行李箱结构图：看懂拉杆箱怎么省力又方便

行李箱结构图：看懂拉杆箱怎么省力又方便

图3 发明的箱子（图片来源于网络）

上世纪90年代才发明出世有现代意义的拉杆箱，如图4所示，发明者是美国飞行员Plath，起初Plath只为自己使用，而后其他空乘人员觉着很实用，便邀请Plath也给他们制作行李箱，于是Plath在飞行之余做起拉杆箱，先卖给空乘人员，再卖给其他旅客，Plath意识到拉杆箱价值后，于1991年申请拉杆箱专利，还辞去飞行员工作，专门制作拉杆箱。

图4 Plath发明的拉杆箱（图片来源于网络）

相较于2010年之前，行李箱商家随后推出了一种带有4个小轮的版本，并且这些小轮能够进行360°旋转，在平地上使用这样的行李箱时，能够更轻松地推动，几乎不怎么费力，就如同图5所展示的那样，该行李箱不需要人去施加向上的力，仅仅通过推动，它便能够在平面内实现运动，要是轮子所产生的摩擦力足够小的话，那么人就能将省力的程度最大化。

图5 可360度旋转的行李箱（图片来源于网络）

现如今，跟着时代不断发展，拉杆箱的设计，除了具备轻便的特性外，还愈发看重个性化，能够讲，拉杆箱已然变成人们平常生活里不可缺少的一部分。这篇文章，会借助力学原理剖析，从行李箱朝着拉杆箱发展的进程当中，人们“使力”特点的改变，并且凭借此来揭示拉杆箱发展演变期间潜藏的力学原理。

倘若旅行需要带着四十公斤的行李，拉杆质量予以忽略，要是属于早期的行李箱，依据平衡原理，人仅仅能够向上施加四十公斤的力才可以把行李提起来。和拉杆箱相比较，搬运未安装轮子的行李箱会更加费力。接下来我们剖析当人拉动拉杆箱时的“使力”特点，绘制出如同图6所示的拉杆箱受力示意图，设定箱子的自重是G，重心处于箱子的中心位置。人朝向上用力气，大小为F。假定箱子的倾斜角度是θ，其他尺寸如同图里所显示的那样。借助杠杆原理，能够写出平衡时的方程如下：

求出F，得

还是认为那个 40 公斤重的行李箱，它的重力 G 等于 400N ，这里为了方便计算，重力加速度 g 差不多取 10m 每 s 平方，参照市面上一般行李箱的尺寸，给出这篇文章所剖析的行李箱尺寸是这样的：

图6 拉杆箱的尺寸和受力示意图

图中，L0=50cm；h=20cm；L=74cm。

把上述参数代入于上式，画出力F跟θ角之间的关系呈现如图7所示那样。从中能够看出，人进行向上“施力”达最大程度之际是拉杆箱处于水平放置状态之时，在这个时候能够视作是一个杠杆，鉴于人的施力点到轮子支撑点的距离比重心到支撑轮的距离大，所以成为一个省力杠杆，省力的大小和重心位置存在关联。当倾斜角度渐渐增大时，人向上的“施力”渐渐在变少，从这般结果来看，要是大人和小孩拉相同的箱子，因小孩的身高较为矮，通常情况下会比大人使劲更多。

从图7那儿还能够留意到，当倾斜角度大概是67.7度之际，人向上的那种“使力”变为0了，这是由于当拉杆箱倾斜角度逐步增加时，会历经重力作用线刚好经过了轮子的那个时刻，在这个时候拉杆箱所有的重量都由轮子去提供。然而这个状态是很难掌控的，非常容易朝着小于67.7度以及大于67.7度这两个方向翻倒。在图7那儿，我们留意到，当倾斜角度大于67.7度之际，所施加的力小于0，这只是表明人施加的力致使箱子产生了相反方向的旋转，比如在图6显示的位置，为维持平衡，人施加的力会让箱子出现逆时针旋转，当力F小于0的时候，说明为保持平衡，人施加的力会让箱子发生顺时针旋转，也就是拉杆箱这时翻到了图里的左侧。

图7 对拉杆箱的力与倾斜角θ 之间的关系

求解人对拉杆箱的“使力”跟倾斜角度的关联处、咱们留意到存在一个“使力”变0的地方、很当然的念头便是要是能维持人的“使力”是0、那便是拉杆箱最理想的设计、可是上例里特定角度下的状况难以维持、所以带有4个轮子的拉杆箱就问世了、如此箱子的重力就全由轮子支撑、而且4个轮子也确保了拉杆箱的稳定性、同时这4个轮子还是万向轮、能够朝向任意方向转动、所以、推动这类拉杆箱就变得极其省力、极为便利。

经过上述的相关分析，我们能够明显看到，从手提木制的行李箱开始，接着到拉绳行李箱，然后直至拉杆箱，再到那种可360度旋转的拉杆箱，在行李箱的整个发展演变进程当中，“省力”便是推动其发展演变的内在推动力量，而达成“省力”这一目标依靠的就是物理学中所表述讲述的杠杆原理，人类巧妙地把杠杆、车轮以及箱子组合集合在了一起，如此就形成了深受当代人所喜爱的拉杆箱。

（原文注：此乃我指导学生完成的课外之作，刊载于中学生数理化(学习研究) ，原本的题目是：拉杆箱发展演变的内在力学原理，这篇文章稍有扩充）