摘 要：玩具的定义较为宽泛，是人们嬉戏玩耍时所用媒介物品的界定，但在玩具制作过程中，应用到很多力学原理。本文对玩具中的力学原理进行大致总结，并从玩具设计方向的确定、方案的提出和对比、图纸绘制、车辆制作四方面，论述了基于力学原理下的玩具设计中的具体实践研究，来提升高中学生的实践能力。
关键词：力学原理；玩具设计；力与振动
在玩具设计过程中，属于设计类别中的一种具体体现，只是在其中加入了一些市场导向性，并将很多社会规则和道德融入其中，为广大使用者提供一个良好的娱乐导向。玩具与其他工业产品不同，注重体验和气氛，在其中加入大自然元素，为人们提供自然情绪，保证在玩耍时放松身心，将负面情绪进行释放，用正能量进行补偿。
一、玩具设计中的力学原理
（一）力与振动原理玩具
日本在玩具设计领域中技术较为完善，最近，日本新发明了一款名为“便便通知器”的生活玩具，主要由力学芯片和后台处理app组成。在该玩具使用过程中，将芯片放到人的肚脐下方，芯片便可以检测到人的肠胃活动情况，根据检测结果分析人们正常的胃肠蠕动，一旦发现有便便产生时，就会通过app向手机发送消息，最终得知便便来临的具体时间。该玩具看似毫无乐趣可言，但可以节省家长对儿童的看护，其原理就是利用了力学振动原理，肠胃在正常蠕动时振动频率几乎不变，但在便便形成之后，胃肠振动频率会发生变化，这些信息都会通过力学芯片传递到app中，从而检测出人类的生理反应，实现玩具的创新设计[1]。
（二）惯性与重心原理玩具
最简单而常见的惯性与重心原理玩具当属不倒翁了。不倒翁的力学原理非常简单，水平面上的不倒翁受两个力的作用，一个是重力，另一个是地面的支持力，这两种力可以维持不倒翁在水平面上的平衡。当我们想要将不倒翁推倒时，不倒翁所受到的一部分重力会与外力进行对抗，随着不倒翁倾斜角度的增加，这种对抗力也会越来越强，在外力撤掉之后，不倒翁会恢复直立状态。不倒翁的重心越低，产生出的对抗力就越大，稳定性越好。
二、力学原理玩具设计实践
（一）设计方向的确立
本文以一部赛车的设计为例，论述了力学原理玩具的设计实践。首先，在设计方向的确立过程中，要实现对风力的良好运用。风力看似柔弱，在其中的作用较为明显，在生活中的汽车设计中，几乎都采用流线型设计，目的就是为了在汽车行驶过程中，摆脱风的阻力影响，提高汽车行驶速度。在该玩具设计过程中，设计团队将设计中心放在了风的研究上，以摆脱风的阻力为设计方向，并实现将阻力转化成赛车向前行驶的动力。
（二）设计方案的提出和对比
在设计方向确定之后，设计人员开始将设计方案进行规划和设定，首先，利用空气运动学原理，将弹力引入设计过程中，来提高赛车的驭风能力，并控制好螺旋桨的旋转速度。另外，在进行螺旋桨叶片设计中，有两瓣和多瓣之分。一般来说，螺旋桨在赛车当中的应用很少，为此，在传统螺旋桨设计基础上，需要对设计方式进行创新，为了增加螺旋桨的动力，设计人员在螺旋桨设计中加入橡皮筋，将力学中的弹性势能转化为螺旋桨的旋转能量，并将橡皮筋放置在碳纤维管中，当螺旋桨旋转到一定程度时，弹性势能得到有效释放，此时螺旋桨得到一个反向旋转的助推力，从而让小车在运行过程中受到更大的作用力，实现速度的增加。
在螺旋桨尺寸设计中，如果螺旋桨设计过大，将会增加赛车重力，为此，在设计时一定要控制好螺旋桨的尺寸，避免赛车行驶速度受到影响。
（三）深入方案以及图纸的设计
在弹力赛车上，应用到的力学原理有很多，包括摩擦力、空气动力学、能量守恒等。在弹力赛车车身设计中，要考虑空气阻力问题，如果车身设计不符合运动学原理，将会对运行速度造成严重阻碍。为了增强车身的稳定性，设计人员最终选择三角形车身，这样不仅可以保持车型的稳定性，同时还可以提高惯性，利用三角形尖端切开空气，实现对气流的有效引导。另外，轮胎摩擦力也是设计人员关注的焦点，但在轮胎设计过程中一定要避免一个设计误区，就是摩擦力越小，赛车速度越大，试想生活中如果没有摩擦力，汽车将会无法实现正常行驶。因此，在轮胎摩擦力设计时，要保证程度适中，这样才能实现赛车速度的有效提升。
弹力赛车的设计重点，还是要落在驱动力设计上，也就是弹力的提供者橡皮筋。而螺旋桨的加入，体现出了设计方面的创新。在一次弹性势能释放之后，由于惯性作用，螺旋桨会继续按照原方向进行旋转，这样，会使橡皮筋出现反向绕圈现象，实现弹性势能的有效积累和再次释放。由于螺旋桨的加入，弹力赛车的重力得到增加，惯性也随之增大，当所有动力消失之后，弹力赛车可以依靠惯性，继续向前滑行一段距离[2]。
（四）赛车的最后调试
