关于碾子力学原理的注记

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　　碾子用于谷物的脱壳、去皮和粉碎，是旧时重要的生活用具，由碾台、碾盘、碾架和碾磙构成。有些地方也将碾磙称为碾辊、碾砣、碾轮、磙子以及碾子等[1]。碾盘、碾磙由岩石制成，碾架为木质或木铁混合。碾盘中心设铁质竖轴，连接碾架。碾架上固定两个木质的水平轴栓，碾磙两端中心凿圆孔或方孔再嵌入含圆孔块石以支承轴栓;也可在碾磙方孔中固定轴栓，而在碾架上开设圆孔。以人推或畜拉碾架，带动碾磙一起绕竖轴转动，而碾磙又绕自身对称轴旋转。

　　一、碾子的受力分析

       基于大量网上照片及文献[1]引用的《关于华北地区的农具调查》，碾磙为圆柱或圆台体，长度大致在40cm~70cm，直径与长度相当或略小。通常碾磙、碾盘表面平整，偶见刻有浅槽以用于粟(小米)的脱壳;碾盘边缘可略有凸起，以免谷物散落于地。

　　1、圆柱碾磙
　　碾磙为半径R，长度L的圆柱体(图1)。不考虑最初的起动阶段，人以均匀速度走动，推动碾架绕竖轴以角速度Ω转动，碾磙绕水平轴旋转角速度为ω，则碾磙只有一个截面ρ0=ωR/Ω-η作纯滚动，其内侧作向后滑移，外侧向前滑移。碾子对谷物的作用不仅是竖直方向的重力挤压，还存在水平方向搓动即剪切力，有利于实现谷物的脱壳、去皮和破碎。与碾同音的汉字“捻”和“拈(撚)”都具有相对搓动的含义。

　　图1 圆柱碾磙的运动及摩擦力

　　碾磙自转动量矩的数值恒定而方向不断改变，需要受到垂直于纸面向外的力矩，或产生垂直于纸面向内的陀螺力矩[2]。竖轴不能对碾架作用竖直力，因而陀螺力矩将使碾盘对碾磙的支承力外侧增大而里侧减小;不过因转速较低，合力作用点偏离中点距离小于碾磙长度的1%。陀螺力矩的作用可不必考虑。

　　碾磙与碾盘之间的水平作用力类似于滑动摩擦，摩擦因子μ 与所碾谷物及其破碎程度相关，笔者对面粉的初略测试结果是0.5左右。碾磙自转速度恒定，则所有作用力关于其水平轴的力矩为零，有ρ0=L/2。

　　摩擦力关于碾盘中心竖轴的力矩为M=–μmgL/4，这就是推碾者需要提供的力矩，经碾架、水平轴栓提供力偶而作用于碾磙。岩石的比重约为2.7，重度γ 约为26.5kN/m3。碾磙直径为50cm即半径R为25cm，长L为50cm，质量m为265 kg;η=10cm，力矩为162 N·m;若推碾者绕行半径为1 m，则推力为162 N。

　　碾磙绕竖直轴转动时，需要向心力F=mΩ2 (η+L/2);若人推碾速度1m/s，则F= 92.8N，大于推力的一半。又，碾磙与碾盘之间谷物变形使碾磙逐步向外蠕动，最终不是碾盘的径向摩擦、而是碾架和中心竖轴来承载离心力。

　　2、圆台碾磙
　　畜拉的大碾子多是直圆柱体，人推的碾磙可以制作成圆台状，大端在内侧。记台体内外侧半径为R和r，其余符号延续前文。因锥度较小而不考虑碾磙倾斜的影响，由水平作用力即摩擦力关于碾磙转轴的力矩为零，可求得纯滚动截面的半径

　　若圆台形碾磙的大端直径55cm、小端直径45cm、长为50cm，则质量266kg，比直径50cm、长50cm的圆柱形碾磙仅重0.8kg。纯滚动截面的半径R0=25.4 cm，距大端21.3cm;两侧为126.5kg 和139.5kg，大端侧较小。碾磙与碾盘之间的摩擦合力为64N，不再为零。大端在内时合力向后。

　　进而可求得摩擦力关于碾盘中心竖轴的力矩，即推碾者必须提供的力矩：圆台大端在内时力矩较大，为182N·m;而在外时仅为137N·m。作为参考，推动直径45、50和55cm，长50cm的圆柱碾磙所需力矩为132、162和197N·m。

　　3、讨论
　　上述数值是基于碾磙与碾盘平整接触的理想状态。不过，谷物初碾时尺度较大，玉米在5mm左右，碾磙需要压缩、翻越谷物，必然受到向后的水平阻力。即使是圆柱碾磙，其底部受到的水平作用合力并不为零，推碾所需的力矩也就增大。笔者所购木质碾子模型，不能压碎大米，只能推之滑移，而自身不再绕轴转动。

