物理學規律-發動機的兩儀概括

2020-12-04 創意物理學大師

我們把物理學中的一些規律、發現和發明進行歸納和總結,會發現在中國古人的經典論述中已經有所預示,這些預示可以貫穿物理學發展的始終,充分理解和使用這些預示,將對科學的持續發展起到至關重要的作用。

兩儀:做功與不做功的兩種狀態

發動機的誕生大大方便了我們的生活,無論是蒸汽機還是內燃機,都有太極兩儀四象的思想貫穿其中。以內燃機為例,內燃機做功和不做功的活塞的兩種狀態我們可以稱之為兩儀,內燃機的四個衝程我們可以稱之為四象。吸氣、壓縮、做功、排氣這四個衝程還可以類比春夏秋冬四季,春種,類比吸氣衝程,夏育,類比壓縮衝程,秋收,類比做功衝程,冬藏,類比排氣衝程。農作物種與收是為了維持人類社會持續發展的需求,內燃機的功與休是為了維持動力機械的能源需求,在這裡,功與休,種與收,都是兩種狀態,是兩儀,從哲學上講,也是對立統一、相輔相成、互為因果的兩個矛盾體。電動機的設計也與內燃機有相似之處,也分為做功和不做功的狀態。有人覺得內燃機和電動機是持續輸出能源的,那是因為機械工程師讓這種斷斷續續的狀態改變了。另外,人的一生也有類似的經歷,我們把人生分為四個階段:少年、青年、中年、老年。少年類比於春種或者吸氣衝程階段,是做準備的,青年類比於夏育或者壓縮衝程階段,是做出成就前的磨練階段,中年類比於秋收或者做功衝程階段,是成果和成就的輝煌時期,老年類比於冬藏或者排氣階段,是靜思反省覺悟的良好時機,當然,這裡的年齡區分並非絕對,勞動類型不同,智力水平不同,際遇環境不同,這些類比都會發生變化。

風力發電機和水力發電機是常見的能源利用機械,風力發電機的葉輪和水力發電機的葉輪設計時也有相似之處,我們可以統稱為流體葉輪。通常我們所見到的風力發電機的葉輪都類似於電風扇的結構,並且是一個很大的風扇。從能量的轉化的方向來說,風力發電機是電風扇的逆向應用。風力發電機在利用風能時,正面做功,背面不做功,甚至於背面做負功,我們可以把葉片的正面和負面看做兩儀。

到目前為止,把風能完全利用起來的葉輪還沒發明出來,也就是說,即使不考慮摩擦阻力,風能的利用率也不可能百分之百。既然這樣,何不仿照內燃機的結構,把葉輪設計成完全做功和完全不做功的兩部分?我在指導學生科技創新的過程中,設計出了這種葉輪,並且從理論上證明了這種葉輪效率很高。比如說,中國古代的水車,在上個世紀的農村很常見,這種水車用木質鏈條將葉片固定,形成一個類似於自行車中連接前後輪的鏈式結構,下方的葉片在水槽裡,在人力的驅動下,水槽裡的水不斷向上運動,上方的葉片持續歸位等待做功,從而將低處的水運送送至高處。在這裡,我們將做功的葉片和不做功的葉片看做兩儀,做功和不做功分得很清楚,如同內燃機做功和不做功的活塞分得很清楚一般。

通過上面所舉的例子,我們發現所有的發動機或者說動力機械都可以分為做功和不做功兩種情況,也就是兩儀。在對動力機械機械進行歸納和總結後,我們發現提高機械效率或者發明新機械的方法只能通過如下途徑:

1、大其正,小其負。做功的時候正正噹噹、熱情洋溢、鬥志昂揚,以風力發電機葉輪舉例,葉片做正功時全面做正功,不及其它,葉片做負功時減小受力面,將受力面降至最低,讓葉片所做負功趨近於零。以內燃機為例,活塞做正功時全力做正功,不拖泥帶水,不猶猶豫豫。活塞不做功時,快速隱藏其影響力,不添堵不添亂,安安靜靜地等待時機。

2、循環往復,相輔相成。要持續穩定地獲得能源,絕大多數機械都設計成圓形的結構,圓有始有終,終是始,始是終,猶如太極。太極分兩儀,兩儀圖就像兩條相互旋轉的魚,假如我們在兩儀圖上建立一個平面直角坐標系,我們發現兩儀圖在旋轉過程中,從坐標軸划過的截面與做功的大小正相關。

總結:本文通過對蒸汽機、內燃機、風力發電機、水力發電機等做功過程的描述,歸納出做功的過程可以分為兩種狀態,也就是兩儀。太極兩儀學說對機械製造、機械效率的提高、新機器的發明有著指導意義。

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