在弹力赛车最终调试过程中，为了增加橡皮筋的绕圈程度，以及在比赛中能够对赛车进行快速拆卸和组装，设计人员将纤维管换成了透明管，这样，可以有效确定橡皮筋的缠绕位置。另外，根据多次试验和研究，确定了螺旋桨应选用大直径四叶叶片效果更好。在8字转弯过程中，应采用小直径两叶叶片的螺旋桨，能保证螺旋桨的动力更为持久。另外，为了避免螺旋桨在启动初期浪费能量，在车辆启动时可以在赛车后方放一块挡板，最终，保证了弹力赛车以最好的状态投入到比赛和生活中，为人们带去更多的荣誉和乐趣。
三、运用力学原理设计玩具中应注意的事项
（一）玩具设计需具备安全性
玩具作为儿童日常生活当中所接触到的主要物品，在进行依据力学原理的设计过程中，设计者除了在设计过程中需要考虑到玩具的趣味性和可玩性之外，也应该注重玩具是否具有安全性。在目前依据力学原理设计的玩具当中，普遍存在诸如带有棱角、含有细小结构、带塑料包装等情况，这部分玩具在儿童使用不当的情况之下都会对儿童造成损伤。例如运用力学结构设计的立体玩具，许多玩具为了突出趣味性往往设计出过多的尖角，这部分尖角在儿童玩耍中十分容易扎傷儿童皮肤，甚至会刺中眼睛，造成不可预估的后果。此外，在现实的玩具市场当中，部分运用力学原理设计的玩具因材料选择不慎、形态设计缺乏考虑、卫生清洁性不高，会对儿童造成不同程度的影响。因此在玩具设计过程中，应当尽量避免类似情况发生，既保证力学性能，增加乐趣，同时也应当具有安全性。
（二）玩具设计需具备合理性
在以力学原理设计玩具时，设计者应该出了对力学原理有充分的掌握之外，还应该具备对玩具受众的生理、心理特点进行了解的能力。在设计过程中，设计者的着眼点应该更加广泛，不应该纠结于某一特定的力学原理而忽略了玩具的使用环境。对于力学玩具来说，玩具的使用应该包含力学原理和使用条件两个方面的内容，从而将两种不同需求合二为一，使其成为具有人性化的产品。因此，一件良好的力学玩具，除了要能够体现出力学原理之外，还应该体现出设计者对使用者的关怀和关注，在日本的玩具设计当中，日本许多运动类型的玩具都具备充分的力学原理，十分真实地模拟了现实生活当中的运动场景，但日本设计者并没有止步于此，他们有着清楚明确的产品定位，他们的理念当中，玩具应当是人们生活中的一部分，而不应该作为力学课堂的授课试验品，因此在设计当中吗、，力学内容只作为辅助内容出现，并为玩具的应用服务，从而做到了内容和方式的统一。这一点十分值得学习跟借鉴。
（三）玩具设计需具备情感性
在心理学家的研究当中，他们发现人们在进行玩具游戏时，具备一定的“玩具发泄”情绪和“玩具补偿”情绪。这是一种心理情绪的外在表达方式，当人们无法对直白地进行情感的倾诉时，会借助外在物品发泄情感。在玩具市场当中，现代人在选购玩具时也市场考虑情感方面的内容，这使得玩具设计和玩具生产需要针对这一部门目标群体进行玩具设计。对于力学玩具来说，认真做好市场调查、认真分析用户心理以及用户的购买行为，是市场化发展过程中所必须经历和必须面对的。力学玩具不应该成为某些不具有体验性和趣味性的玩具的避风港，而是要成为玩具行业的补充和创新。对于情感需求来说，玩具所应该具有的别出心裁和特殊性将成为未来玩具市场的主要导向，这对于力学玩具来说，是一个契机。相较于其他玩具，力学玩具因为具备力学原理，更有可能达到别出心裁的要求和目的。
（四）玩具设计需注意新材料选用
在现阶段，越来越多的新材料应用到了玩具设计当中来，对于玩具设计者来说，如何合理运用新材料，如何使新材料可以发挥出其独特的价值，成为目前设计领域最为关心的问题。对于力学玩具设计者来说，新材料所具有的力学特性将成为设计创新的主要动力。例如陶瓷材料，随着科技的发展和进步，利用桥联物质的加入，已经逐渐形成独特的物理特性人的新材料，并广泛应用于高新科技领域。这对于力学玩具设计者来说，无疑是创新方向。
綜上所述，在玩具设计过程中，运用到了振动、中心等力学原理，通过这些力学原理的应用，有效提升了玩具性能，为人们生活提供了更多乐趣。在此基础上，人们实现了科学线路的有机串联，设计出越来越多的创新型玩具。未来力学在玩具设计中的应用还会越来越普及，还会有更多创新和优秀的作品诞生。
参考文献：
[1]刘静，张丽芳.理论力学教学中应用研讨课教学方法的探讨[J].科技创新导报，2017，01：220221.
[2]魏风军，卢斌伟.对称与数学结构创意在瓦楞纸箱内衬设计中的应用[J].今日印刷，2017，04：6063.
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