学生习作

楼梯小货车

轮子是人类最重要的发明之一，但是从来没有人会去考虑如果没有轮子，这个世界将会是什么样子。事实上，所有的东西都要依靠轮子来转动，至今轮子还在不断演变进化之中。
简要背景说明：
    车轮的发展过程也很有意思。早期的交通工具是没有轮子的，类似于雪橇的东西，在雪地、草地上拖动（现在依然盛行滑雪、滑草运动）。由于一般物体与地面间的摩擦因数比草地、冰雪大得多，所以既费力又磨损严重。后来人们发现圆的东西滚动起来很省力（物理上讲滚动摩擦因数比滑动摩擦因数要小得多），于是车轮被发明了。
    2003年3月初斯洛文尼亚的媒体刊登文章说，斯洛文尼亚在一处古老的沼泽地里找到了一个距今有5100～5350年历史的木轮子。发现这个古老轮子的考古小组声称，新发现的轮子比现在世界上最古老的还要老100岁，据说它们都来自欧洲。
    关于斯洛文尼亚的最新发现，博物馆的馆长告诉《发现》杂志："这是个令人兴奋的发现。轮子是人类最重要的发明之一。但是从来没有人会去考虑如果没有轮子，这个世界将会是什么样子。事实上，所有的东西都要依靠轮子来转动。"他还指出，至今轮子还在不断演变进化之中。
    的确，至今轮子还在不断演变进化之中，而且其用途越加广泛。
    马赛地在东京汽车展上展出了令车迷眼前一亮的概念跑车F400 Carving。取名F400 Carving“雕刻”，是因为其车轮的设计灵感来自一种类似雕刻刀的滑雪板。
   最近，轮子家具成了居家新宠，对狭小的现代空间来说，灵巧的家具是必备的生活用品，有轮子的家具机动性强，身型矫健，可以在任何空间里展现它的独特魅力。小型的滚轮家具有茶几、座椅、CD柜、电脑桌、电视柜等。在客厅的沙发之间，安放一个活动式的茶几，当客人来访时，可以很方便地传递茶点。富于机动性的电视柜，也可以随着主人坐卧的角度而变换位置和方向。另外，附有轮子的电脑桌也很方便初学者使用。还有，带轮子的淋浴坐椅也已经越来越受到人们的青睐……
    如上所述，轮子与人类生活息息相关，但轮子无论怎样设计、怎样尽其能，它们都是圆的，且只能在与轴相平行的平地上行走。在楼梯上能滚动的轮子将会是什么样子的呢？
    当我把一箱饮料背上楼梯时、当父亲把煤气罐扛上楼梯时、当送水工人把一桶纯净水送上楼梯时、当一袋袋水泥或沙子需要被搬上楼梯时……我看着楼梯想了许多许多，首先想到了轮子、然后想到了成对啮合的齿轮，最后“楼梯小货车”的念头悠然而生。

设计过程：

如图1所示：楼梯小货车的整体外观和一般的小货车相似，主体箱内的“凹形卡槽”专为装载圆形重物（如煤气罐、纯净水桶等）设计，卡口是为了纯净水桶更加牢固，中心部件是条轮。

如图2所示：将车轴安装在车尾约三分之一处，目的是为了小货车在楼梯上向上运动时，货物及车体的重心落在车轴上，使得重心、车轴和支点在一条向下的直线上，这样人只对车施加向前的拉力，不再施加抬的力，相对省力。

条轮的设计及工作原理：

    如图3所示：条轮由车轴和六根车条、空心管以及六个滚轮构成。由于车轮支撑整个车身的重量，所以，六根车条和空心管套必须有足够大的支撑力。六个滚轮有助于当楼梯小货车运动在两段楼梯间的平面拐弯处或在其它较短距离平地上，两根车条着地时如前所述象小型的滚轮家具一样自由运动。
   高楼建筑鳞次栉比，其楼梯台阶的实际高度及宽度互不相同，这样必须调节车条的长短。所以，在每根车条的空心管上都必须安装一个螺丝。这样可以自由伸长或缩短条轮的半径。
    条轮是整个小货车的核心部分，根据楼梯的高度以及宽度，当安装1号滚轮的车条竖直时，安装2号滚轮的车条端头要正好到达上一级台阶的拐角处，这时需调节六根车条，使之等长。这样，当安装2号滚轮的车条刚好竖直时，3号滚轮就会到达上一级台阶的拐角处。
    每上一级台阶，重物都以某一滚轮为转动点顺时针转动600角，之后以下一个滚轮为转动点顺时针再转动600角，依此类推。重物沿楼梯的运动轨迹如图3所示。
　如人施于小货车沿楼梯方向的力为F，小货车及货物的重量为G，G的方向通过车轴竖直向下，当条轮以某支点往上转动时有：

　　FL1=GL2(即M重=M人)
　　L1=L2时 F=G

　　滚上过程中人的用力比直接把物体抬上去省力（抬起重物时F人=G重），但是再转动600角的过程中M G（即重力的力矩）不断变小（因为L2变小），因此M人（人拉力的力矩）也随之变小，L1却在变大。因为M人= FL1，所以在转动600角过程中还会比刚开始时还要变小，当然，人会比刚要拉动时还要省力。
结束语：　
“楼梯小货车”的选题是笔者通过对实际生活的仔细观察和亲身体验发现的，因轮子和货车在人们的日常生活中司空见惯。该项目的设计目的是为了人们将很重的物体轻松地运上楼梯，其基本思路是装有货物的车子怎样在楼梯上运动，该项目的研究过程是观察楼梯的建构情况、小货车的主体外观、轮子的总体设计。该项目的创新部分在于条轮的设计，在完成该项目的过程中笔者应用了轮子滚动运动的基本原理和齿轮的作用，齿轮通常都是成对啮合，其中一个转动，另一个就被带动，它的作用就是改变传动方向、转动方向、转动速度、力矩等。条轮和楼梯的啮合虽没有起到成对啮合齿轮所起的作用，但在静止的楼梯上，在拉力的作用下，条轮会向前运动。笔者认为“楼梯小货车”上条轮的创新发明足以说明轮子就在不断演变进化之中。“楼梯小货车”具有一定的科学性、先进性和实用性。
　 “楼梯小货车”的核心部分条轮和每根条轮端头的滚轮需进一步完善，条轮的长短若能自动调节就会更好。在每根条轮的端头安装滚轮，还是安装摩擦橡胶球，还是直接设计成扁平的，这些问题需进一步探讨。