。

自適應01開關控制下的活塞式風箱

風箱是傳統農村廚房中常見的工具，其結構如圖4（a）所示。活塞式風箱最大的一個優點是：不論推拉，均可送風。

在推桿過程中，風箱內活塞右側氣壓減小，外部空氣涌入，自然頂開風門。如圖4（b）中，右側藍色矩形薄板上端活頁連接風箱箱體，平時自然下垂，遇外部氣流涌入時被推開。同時，左側氣壓增大，且氣壓高于風箱外部大氣壓，左側風門被迫關閉，氣流被迫涌入底端送風管道，中央擋風板被“吹”向右側閉合，從而使氣流向外排出。

圖4 活塞式風箱

同理，在拉桿過程中，左、右兩側風門及中央擋風板在氣壓的作用下反向動作，使得氣流沿底端送風管道右側涌入并排出。

在上述動作中，左、右兩側風門及中央擋風板可視為01開關，在氣壓的作用下自然形成閉合送風路徑，且無需額外的控制手段，在推拉過程中皆可送風。

循環沖擊載荷下的頭

圖5 墊布一般用舊鞋幫等制成，在頭使用前，常常會蘸一些水，墊布吸水膨脹，會在頭連接部位內部產生壓應力，從而大大提高頭連接部位的抗疲勞性能

作者有話說：傳統農具的設計和使用包含了深刻的科學原理，是當時歷史發展水平下的最優解。對于科技工作者來說，我們應該通過上下求索，不斷推進科技的發展。