一、杠杆的概念
杠杆是一种简单的机械结构,中学物理中,将杠杆定义为一根在力的作用下可绕固定点转动的硬棒。在杠杆结构中,动力的作用线到支点之间的距离称为动力臂,阻力的作用线到支点之间的距离称为阻力臂。

利用乐高积木可以很容易的搭建一个杠杆结构,如下图所示。

通过改变支点的位置,可以改变杠杆的机械增益,也就是动力与阻力之间的大小关系。如下图所示。

二、杠杆的分类
杠杆按照支点、动力、阻力(也即负载)的位置关系,可以分为三类:
(1)第一类:支点在中间,动力与阻力分别位于两端。

(2)第二类:阻力位于中间,动力和支点分别位于两端。

(3)第三类:动力位于中间,阻力和支点分别位于两端。

杠杆结构在乐高机械组中非常常见,像42108中的吊车起重臂,就是一个典型的第三类杠杆结构。

三、特殊杠杆结构
(1)平行杠杆
将两个相互平行的杠杆两端连接起来,称之为平行杠杆,如下图所示。

在上图中的结构中,黑色两个杠杆和两侧的连接,形成了一个平行四边形,因此无论杠杆如何移动,两个蓝色乐高积木的短边永远相互平行,也就可以推出其长边也永远相互平行。这是一个非常有用的特性。例如,如果你想要在利用杠杆结构搬运物体时,始终让物体保持水平向上的状态,则可以利用该结构特性来实现。
此外,通过对一侧的连接杆角度添加额外控制,可以实现另一侧连接杆角度的随动,如下图所示。在下图的平行杠杆结构总,左侧的橙色连接杆利用一个线性执行器(Linear Actuator)进行角度控制,当左侧线性执行器静止而右下方的线性执行器运动时,用来改变杠杆的整体角度;反之,当右下方线性执行器静止,而左侧线性执行器运动时,则可以改变右侧蓝色连接杆的自身角度。利用上述方法可以实现模拟装载机的反斗控制。

(2)不平行杠杆
与平行杠杆相反,当杠杆不完全平行时,其两侧的连接杆的相对角度会随着杠杆的移动而改变。我们同样可以利用这个特性来实现某些机械结构。

上图就是一个典型的不平衡杠杆结构,刚杠杆角度改变时,橙色连接杆相对蓝色连接杆的角度也随之改变。许多乐高起重机模型中的外伸支架,就是利用这种原理实现的。