神奇的機械!一圈2萬億年,自轉周期竟然比宇宙歷史還長

2020-02-20   蝌蚪五線譜
自傳一圈的時間大約是2萬億年!

蝸輪-蝸杆傳動通過蝸輪和蝸杆之間的摩擦力,可以實現在兩個交錯軸之間傳遞動力。生活中我們常見的汽車、工具機等設備中就廣泛採用了蝸輪-蝸杆傳動裝置。

蝸輪-蝸杆傳動(圖源:搜狐)

1992年,著名的機械設計藝術家Author Ganson利用蝸輪-蝸杆傳動原理設計出了一款機械裝置,其中處於傳動鏈最後一級的蝸輪竟然擁有比宇宙歷史還要長的自轉周期!

這款傳動裝置名叫Machine with concrete,展出於麻省理工博物館。常見的蝸輪-蝸杆裝置的減速比(傳入速度與傳出速度的比值)為20:1,而這一款傳動裝置的每一級蝸輪-蝸杆傳動都可以實現50:1的傳動減速比。

Machine with concrete(混凝土中的機械)(圖源:curiator.com)


Machine with concrete(混凝土中的機械)(圖源:curiator.com)

Machine with concrete(混凝土中的機械)(圖源:curiator.com)

該裝置一共使用了12組蝸輪-蝸杆,因此第一級蝸輪-蝸杆傳動的傳入速度與最後一級傳動的傳出速度的減速比即為(1/50)^12=4096×10^-24(10的-24次方就是小數點後24位,由此可見這個減速效果有多麼的巨大)。

我們現在來進行一個簡單的計算:第一級蝸輪的自轉周期為每分鐘200轉,即200 r/min,那麼最後一級蝸輪的自轉周期就是200 r/min×4096×10^-24=81.92×10^-20 r/min。我們把自轉周期取倒數,就可以換算出自轉一圈需要的時間為1220703125000000000 min,也就是大約2354751398533年(2萬億年)。而據科學家計算,目前宇宙的壽命僅僅為大約為138億年!

因此,即使最後一級蝸輪理論上處於運動狀態,但由於其運動速度太慢,所以我們可以直接將其固定到混凝土中。


有的同學善於發散思維,可能會問:如果我直接轉動最後一級蝸輪,那麼第一級蝸輪的轉速會不會非常快,甚至超越光速呢?

答案是不會。這是因為蝸輪-蝸杆傳動是單向自鎖的,動力無法通過蝸輪傳遞給蝸杆。即使我們費上非常巨大的力氣,最終也只會把傳動裝置破壞掉,而不會讓它反向轉起來。這種自鎖功能非常實用,例如卷揚機等輸送設備就利用了蝸輪-蝸杆傳動的自鎖特性。

看,簡單的機械零件竟然可以實現如此神奇的效果,要想學習更多相關有趣的機械知識,那就快去多了解一下吧!


參考資料

【1】宇宙年表, 維基百科: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E5%B9%B4%E8%A1%A8

【2】蝸輪蝸杆傳動, 維基百科https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%9D%B8%E6%A1%BF%E5%82%B3%E5%8B%95

作者:流火