早在4000年前,我国就已经发明了伞。《史记》记载,最早的伞叫“盖”,原文为:“五大夫之相秦也,劳不坐乘,暑不张盖。”其中的“盖”字,指的就是伞,是避暑用的。还有诸如:“孔子将行,雨而无盖。”这里说的就是雨伞了。《伞物记源》提到,古时的伞最初多为丝帛制做,纸发明后便出现纸伞,宋代称为绿油纸伞。后来不仅用来挡雨,也用来遮阳。而且,伞的大小还可以显示地位。
雨伞是生活中不可缺少的物品,用来遮风、挡雨和防晒。从结构上雨伞可分为手动式、半自动式和全自动式三种。手动式雨伞的开、合都需要人工手动来完成。半自动雨伞可自动打开,收起则需人工完成。全自动雨伞的开、合均可自动完成。其中,半自动雨伞是最常见的一种,其结构如图所示。
雨伞的结构
雨伞的主体结构由伞柄、伞骨、伞面三部分组成。伞柄是雨伞的主心骨,对雨伞整体起支持作用。伞骨支撑整个伞面,负责伞面的开合。伞面则起着挡雨遮阳的作用。
伞柄上有一根强力压缩弹簧,雨伞正是依靠它强大的弹力将伞面撑开的。但是,仔细观察我们会发现,弹簧的两端均不固定,其自身可沿着伞柄整体上下滑动,弹簧在撑开雨伞的同时,将自身也举了起来。试想,弹簧自身是有重量的,伞面和伞骨也有重量,为什么弹簧不但能克服自身的重量,还能克服伞面和伞骨的压力将自身举起,将雨伞撑开呢?乍一看,这似乎违背了万有引力定律。在重力的作用下,弹簧怎么可能自举呢?
雨伞结构看似简单,其实它里面包含了巧妙的力学原理,现具体分析如
雨伞具有伞柄呈四周放射状对称的结构,我们沿一对儿伞骨画出雨伞的纵剖面图,如图所示,图中字母标记的各点均由铰链连接。
雨伞纵剖面图
假设伞面、伞骨和弹簧的等效总重量为G,如果雨伞共有n根伞骨,则每根伞骨受到的压力相当于在图中的M、N两点分别挂了一个重量为G/N的重物。
为了便于分析,将上图做进一步简化,如图3所示。将假定的重物移到A、B两点,这样就可以只考虑伞骨的纵向作用力,而不必再考虑伞骨的横向应力了。
在M点悬挂 g/n 的重物,相当于在A点挂了(MC/AC.G)的重物,此改变对于弹簧受力来说是等效的。
雨伞纵剖面简化图
F1、F3沿伞骨CA和DA传递到A点,F2、F4沿伞骨CB和DB传递到B点。先对A点进行受力分析,A点受力情况如图4所示。(图中,F0为OA段伞骨对A点的拉力。)
A点受力图
将A点受到的四个力分别沿水平和竖直方向正交分解。(设,水平方向向左为正方向,竖直方向向上为正方向。)
理论上,雨伞合拢后,所有伞骨都是竖直的,α、β、γ均为0。此时,F无论多大都无法撑开雨伞。而实际上,雨伞虽然合拢了,A、B两点不可能完全落在伞柄OD上,所以,伞骨不可能完全竖直,只要F初始值足够大,就可以将雨伞打开。
由以上分析可见,伞骨和弹簧组成的特殊结构是弹簧能够自举,雨伞能够撑开的关键所在。伞骨和伞面虽然对弹簧产生了压力,但同时也给了弹簧以支持,只要弹簧的弹力足够大,就能将自身举起,将雨伞撑开。
出品:科普中国
制作:濮阳职业技术学院实训中心 苗英恺
监制:中国科学院计算机网络信息中心“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
本文由科普中国融合创作出品,转载请注明出处。