慕尼黑博物馆（一）

前一篇文章我们简要介绍了一下德国的历史。本文我们和大家一起通过参观慕尼黑博物馆，并就其中关键展品进行讲解和引申诠释。

慕尼黑博物馆位于德国拜仁州首府慕尼黑的母亲河伊萨河（Isar）的一个河心岛上，靠近古建筑伊萨城门。我自2015年至2017年几乎走遍了南德的每个小村庄，但是由于对大城市不感兴趣，因此一直没有特意去领略大名鼎鼎的德意志博物馆的风情。但毕竟自己所学、所做都是围绕机械行业，因此2019年和两位同事一起来到这里。

刚进入博物馆院内，首先映入眼帘的是一个大的轮机，上面制造商的五个字母特别醒目: VOITH，根据德语发音，译为“福伊特”。福伊特是总部位于巴登符腾堡州的海登海姆市，是一个以机械制造业闻名遐迩的家族企业，如今已过150之久。轨道交通车辆齿轮箱是其拳头产品。

进入博物馆一层，就会看到大厅里面陈列着各种帆船，应该是大航海时代产物。那是一个英雄辈出的时代，各行各业的引领时代前进的人物如同天上的群星集中在公元1500年左右闪耀，迅速而深刻地改变了人类的面貌，因此，公元1500年是世界公认的世界古代和近代的分界点。至于到底哪些名人创造了哪些业绩如何影响历史的，这个我们后续单独分析。毫无争议的是大航海时代的帆船绝对是带着我们走入了新世界。

帆船的出现代表了文明达到一定高度了。帆船是尖底船，适合于水体宽阔的远洋航行，内河容易搁浅。而平底船适合于内河浅水航行，但在风大浪高的大海中容易倾覆。那么为什么尖底帆船在海浪中更平稳呢？我们看下面这个示意图：

船体加上货物总的重力G作用点（重心）为B点，浮力F作用点与船的几何形状有关，作用点为A点。如果B点位于A点下方，则船稳定，否则船不稳定。这里说的稳定与否是指船会不会倾覆，而不是乘客感觉上的平稳。这个是一个普适的规律，类似的还有飞行的箭：

如果要维持箭头始终指向飞行的方向，那么需要整个箭的质心B位于空气阻力F的作用点A之前。

关于稳定性的判定有一些判据，这属于高等动力学的内容，很深奥。但是我们不难发现一个规律：使结构受拉的设计，系统一定稳定，如船体受重力模型、箭飞行受力模型。凡是不稳定的模型都是使系统受压。

基于此，我在2011年为某风力发电机企业设计一个试验台，当时考虑的初始方案用两侧两个液压缸产生朝着过渡段中心方向的推力F1和F10以产生沿着过渡段径向方向的合力F1-F10。因为我之前仔细研究过稳定性的问题，所以，我意识到如果按这种加载方式一定会造成系统失效而发生事故。因为无论是制造、安装中不可避免的我误差，还是外界的干扰一定会使实际加载油缸的作用线不是完美地通过过渡段中心，也就是相对过渡段中心会有一个力臂L，从而形成附加扭矩T=(F1-F10)XL。

这个附加扭矩又使得过渡段进一步转动，加大力臂L。L加大扭矩T再增加。形成恶性循环直至破坏，如下图所示：

而实际上油缸不可能无限身长，所以最终的结果就是彻底破坏，发生事故。

我当时就把方案做了改进，两个油缸的方向反向布置，从输出推力F1、F10变成输出拉力F2、F20.只需保证F2-F20=F1-F10即可实验原始加载要求。这种加载方式保证了即使两个油缸拉力作用线出现偏差，但是产生的附加扭矩的效果是使其自动回到对中的位置。这种设计满足了加载要求的同时又避免了由于失稳导致的事故。

此原理实质上与压杆容易失稳而拉杆不会失稳的原理一致。可作为设计借鉴。

博物馆里陈列的帆船美轮美奂，令人叹为观止。在那个大航海时代，帆船的作用不啻于现在的宇宙飞船。复杂的帆船，除了上述讲的稳定性之外，还有哪些科技元素蕴含其中呢？下一节我们与大家继续解析。