普象-让好设计发光

最近我才想到，对于“固定”这个概念，好像很多同学不是很熟悉。也许因为它太过平常，也没有一本书或者一门课专门讲这个话题。

想来也不奇怪，因为“固定”这类知识，身边到处都是，很容易被我们忽略，或者看作是习以为常的事情。但是需要用到时，又一下子想不出什么好主意。

这类知识，又是比较反常识的。因为在自然界中很少存在“固定”这种行为。

我们反而更习惯一些反“固定”的行为。比如摘果子，挖根茎，坎树木，砸碎果壳，肢解动物等。

所以我想，要不就写点这方面的内容。

生活中，我们从小就会遇到一些小意外，比如玩具坏了，怎么办？如果机器人腿断了，从大人那里我们可以知道用胶水粘。本子撕坏了，我们又知道可以用透明胶贴。娃娃破了，可以用针线缝上，等等。

不过这都是一些零时补救措施，它们不是产品在设计中确定下来的零件固定方式。所以“固定”这个事，我们要从头说起。

你可能知道猩猩和我们人类一样，会使用工具。

但是使用工具是一回事，制造工具则是另一回事。它们的工具主要是随手捡来的。

那么什么样的工具算是制造出来的？而不是随便捡来的呢？

这个其实说法不一，但我觉得最清晰的边界，就是人类把两个不同的物体固定在一起的时候，那么这个过程才算是制造。

所以算得上制造的“固定”，可以追溯到石器时代。

不过石器时代跨度很长，也有细分，这里不做展开。我们仅从那时的石斧说起。

你看这石斧的图片，我们先不讨论石材打磨的问题，这一节只说固定。

虽然你不是原始人，但如果让你制作一把石斧，你打算怎么做呢？

你可能想到了需要用一块石头和一根木棍，但是两者怎么固定呢？

没错，你所要面临的问题和原始人人一模一样。

在技术落后的情况下，人类所能掌握的第一种固定方式就是捆绑。这种固定方式是很容易能理解，你一看就能懂，也许你自己也能想到。

那时候的捆绑，所用的材料粗陋，缠绕方式杂乱，只能说勉强过关。这是最原始的技术，却也是人类独有的技术。依靠我们特有的手指形式，才能做到。所以，困扎，打结，是人类区别于其他灵长类的重要能力之一。

这种方式一直没有被淘汰，即使我们今天日常把塑料袋打个结，也是一样的方式。

只是这种固定方法还不够牢固，两个部件之间接触面积小，固定的紧不紧全靠捆绑材料的涨紧度。

但并不是所有捆绑都那么low，捆绑的好，也能保证质量和强度。

比如长安十二时辰里面，那个巨大灯塔的内部结构。竹子之间的连接和固定方式也有很多捆绑。

即使今天，很多建筑工地还能看到这种竹竿捆绑成的脚手架在使用。

你有没有发现，它不牢固的缺陷是依靠什么克服的？

就是靠大量重复使用。

就连钢筋混凝土结构中，钢筋之间依然使用这种捆绑方式。

但是在武器上，并没有足够的空间用来反复捆绑地固定。

直到另一种技术的出现。。。

那就是打孔技术，虽然还是石器时代，但打了一个孔之后，固定效果就会大大提升。

你看上图中左下角那个工具。在石材上有了一个洞之后，“固定”这件事，就不再是仅仅依靠摩擦力来完成的了。

为什么石器时代钻出来的孔就那么圆那么标准呢？因为旋转运动自然就能产生非常标准的圆形，如同钻木取火的动作一样。

而打孔技术的出现，则在“固定”这件事情上，走上了另一个台阶。

打孔虽然不是一个固定方式，却是一个底层基础。在打孔的基础上，加上捆绑，就能得到我们熟悉的“缝纫”这种方式。你想想，缝纫，是不是就是在材料上打孔之后把线绳穿过孔洞的方式？只不过我们使用穿针引线的动作把它一次性完成了。

