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探究工业设计中的物理学原理

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摘要:物理学是揭示物理世界运动变化规律的一门学科,世界上任何的实体物质的存在都必须满足相应的物理学原理。工业设计尽管只是从理想或者模拟层面上对产品进行设计,但是在设计的过程中,并不能信马由缰完全按照自己的主观意愿进行设计。工业设计是“戴着镣铐跳舞”,是建立在满足物理学原理的基础上的。作为一名高中生,笔者从形形色色设计产品中观察了工业设计时所蕴含的物理学原理,可见工业设计与物理学原理二者之间是密不可分的相互依存关系。

关键词:工业设计;物理学原理;力学平衡;热胀冷缩

一、工业设计概述

工业设计的概念有广义与狭义之分。广义工业设计涵盖了所有的设计,只要存在一个特定的目的,并将其根据自己的思路设计出一个切实可行的设计方案,最后进行生产加工实际检测,即为广义工业设计。广义工业设计包含了产品的构思、设计、生产与最终的产品服务。而狭义工业设计单指产品的设计,狭义工业设计不包括特定目的的来源,也不关心最终产品的受用对象,只是作为一个生产产品的一个步骤,设计出与要求一致的设计方案和产品模型。工业设计根据设计的产品类型可以分为工艺品设计、电子产品设计、机械产品设计、家具电器产品设计等等,这些实物产品设计均须以满足物理学原理为前提。

二、工业设计中的物理学原理举例

不管广义还是狭义工业设计,其工作都是围绕产品性能要求开展的。工业设计的研究对象是可批量生产的工业产品,其设计目的是解放人类的双手,提高生产效率。工业设计的基本要求有两点:第一是实用性要求,工业设计的最终目标是设计制造出可批量生产的产品,所以设计的产品必须具有实用价值,满足实用价值则必须满足物理学原理,否则生产的产品或运行不稳定或寿命太短;其次是设计的产品必须满足美学要求,满足美学要求是产品设计的崇高追求,在满足实用条件后,应进一步优化产品设计的方案,将产品的美学元素融入到设计中,这样工业设计的产物才会广为顾客和生产商青睐[1]。工业设计满足的物理学原理根据设计产品的不同而不同,大体可以根据结构上的平衡、产品服役的行业以及环境和运动学条件进行划分,以下给出了一些具体的实例。

(一)工业设计中的力学结构平衡

对于机械制造业而言,工业设计中产品首要满足的条件是力学结构平衡。在工业制造业中,大至生产仪器、设备小至螺钉等小零件,在投产前均需对其进行结构检测,如果产品的结构上不能满足力学平衡条件,产品在长时间服役时就容易因为受力不平衡而发生零件脱落、飞溅的现象,极易造成生产事故。在建筑结构的设计中,也处处蕴含着力学结构平衡的原理。一些高层建筑的设计必须满足结构上的力学平衡,如结构梁的摆放位置是否对称,建筑整体的斜度以及相应的矫正措施都是需要在产品设计中就考虑清楚的。而且建筑结构设计完成后还需要力学专业专家进行力学平衡分析,否则在实际施工过程中极易引发施工事故,引起不必要的人员伤亡。工业设计中对于机械结构件力学平衡的把握非常重要。因为对于构件而言,平衡问题时至关重要的,设计上如若出现偏差,必将导致无法挽回的损失。

(二)工业设计中的热胀冷缩原理

工业设计中在把握了产品力学平衡的前提下,还应根据产品的使用环境与服役时间调整产品的设计参数。如果产品的服役环境是在海里,就必须考虑产品材料的选择,每一种材料的性质特点都是不同的,就必须根据材料的性质调整设计的结构。工业设计中对于产品结构的设计是十分重要的。产品的结构设计必需以热胀冷缩原理为基础。如果设计的产品需要长时间高速运动,那么一些膨胀系数高的零件之间的就必须留足够的间隙,为零件在高速运动后的膨胀留有余地。关于工业设计中的热胀冷缩原理使用最多的当属于金属加工和热处理领域。因为金属构件大多是在高温下持续工作,所以在设计此类产品时,应该严格按照金属材料的热膨胀系数与服役温度设计金属零件之间的间隙,既要满足零件小巧又要满足零件热胀冷缩原理的条件。对于需要高温服役或低温服役的产品,只有在满足热胀冷缩原理的条件下缩小产品体积,产品才能达到最优的使用价值。

(三)工业设计中的运动学原理(连杆机构、自由度等)

对于运动机构而言,工业产品的设计不仅需要满足力学平衡条件,还需要满足运动学条件。运动机构在工业中的应用极为广泛,从车、洗、刨、磨、镗、钻机床到送料、运输机构都使用到了运动机构。对于车床中的运动机构,在进行设计时,必须根据产品的使用要求,严格控制产品的自由度和连杆或曲柄的长度,以实现设备的精确运动。对于连杆等运动机构设计时最重要的就是控制机构的自由度,使之能够按照预定的要求实现独立连贯的运动。所以在这类产品的设计时必须严格根据运动学原理进行设计。

三、工业设计遵循物理学原理的重要意义

工业设计的最终服务对象是产品,产品的受用对象是顾客以及企业商家,产品最终都将流入现实世界,而任何的实体物质存在都必须满足相应的物理学原理。所以工业设计时就必须严格根据产品的要求,结合物理学原理进行设计。物理学原理对于工业设计而言具有积极的指导意义,如果工业设计脱离了物理学原理的“枷锁”,设计出的产品也必将是不符合实用规则的物件。

四、总结

纵观所有的产品、机械设备或电子设备,其正常运行都离不开合理的结构设计。工业设计作为产品生产的源头,在设计时必须遵守相应的物理学原理,只有满足了物理学原理的设计才能真正投入生产,提高生产效率。

参考文献:

[1]黄贤强.交互设计在工业设计中的应用研究[D].齐鲁工业大学,2014.

[2]张磊,葛为民,李玲玲,钟蜀津.工业设计定义、范畴、方法及发展趋势综述[J].机械设计,2013,30(08):97-101.

[3]杨梦雪.工业设计中材料的可持续性应用研究[D].武汉:华中科技大学,2009.

作者:王梓睿 单位:大庆第一中学

探究工业设计中的物理学原理责任编辑:张雨    阅读:人次