生活中的弹簧

陈喜

对于弹簧，相信大家都不陌生.生活中我们常用到各种弹簧，如自动圆珠笔中的弹簧、拉力器中的弹簧、沙发中的弹簧等.弹簧存在于我们生活中的方方面面.小到手机、钟表、电脑，大到轮船、飞机、坦克，其组件都离不开弹簧，弹簧之于机器设备就像“心脏”之于人体一样重要.

弹簧在很久以前就已经出现并被应用了，比方说古代使用的弓以及弩就是两种弹簧.现在所说的弹簧，在严格意义认定是英国的科学家胡克发明的.尽管那时候的螺旋压缩弹簧非常简陋，但是已经能够满足生活的基本需求，因此被群众广泛地使用.不过后来科学家提出了“胡克定律”，也就是弹簧的伸长数量和它所受到的外力在大小方面成正比趋势.正是依靠这个理论，人们使用螺旋压缩弹簧制造出测量力的工具，现在大家非常熟悉的弹簧测力计才得以问世.

弹簧有大有小，形态各异.常见的弹簧是螺旋形的，叫螺旋弹簧.弹簧测力计、扩胸器的弹簧都是螺旋弹簧.螺旋弹簧有长有短，有粗有细.有一种用来紧固螺母的弹簧垫圈，只有一圈，在紧固螺丝螺母时都离不开它.有的弹簧制成片形的或板形的，叫簧片或板簧.在口琴、手风琴里有铜制的发声簧片，在许多电器开关中也有铜制的簧片，在玩具或钟表里的发条是钢制的板簧，在载重汽车车厢下方也有钢制的板簧.有的弹簧像蚊香那样盘绕，例如，电学测量仪表（电流表、电压表）内，机械钟表中都安装了这种弹簧.这种弹簧在被扭转时也会产生恢复原来形状的倾向，也可以把它称之为扭簧.

在生产生活中，弹簧的种类较多.按受力性质，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧.按形状可分为碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、螺旋弹簧、截锥涡卷弹簧以及扭杆弹簧等.其中碟形弹簧是法国人贝勒维尔发明的，是用金属板料或锻压坯料而成的截锥形截面的垫圈式弹簧.除了碟形弹簧之外还出现了气弹簧、橡胶弹簧、涡卷弹簧、模具弹簧、不锈钢弹簧、空气弹簧、记忆合金弹簧等新型弹簧.普通圆柱弹簧由于制造简单，且可根据受载情况制成各种型式，结构简单，故应用最广.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毫米的一般用冷卷法，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，以提高弹簧的承载能力.

目前，随着钛材的普及，钛制品的产品越来越受到人们的喜爱，钛弹簧具有高弹性、高强度、高塑性，和钢制弹簧相比有较好的抗疲劳性，是一种理想的弹簧材料.与钢弹簧相比，钛弹簧具有重量轻、体积小和共振频率高等优点，其密度和只有钢簧的一半，而强度几乎与钢弹簧一样.由于具有这些特点，在实际应用中可将钛簧设计得比钢簧直径小、圈数少.一根钛弹簧比相应的钢弹簧轻3.06kg，对汽车中的四根支撑弹簧来说，可减轻12kg重左右.用钛弹簧代替钢弹簧可以轻而易举地解决长期以来一直困扰着设计者们的钢制弹簧太长、直径太大、质量偏大等问题，而且钛合金具有优异的抗腐蚀性能，所以，可以取消涂层，从而进一步降低质量.现在，一些跑车中已经使用了钛弹簧.例如，钛弹簧已在Ford Simon&Simon;赛车中使用两年以上，减轻重量达36kg左右.

形形色色的弹簧在不同场合下发挥着不同的功能，下面就来谈谈弹簧具体的功能有哪些？

1.测量功能.我们知道，弹簧的工作原理是：在弹性限度内，弹簧的伸长（或压缩）跟外力成正比，利用弹簧这一性质可制成弹簧测力计.在弹簧测力计中，主要部件就是弹簧.

2.紧压功能.观察各种电器开关会发现，开关的两个触头中，必然有一个触头装有弹簧，以保证两个触头紧密接触，使导通良好.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，严重的还会使接触处的金属熔化.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，以保证导通良好.在盒式磁带中，有一块用磷青铜制成的簧片，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订书钉，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书时推出，这样，就能自动地将一个个钉推到最前面，直到钉全部用完为止.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，像夹衣服的夹子，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，弹簧就能恢复原状.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、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，簧片振动发出声音.

说到了弹簧，我们有必要进一步认识一下弹力.弹力是由于物体发生弹性形变产生的力，推、拉、提、压等形式中产生的力都是弹力.弹簧受力后发生形变，也会产生弹力.其因果关系是“外力——形变——弹力”.在初中阶段，为了便于同学们自学和容易理解，一般从“外力——形变”的因果关系出发阐述原因，得出在一定范围内，弹簧的伸长量跟其所受的拉力成正比.这个规律称之为胡克定律.但在高中物理中，将改为从后一个因果关系出发，建立弹力与形变的关系.弹力产生的条件有两个：一是两物体互相接触；二是物体发生弹性形变（包括人眼不能观察到的微小形变）.需要注意的是：任何物体只要发生了弹性形变，就一定会对与它接触的物体产生弹力.一旦超出弹性形变范围，就会彻底失去弹力（即是超过了弹性限度，塑性物体除外）.

当然，生活中无处不在的弹簧给我们带来了诸多便利，我们需要进一步认识它、研究它，让它给我们带来更大的可利用的价值.