所以在甲胄的制作方式上一直使用的是打孔和捆绑的方式。

即使到了铁甲上也是这样，如长安十二时辰中的铠甲。

在现代，我们熟悉的螺丝固定方式，底层基础依然是孔，而不是螺丝。如果没有孔，那么螺丝则毫无用武之地。

只是在石器时代，钻孔需要的时间比较长，不过原始人有的是时间。

不过虽然有了钻孔，绳子终究只是绳子，捆绑依然是靠人手的力量。所以固定效果提升并不那么明显。

直到另一种物体之间的组合形式出现，它可以被叫做“卡位”。

其实这个没有准确唯一的说法。但你应该可以明白我的意思。

我们来看看战国时期的远距离攻击武器“戈”的固定方式。

戈头，是青铜材质，它需要安装在一根很长的木杆上。所以，除了打孔加捆绑的方式之外，古人还在木杆上增加了戈头的落位孔。

也就是让青铜部件穿过或者嵌入到木杆内部。这样就可以牢牢限制住戈头在两个维度上自由移动的可能。然后在戈头腰部，也就是贴近木杆的位置，做出（铸造时直接预留）三个细条的穿孔，用于捆绑。

这样，同样是打孔加捆绑，因为改变了零件之间的接触方式，从而大大提升了固定效果。

但是短剑就没有这类固定的问题，因为青铜的铸造技术可以让它一体成型，因为它足够短。

所以“固定”这个问题主要集中在拼接而成的武器上。

那么说到春秋战国时代，所有关于“固定”的最高技术，可以说都集中在一种战争武器之上，那就是战车。

虽然在绘画上，只不过是寥寥几笔。但是如果你细细想来，它制造中所遇到的所有“固定”问题，你可不一定都能想明白的。

如果说，捆绑，打孔，卡位，这些方式你还容易理解的话。那么单就战车车轮的制作就开始让人蒙圈了。

更不要说，车轮如何与车轴相连接，并实现高速且稳定的旋转运动了。

是不是一下子跳跃的有点快，刚才还一直在讲静态固定，怎么突然就讲到了动态固定了？

不急，我们慢慢来。你先想想，和戈类似的一种远距离武器“长矛”，它在组装的时候，矛头是怎么固定在木杆子上的？

上图是比较常用的矛头安装方式，有捆绑和插接两种方式。插接不但在牢固程度上要高一些，另外在安装效率上也比捆绑要高出许多。

可是插上去的矛头，依然很容易掉，那该怎么处理呢？

除了增加插接深度之外，我们看到，在矛头插接木杆的位置上都有一个小孔，有了这个小孔就可以在两者之间横向打上一个销子。

上图中，是原本矛头和木杆插接的样子。可以看出在左右方向上，很容易滑出。所以可以在垂直于可能滑出的方向上打上一个销子。就起到了很强的左右固定作用。

你可能注意到，销子所在的位置，其实是可以穿绳子的。这就是之前说的孔位加上捆绑，但是，在我们掌握了青铜加工技术之后，就可以制作销钉，不但强度增加，而且组装更快。节省了不少时间，从而可以生产更多的数量。

销子这种零件和固定方式到今天一直都有，在淘宝上你可以搜索到各式各样的销钉。

从名称上，你可能发现了，销子和钉子其实是一回事。那怎么区分呢？

一般可以插拔的，是销子。钉进去不用拔出来的，叫钉子。

你可能会说，钉子不是也可以拔出来吗？只是比较费劲。确实，还有一种钉进去不让你拔出来的，叫作铆钉，如下图。

这种铆钉自然更加牢固，成本也高些。

有了销钉，那么春秋战车轮子的制作就容易理解了。

我们直接来看一个破轮子的图。

破的产品，结构被暴露出来，就比较容易理解，这也类似于通过拆解产品来了解结构的方式。可以看到，轮辐两头是分别以插接的方式固定在轮毂和外轮圈上的。

这里出现了我们之前说到的落位，或者叫卡位。就是在轮毂和外圈上给轮辐预留好插接的槽。

不过之前说，插接容易脱落，该怎么解决呢？当然就可以打钉子，像固定矛头那样。

你可以看到古代车轮的外圈侧面有很多的钉子，但仔细看，你会发现它们不是用来固定插接的轮辐用的。因为位置不对，反而避开了。

它们其实是用于外圈的制作所需要的钉子。那轮辐的插接怎么不用钉子固定呢？因为这是个轮子，当外圈完成之后，自然地把内部的轮辐固定得死死的，不可能脱落，除非外圈发生断裂。所以更重要的反而是保证轮子外圈的结构强度。这里不做展开，你有兴趣可以自己去了解。

