第3章
物质参数与进化路线

3.1　运动物体的重量

运动物体的重量是指重力场中的运动物体作用在阻止其自由下落的支撑物上的力。这是一个物质参数，也是一个中性参数。作为一个中性参数，其变大、变小与改善、恶化的关系随应用场合的不同而改变。

比如，在柴油机的飞轮中，为了保持运动的惯性，需要运动物体——飞轮具有一定的重量；在人骑自行车的运动中，为了减少人的做功，自行车的重量越轻越好。

（1）运动物体的重量增加的进化路线

使运动物体的重量增大有如下进化路线可以参考。

1）材料进化路线：单一材料→多种材料→复合材料→功能材料[1]。

假设一个形状固定的零件是由单一材料构成的，如果在形状不变的情况下增大零件的重量，就可以考虑选用密度更大的另一种材料；如果单一材料的密度不合适，则可以选用复合材料来制作，复合材料的密度取决于不同组分的多种材料的含量比例。除了重量上的要求外，如果对材料的性能还有要求，则需进一步考虑选用满足性能要求的功能材料。

2）材料的进化路线：天然橡胶→合成橡胶→合成树脂→填充功能材料的合成橡胶[2]。

上述四种材料具有不同的密度，在性质与体积不变的情况下，若要增加物体的重量，可以考虑沿着上述路径进行寻找、替换。天然橡胶的相对密度是0.93，而异戊橡胶（IR）、丁苯橡胶（SBR）为0.94，氯丁橡胶（CR）为1.23，顺丁橡胶（BR）为1.93；环氧树脂相对密度在1.6～2.3之间。

3）添加新物质：物体内部添加→外部添加→环境添加→物体之间添加[3]。

若需要增加重量的物体是空心的或者是有虚空结构的，要增加运动物体的重量则应首先考虑在物体的内部进行添加，以保持外部形状的稳定性，特别是高速运动物体的外部形状的稳定性，避免外部形状改变带来运动阻力的影响。如物体内部已经是实心的，则只能在物体的外部添加，进行附着式设计，比如汽车车轮动平衡检测时，经常为了调整车轮的动平衡而在轮箍的外部加装小的重块；如由于体积或安装位置等原因，既不能在物体的内部加装，又无法在物体的外部进行加装，则可以考虑在物体的超系统中进行设计，比如通过磁场或风阻等使运动物体在不改变自身静态物理重量的情况下实现运动物体的重量改变；如果外部环境也不允许添加物体的话，就可以考虑在物体之间增加阻尼，从而增加运动的阻力，实现增加运动物体重量的等效效果。

4）完整性：执行装置→传动装置→能源装置→控制装置[4]。

苹果削皮时，最初使用削皮器完成去皮工作，整个削皮系统只有执行装置。后来出现了手摇式削苹果机，在保留执行装置的基础上，增加了底座和传动机构，通过摇动手柄带动执行装置完成削皮动作，削皮系统的重量有所增加。随后又出现了全自动削苹果机，该机器增加了能源装置和控制装置，采用按键控制，通过消耗电池的电能带动执行装置完成削皮动作，削皮系统的重量进一步增大。苹果切削工具的进化如图3-1所示。

5）添加改进物质：内部添加→外部添加→环境中添加→物体之间添加[3]。

润滑剂是用以降低摩擦副的摩擦阻力、减缓其磨损的润滑介质。润滑剂对摩擦副还能起冷却、清洗和防止污染等作用。为了改善润滑性能，会在润滑剂中加入合适的添加剂，润滑油添加剂是加入润滑剂中的一种或几种化合物，可以改善润滑剂中已有的一些特性，但是增加了润滑剂的重量。

6）功能相似的系统集成[单-双-多（同型构）]：单系统→引进一种与其功能相似的系统形成双系统→引进两种或多种与原系统功能相似的系统形成多系统→组合的多系统[5]。

贴袋机主要用于各种牛仔裤后口袋、衬衫口袋的缝合。普通的贴袋机只有一个机头，通过该机头对口袋的两道或两道以上的缝线处进行缝合，这样机针就需要缝合两圈或两圈以上，效率低下。通过增加机头的数量，虽然机器的重量增加，但可以使一台机器同时缝合多个口袋，多圈缝线采用不同的机头独立完成，提高缝合效率[6]。多机头贴袋机如图3-2所示。

