中国传统科技文化与STEM教育——辘轳

　　STEM知识素养

　　一、人文知识

　　辘轳，由辘轳头、支架、井绳、水斗等部分构成，是一种利用滑轮原理制成的起重装置。1974年在湖北铜绿山春秋战国古铜矿遗址的发掘中发现了两根木制的辘轳轴，其中一根长250厘米、直径26厘米，经专家判定是用于提升铜矿石的起重辘轳的残件。

　　明代罗欣所撰《物原》有记载：“史佚始作辘轳。”史佚是周代初年的史官，表明辘轳大概起源于商末周初。唐代刘禹锡(772-842年)在《刘梦得文集·机汲记》中描写了他亲自所见的一种称为“机汲”的提水机械。

　　现有史籍中最早讨论滑轮力学的是《墨经》。《墨经·经下》写道：“挈与收反，说在权。”《经说下》解释说：“挈，长重者下，短轻者上。上者愈得，下者愈亡。绳直，权重相若，则止矣。收，上者愈丧，下者愈得。上者权重尽，则遂挈。”书中“挈”为向上提举重物，“收”为自由往下降落，“绳制”则是整个滑轮机械。即：以“绳制”举重，“挈”的力与“收”的力方向相反，但同时作用在一个共同点上。提挈重物要用力，“收”不费力。若用“绳制”提举重物，人们就可省力而轻松。在“绳制”一边，绳较长、物较重，物体就会慢慢下降；在其另一边，绳较短、物较轻，物体就会慢慢被提举上升。如果绳子垂直，绳两端的重物相等，“绳制”就平衡不动。

　　二、科学知识

　　辘轳是从杠杆演变来的汲水工具，其利用了滑轮原理。辘轳的支点是辘轳的轴心，阻力臂是辘轳的半径，动力臂是摇臂，摇臂比辘轳的半径长，属于省力杠杆。

　　STEM活动实践

　　一、创意实践

　　辘轳制作

　　材料：

　　硬木棍，上端中心位置有孔的石头，粗绳，水斗，筒状木头、带弯的把柄、三脚架等实物（建议用3D打印设计制作）

　　创意参考步骤：

　　1.将上端中心位置有孔的石头下端固定，把硬木棍作为轴心插入石头孔中，硬木棍另一端搭放在三脚架上。

　　2.套上筒状木头，即为轴套。

　　3.将把柄装在轴套上，把柄必须弯曲，更能受力。

　　4.粗绳缠绕在轴套上并固定。

　　5.将水斗系在绳子的另一端。

　　二、创意改良

　　试一试，如果改变把柄的长度，用的力是否相同？

　　三、创意挑战

　　1.怎么做辘轳最省力？

　　2.怎么做辘轳效率最高？

　　（作者/李湘黔）

（一审：夏博 二审：余画 三审：文杰）