奇妙的弹簧

生活中的物理之奇妙的弹簧

摘要：

生活中的弹簧，无处不在：

弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件。一般用弹簧钢制成。用以控制机件的运动、缓和冲击或震动、贮蓄能量、测量力的大小等，广泛用于机器、仪表中。弹簧的种类复杂多样，按形状分，主要有压缩弹簧，拉伸弹簧，扭转弹簧，异型弹簧，涡卷弹簧，蛇形弹簧，卡簧，挡圈，碟形弹簧，弹簧片，钢板弹簧。同时，弹簧其实是一种蓄能器，它有储存能量的功能，但不能慢慢地把能量释放出来，要实现慢慢释放这一功能应该靠“弹簧+大传动比机构”实现，常见于机械表。弹簧的制造材料一般来说应具有高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性及良好的热处理性能等，常用的有碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈弹簧钢以及铜合金、镍合金和橡胶等。弹簧的制造方法有冷卷法和热卷法。弹簧丝直径小于8毫米的冷卷法，大于8毫米的用热卷法。有些弹簧在制成后还要进行强压或喷丸处理，可提高弹簧的承载能力。弹簧被应用于广泛的行业当中，手工业，制造业，加工业，处处都有弹簧的身影。

正文

那弹簧是怎么样制造的？

大多数材料都有不同程度的弹性，如果将其弯曲，便会以很大的力量恢复其原形。在人 类历史上，一定很早就注意到树苗和幼树的树枝有很大的挠性，因为许多原始文化利用这一特性，在特制的门后或笼子后楔上一根棍，或者用活结套在一根杆上向下拉；一旦松开张力，这根棍或杆就会往回弹。他们就用这种办法来捕捉飞禽走兽。实际上，弓就是按这种方式利用幼树弹性的弹簧；先向后拉弓，然后撒手，让其回弹。中世纪时，这种想法开始出现在机械上，如纺织机、车床、钻机、磨面机和锯。操作者用手或脚踏板给出下压冲程，将工作机械往下拉，这时用绳索固定在机械上的一根杆弹回，产生往复运动。

很久以后人们才想到：如果压缩一根螺旋杆，而不是弯曲一根直杆，那么金属弹簧储存的能量就会更大。据伯鲁涅列斯基的小传记载，他制作过一口闹钟，其中使用了若干代弹簧。最近有人指出，在附有一些奇特的螺旋弹簧钟表图的15世纪末叶的一本机械手册中有这架闹钟的图样。这类弹簧也用于现代的捕鼠器。带圈簧 （水平压缩而不是垂直压缩的弹簧）的钟表，在1460年左右肯定已开始使用了，但基本上是皇室的奢侈品，大约又过了1个世纪，带弹簧的钟表才成为中产阶级人士的标志。

制作弹簧的主要材料有：优质碳素钢、合金钢、有色金属合金等。

3、弹簧的功能

（1）、控制机械的运动，如内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧等。

（2）、吸收振动和冲击能量，如汽车、火车车厢下的缓冲弹簧、联轴器中的吸振弹簧等。

（3）、储存及输出能量作为动力，如钟表弹簧、枪械中的弹簧等。

（4）、用作测力元件，如测力器、弹簧秤中的弹簧等。弹簧的载荷与变形之比称为弹簧刚度，刚度越大，则弹簧越硬。

弹簧是机械和电子行业中广泛使用的一种弹性元件，弹簧在受载时能产生较大的弹性变形，把机械功或动能转化为变形能，而卸载后弹簧的变形消失并回复原状，将变形能转化为机械功或动能。