7）功能不同的系统集成[单-双-多（差异型）]：单系统→引进一种与原系统功能不同的系统形成双系统→多系统→组合的多系统[7]。

缝纫机是用一根或多根缝纫线，在缝料上形成一种或多种线迹，使一层或多层缝料交织或缝合起来的机器。缝纫机能缝制棉、麻、丝、毛、人造纤维等织物和皮革、塑料、纸张等制品，缝出的线迹整齐美观、平整牢固，缝纫速度快，使用简便。缝纫机缝纫时通常包括底线和面线，在缝制到最后一针时，面线和底线会在针板下方交织在一起，需要将交织在一起的面线和底线剪断，普通的做法是将交织在一起的面线和底线拉出将其剪断，但是这种做法会使底线和面线的线头较长，影响缝制品的外观质量，这时需要人工修整底线和面线的线头，增加了工序和人力，从而使制作成本增加。

通过在缝纫机上增加自动剪线装置（图3-3），自动将底线和面线剪断，无须人工操作，效率高，外观质量好，但缝纫机的整体重量增加了[8]。

（2）运动物体的重量减小的进化路线

运动物体的重量减小有如下进化路线可以参考。

1）从大规模变为小范围[9]。

最早，人们依靠自身以及棍、棒等简单的工具捕杀老鼠，这就是原始的灭鼠技术系统，效率低下。随后，人们发明了捕鼠夹等器械进行灭鼠，这些工具可以在老鼠出没之处大量放置，提高了灭鼠效率。随着科技，特别是化学的发展，人们研发出用磷化锌、毒鼠磷等制作毒粉，用柴油、敌鼠钠盐等制作毒液，用氨水、漂白粉等制作毒气，进行大规模灭鼠。从棍棒到鼠夹再到化学药品，捕鼠系统的重量越来越小（图3-4）。

2）添加空洞：内部添加→外部添加→环境中添加→物体之间添加[3]。

卫星发射信号频带越宽效果越好，信号频带越宽意味着功率越大，但功率大会导致卫星重量增加，这是一个技术冲突。为了减轻重量，现在航空航天常采用的多孔材料是泡沫金属，卫星用泡沫金属制造，可以减轻重量（图3-5）。

3）子系统分离路径[10]。

飞机刚刚诞生的时候，燃油箱是飞机的一个子系统，因为没有加油机，发生了许多既有趣又令人遗憾的事情。比如，两架飞机进行空战，一架飞机追逐攻击另一架飞机，胜利在望之时，忽然飞机油料指示器发出油将用尽的警告。此时，飞行员纵有天大的本领也无济于事，只能赶快返航。又比如，一架飞机要进行长途飞行，如果油不够，只能中途停下来加完油再继续飞行。所以当需要长距离飞行时，飞机需要携带大量的燃油，这无疑增加了飞机的重量。飞机系统沿着子系统分离路径进化，进化后，燃油箱脱离了飞机，以空中加油机的形式给飞机加油（图3-6）。飞机系统简化，不必再携带数百吨的燃油，重量减轻。

4）添加场：内部添加→外部添加→环境中添加→物体之间添加[3]。

普通列车在运行时由于受到自身重力的影响，车轮与轨道相接触而产生摩擦阻力，影响列车的行驶速度。磁悬浮列车利用电磁感应原理，改变列车的重量，使列车悬浮在轨道上方，使列车不与轨道发生摩擦。

5）增加材料的不一致性：单材料结构→双材料结构→多材料结构[11]。

在汽车行业中，车身、开闭件总成的材质主要为冲压钢板，并通过点焊进行连接，形成全承载式车身结构。随着电动汽车行业的发展，续驶里程成为关键指标之一，在整车电池总量不变的前提下，需要通过减轻整车重量来提高续驶里程，钢板车身无法满足要求。

通过改变车身结构的材料，上车体采用铝合金冲压件，加局部碳纤维加强板；下车体采用铝合金挤出件、铝合金铸件；前翼板、车门外板、发动机盖外板及行李箱盖外板采用塑料件，可以显著降低车身的重量，同时也降低了成本[12]。

综上所述，可得到工程参数运动物体的重量改变的进化路线如图3-7所示。