　　与同等质量的圆柱碾磙比较，若圆台碾磙的大端在内侧，而谷物总是靠近碾盘中心添加，在碾磙较大直径和较大竖直压力下易于被翻越、压缩而降低高度，谷物产生的水平阻力对竖轴的力臂也较小，减小了推碾者的出力。谷物初步破碎之后经倾斜台面推挤或笤帚扫刷向外，碾磙外侧尽管直径较小，压力较小，但滑动速度较大，粉碎效果较好。

　　平稳碾压时，圆台大端在内侧时所需力矩较大，即有效工作阻力较大，表明其粉碎谷物的效率较高;干活儿总得出力才能见效。该力矩低于初期破碎谷物时数值，并不会构成推碾的实际困难。大端在内侧时纯滚动截面比在外侧时更靠近碾台中心，近7.4cm，因而自转速度较小，碾磙相对于碾盘的滑动速度更大，有助于谷物的粉碎。简而言之，若大端在外侧，且顶点正好位于碾盘中心，则碾磙作纯滚动而最为省力，但只能将谷物压成饼状。

　　圆台制作增加了难度和时间，但与同重量的圆柱碾磙相比，可以增大破碎能力，减小初碾谷物时阻力，提高后期碾压粉碎的效率。某些博物馆将圆台碾磙的大端置于外侧，或许有误。

　　二、推碾的方向和位置

       石磨上下盘(扇)都有齿槽，转动时可将物料向外推送，因而只能以单一方向——通常是逆时针方向旋转。碾子是对称结构，不过人多数右侧手臂力量较强，而逆时针推碾右手在外侧，可以得到较大力矩。若推力X>x，力臂Y>y，则力矩XY+xy > Xy+xY。

　　基于网上视频、照片及少量咨询，可以确认推碾位置在A 或B，即在碾架内侧向外推碾(图2)。这样不仅视觉效果较好，且可以减小竖轴与碾架的作用力及摩擦引起的无效阻力矩，延缓轴孔磨损，降低噪音。噪音高低也是结构是否优良的标志，且容易判别。

　　图2 推碾的方向和位置

　　碾磙绕碾盘中心竖轴转动会产生离心力，推碾速度较快时其数值可与推碾力相当。而在位置b向内、或B向外推碾，分别是推力与离心力之和、或之差作用于竖轴。后者显然较优。

　　大碾子的转动速度较低，离心力相对较小。而碾磙与碾盘之间水平作用的合力相对增大，在位置 A向外推碾时，部分推力可以由碾盘的作用力平衡，从而减少竖轴与碾架之间的作用力。畜拉的大碾子当然应拴套于A。

　　如果两个人推碾，主推者得在位置A 或B，而力弱辅助者在对称位置a或b。在C处推碾也是为了减小竖轴与碾架之间的作用力。

　　三、碾子与冬小麦

       石转磨发明于春秋，制作困难，开凿齿槽对石材要求较高，且需定期修整[1]。时至西汉，民间仍很缺乏。与此相应，秋播夏熟的冬小麦在4000年前或更早自西亚传入后，尽管适宜北方气候，但仅在少数地方种植，长期不被当作主要粮食作物[3,4]——小麦若不被粉碎去麸而整粒煮食，乃是“恶食”，如南宋·朱翌“邦人馈米不肯取，示以麦饭吾所有”。幼时也曾听祖父说，塾师曾以“葱羹麦饭两相宜，麦补丹田葱润脾;太守休言其味淡，前村尚有未成炊”告诫学生。

　　碾子最早出现于东汉[1]，其制作难度较低，使用寿命极长，地方拥有量会累积增多。或许是碾子，而不是石转磨，促进了冬小麦在北方传播。至于人口即劳动力优势，对冬小麦传播及两年三熟制的决定性作用[4]，似仍可讨论。人口数量与粮食生产本是相互促进而非因果关系。

　　历史上北人因战乱多次大规模南迁，冬小麦随之南传，出现一年稻麦两熟的轮作。但北人融入当地后多放弃小麦而单种水稻，一年一熟[4]。这或许缘于南方缺少加工小麦的器物。碾盘直径180cm、厚20cm时质量已达1370kg，在江淮水网地区运输困难。

　　四、结 语

       粮食是人类生存的根本所在，由此产生了众多用具，进而影响粮食作物的传播和人口的增加。这些用具经千百年来的传承演变，已经完全符合力学原理，显示出能工巧匠对万物之理的探究和理解。抚摸浑重的碾磙，遥想先民追求美好生活的辛劳和智慧，敬仰之情油然而生。

　　参考文献：
　　[1] 周昕. 中国农具通史. 济南：山东科学技术出版社，2010. 312-337;789-791.
　　[2] 刘延柱，朱本华，杨海兴. 理论力学(第3版). 北京：高等教育出版社, 2009. 401-429.
　　[3] 程 龙. 一部纸笔完成的耕耘. 读书，2012，(10)：57-62
　　[4] 韩茂莉. 中国历史农业地理(上). 北京：北京大学出版社, 2012. 315-371.

　　来源：尤明庆科学网博客，该文已发表于《力学与实践》2014, 36(3)：373-376，作者：尤明庆，河南理工大学教授