探究工業設計中的物理學原理范文

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摘要：物理學是揭示物理世界運動變化規律的一門學科，世界上任何的實體物質的存在都必須滿足相應的物理學原理。工業設計盡管只是從理想或者模擬層面上對產品進行設計，但是在設計的過程中，并不能信馬由韁完全按照自己的主觀意愿進行設計。工業設計是“戴著鐐銬跳舞”，是建立在滿足物理學原理的基礎上的。作為一名高中生，筆者從形形色色設計產品中觀察了工業設計時所蘊含的物理學原理，可見工業設計與物理學原理二者之間是密不可分的相互依存關系。

關鍵詞：工業設計；物理學原理；力學平衡；熱脹冷縮

一、工業設計概述

工業設計的概念有廣義與狹義之分。廣義工業設計涵蓋了所有的設計，只要存在一個特定的目的，并將其根據自己的思路設計出一個切實可行的設計方案，最后進行生產加工實際檢測，即為廣義工業設計。廣義工業設計包含了產品的構思、設計、生產與最終的產品服務。而狹義工業設計單指產品的設計，狹義工業設計不包括特定目的的來源，也不關心最終產品的受用對象，只是作為一個生產產品的一個步驟，設計出與要求一致的設計方案和產品模型。工業設計根據設計的產品類型可以分為工藝品設計、電子產品設計、機械產品設計、家具電器產品設計等等，這些實物產品設計均須以滿足物理學原理為前提。

二、工業設計中的物理學原理舉例

不管廣義還是狹義工業設計，其工作都是圍繞產品性能要求開展的。工業設計的研究對象是可批量生產的工業產品，其設計目的是解放人類的雙手，提高生產效率。工業設計的基本要求有兩點：第一是實用性要求，工業設計的最終目標是設計制造出可批量生產的產品，所以設計的產品必須具有實用價值，滿足實用價值則必須滿足物理學原理，否則生產的產品或運行不穩定或壽命太短；其次是設計的產品必須滿足美學要求，滿足美學要求是產品設計的崇高追求，在滿足實用條件后，應進一步優化產品設計的方案，將產品的美學元素融入到設計中，這樣工業設計的產物才會廣為顧客和生產商青睞[1]。工業設計滿足的物理學原理根據設計產品的不同而不同，大體可以根據結構上的平衡、產品服役的行業以及環境和運動學條件進行劃分，以下給出了一些具體的實例。

（一）工業設計中的力學結構平衡

對于機械制造業而言，工業設計中產品首要滿足的條件是力學結構平衡。在工業制造業中，大至生產儀器、設備小至螺釘等小零件，在投產前均需對其進行結構檢測，如果產品的結構上不能滿足力學平衡條件，產品在長時間服役時就容易因為受力不平衡而發生零件脫落、飛濺的現象，極易造成生產事故。在建筑結構的設計中，也處處蘊含著力學結構平衡的原理。一些高層建筑的設計必須滿足結構上的力學平衡，如結構梁的擺放位置是否對稱，建筑整體的斜度以及相應的矯正措施都是需要在產品設計中就考慮清楚的。而且建筑結構設計完成后還需要力學專業專家進行力學平衡分析，否則在實際施工過程中極易引發施工事故，引起不必要的人員傷亡。工業設計中對于機械結構件力學平衡的把握非常重要。因為對于構件而言，平衡問題時至關重要的，設計上如若出現偏差，必將導致無法挽回的損失。

（二）工業設計中的熱脹冷縮原理

工業設計中在把握了產品力學平衡的前提下，還應根據產品的使用環境與服役時間調整產品的設計參數。如果產品的服役環境是在海里，就必須考慮產品材料的選擇，每一種材料的性質特點都是不同的，就必須根據材料的性質調整設計的結構。工業設計中對于產品結構的設計是十分重要的。產品的結構設計必需以熱脹冷縮原理為基礎。如果設計的產品需要長時間高速運動，那么一些膨脹系數高的零件之間的就必須留足夠的間隙，為零件在高速運動后的膨脹留有余地。關于工業設計中的熱脹冷縮原理使用最多的當屬于金屬加工和熱處理領域。因為金屬構件大多是在高溫下持續工作，所以在設計此類產品時，應該嚴格按照金屬材料的熱膨脹系數與服役溫度設計金屬零件之間的間隙，既要滿足零件小巧又要滿足零件熱脹冷縮原理的條件。對于需要高溫服役或低溫服役的產品，只有在滿足熱脹冷縮原理的條件下縮小產品體積，產品才能達到最優的使用價值。

（三）工業設計中的運動學原理（連桿機構、自由度等）

對于運動機構而言，工業產品的設計不僅需要滿足力學平衡條件，還需要滿足運動學條件。運動機構在工業中的應用極為廣泛，從車、洗、刨、磨、鏜、鉆機床到送料、運輸機構都使用到了運動機構。對于車床中的運動機構，在進行設計時，必須根據產品的使用要求，嚴格控制產品的自由度和連桿或曲柄的長度，以實現設備的精確運動。對于連桿等運動機構設計時最重要的就是控制機構的自由度，使之能夠按照預定的要求實現獨立連貫的運動。所以在這類產品的設計時必須嚴格根據運動學原理進行設計。

三、工業設計遵循物理學原理的重要意義

工業設計的最終服務對象是產品，產品的受用對象是顧客以及企業商家，產品最終都將流入現實世界，而任何的實體物質存在都必須滿足相應的物理學原理。所以工業設計時就必須嚴格根據產品的要求，結合物理學原理進行設計。物理學原理對于工業設計而言具有積極的指導意義，如果工業設計脫離了物理學原理的“枷鎖”，設計出的產品也必將是不符合實用規則的物件。

四、總結

縱觀所有的產品、機械設備或電子設備，其正常運行都離不開合理的結構設計。工業設計作為產品生產的源頭，在設計時必須遵守相應的物理學原理，只有滿足了物理學原理的設計才能真正投入生產，提高生產效率。

參考文獻：

[1]黃賢強.交互設計在工業設計中的應用研究[D].齊魯工業大學,2014.

[2]張磊,葛為民,李玲玲,鐘蜀津.工業設計定義、范疇、方法及發展趨勢綜述[J].機械設計,2013,30(08):97-101.

[3]楊夢雪．工業設計中材料的可持續性應用研究[D]．武漢：華中科技大學，2009．

作者：王梓睿 單位：大慶第一中學