4、利用弹簧的功能

（1）、测量功能

我们知道，在弹性限度内，弹簧的伸长（或收缩）跟外力成正比。利用弹簧这一性质制成弹簧秤。

（2）、紧压功能

观察各种电器开关会发现，开关的两个触头中，必然有一个出头装有弹簧，以保证两个出头紧密接触，是导通良好。如果接触不良，接触处的电阻变大，电流通过时产生的热量变大，严重时还会是接触处的金属融化。卡口灯头的两个金属柱都装有弹簧也是为了接触良好；至于螺口灯头的中心金属片以及所有插座的接插金属片都是簧片，其功能都是使双方紧密接触，以保持到同良好。在盒式磁带中，有一块磷青铜的簧片，利用它弯曲形变时产生的弹力使磁头与磁带密切接触。在订书机中有一个长螺旋弹簧它的作用一方面是顶紧钉书钉，另一方面是当最前面的钉被推出后，可以将后面的钉送到最前面以备钉舒适推出，这样，就能自动的将一个个钉推到最前面，直到钉全部推出为止。许多机器自动供料，自动步枪中的子弹自动上膛都靠弹簧的这种功能。此外，象夹衣服的夹子，圆珠笔，钢笔套上的夹片都利用弹簧的紧压功能夹在衣服上。

（3）、复位功能

弹簧在外力作用下发生形变，撤去外力后，弹簧就能恢复状态。很多工具和设备都是利用弹簧这一性质来复位的。例如，许多建筑物大门的合页上都装了复位弹簧人们进出后，门会自动复位。人们还利用这一功能制成了自动伞、自动铅笔等用品，十分方便。此外，各种按钮和按键也少不了复位弹簧。

（4）、带动功能

机械钟表、发条玩具都是靠上紧发条带动的。当发条被上紧时，发条产生弯曲形变，存储一定的弹性势能。释放后，弹性势能转变为动能，通过传动装置带动时、分、秒针或轮子转动。在许多玩具枪中都装有弹簧，弹簧被压缩后具有势能，扣动扳机，弹簧释放，势能转变为动能，撞击小球沿枪管射出。田径比赛用的发令枪和军用枪支也是利用弹簧被释放后弹性势能转变为动能撞击发令纸或子弹的引信完成发令或发火任务的。

（5）缓冲功能

在机车汽车车架与车轮之间装有弹簧，利用弹簧的弹性来减缓车辆的颠簸。

（6）、振动发声功能

当空气从口琴，手风琴中的簧孔中流动时，冲击簧片，簧片震动发出声音。

5、生活常用的实例

我们平时经常用到的弹簧产品有

弹簧刀，它是板弹簧与螺旋弹簧的组合，板弹簧用来紧固刀身，螺旋弹簧用来弹出。有的刀没有螺旋弹簧。那是水果刀只有板弹簧，刀片抽出后弹簧复位，卡住刀片不让它返回。

弹簧还广泛用于体育器材，如拉力器，握力器，体重秤。虽然有些器件用传感器替代了，但是弹簧还是主要零件。人的拉力越大形变就越大，弹簧就越较劲，这样就起到了锻炼的作用。弹簧越短，劲度系数越大，人锻炼的范围就越大。

弹簧在乐器中主要以簧片为主，声音从簧片侧面经过，造成簧片震动。簧片薄震动频率大声音就尖锐。反之越低沉，人的声带也是这样的。

我们用的最多的是秤，这和市场上的秤不一样。市场上的秤是杠杆，我说的是体重秤。人站上去会有晃动的感觉，说明脚下有弹簧。压力增大弹簧的形变线性变化，表盘按比例画出刻度。这样的秤寿命是有限的，因为弹簧用久了会疲劳。

娱乐方面，蹦床，蹦极等。蹦床用的是有弹性的绳索，不宜用管弹簧，因为深浅不一会崴脚。蹦极是弹性橡胶绳属于拉伸弹簧还是那句话任何弹簧都是有寿命的，玩与不玩要把握好。

交通上的弹簧。汽车减震用的是摞在一起的板弹簧，它具有稳定的特点，耐用性要差一

些。有些坦克侧面悬挂装置会有扭管弹簧。火车厢因为平衡性比汽车好，加之它的重量，使用强度所以用五个巨大的螺旋弹簧代替板弹簧。

以上仅代表个人观点，希望老师多多指教。

参考文献： 《金属螺旋弹簧动态研究》张卫华 、《金属橡胶组合型隔振器静动态分析》夏宇宏 、《机械设计手册》程铭。