那接下来，就是怎么把车轮固定在车轴上的问题了。这里就生出了一个新的话题，动态固定。

也就是要把一个东西固定在另一个东西上，而且它还能自由旋转。

你知道轮子的发明是很伟大的，但是轮子的发明其实是伴随着轮轴发明一起出现的。轮轴静止，轮子转动，这才实现了伟大的意义，否则轮子不过是一个呼啦圈罢了。

轮子装在轴上并不难理解，它的安装就类似于你用筷子插起一块水果，水果在筷子上是可以自由转动的。

所以轮子就直接从外侧套在车轴上，就能实现转动了。不过，你也看得出来，套上去之后，轮子依然会从右侧滑出去。就是类似车开着开着，轮子飞出去的情况。

所以轮子的转动虽然实现了，但“固定”还谈不上。

不过固定不难，它用的就是刚才固定矛头的方式，加一个销子。但不同的是，销子加在轮毂的外侧，它并不会固定住轮毂本身，只是让它不会左右移动，这样轮子就不会飞出去了，又不妨碍它的旋转运动。

当然实际的战车，这部分的结构要再复杂一些，因为还有润滑问题和青铜套的安装，以防止木材干燥而开裂。

那个销子还有一个兽头的造型，插进去后，还用绳子进行捆绑。可见，这是一个方便插拔的销子，而不是钉子。因为车轮是需要更换的。

同样的技术，也用在当时比较出名的手持武器“秦弩”上使用。

这种秦弩机的扳机结构就比较复杂了，它由多个旋转轴结构组成，自然，有轴就有销。

其实你可能想到，销钉就是螺丝的前身了。但是我们国家开始使用螺丝一直要到清末的洋务运动。

螺纹的出现，不但需要有数学中螺旋线的知识基础，并且需要使用旋转切削的加工方法。

所以中国古代的基础固定方式在春秋战国时期都已经出现，只不过后来随着其他方面的技术进步，效果有所改善。

也正由于螺丝的固定方式一直没有出现，而且铁钉容易生锈，固定效果不持久，伟大的工匠们把他们的智慧发挥到了极致。这才有了我们熟悉的榫卯结构。

但在古代，这种结构并不容易加工，生产效率相对较低。

但它在外观上没有螺丝孔位是一种优势，所以今天，在对外观要求比较高的家具零件固定中，它又得到了推崇。

然后我们就直接跨越到了工业革命时期，螺丝作为固定件广泛使用的时代来临了。

螺丝这就不用多说了。大学课程中的机械设计基础，螺丝是基础的基础。

自攻螺丝还自带了打孔功能，它可以集合打孔，销，钉，轴，等各种用途。它大大提高了“固定”这件事的效果和速度，并降低了成本。关键它还可以反复使用，在固定和取消固定之间自由变换，比如我们熟悉的瓶盖螺旋结构。这让我们便于拆卸和更换它所固定的零件。

在现代，比较复杂的产品结构中，螺丝依靠它的小巧和精密性，在结构上发挥着重要作用。

讲到这里，你可能隐约感觉到这个话题会越说越大，现代工业的内容范围可比古代兵器大太多。而且“固定”这个话题，难免把我们引入到结构设计的主题里面。

讲这么多，主要是希望能够提起你的好奇心，对于你所看到的一切，心里抱着一个问题，它们是怎么固定在一起的？

好，这一期先讲到这里，下一期我们继续讨论这个问题。