乐高砖块的互锁机理及咬合力研究

王泽航

北京八中

摘要

本研究采用杠杆原理测试了6种标准乐高砖块的咬合力,获得了它们在不同方位的具体数值。测试结果显示,不同形状和尺寸的乐高砖块咬合力约在1-3公斤范围内,这验证了乐高砖块咬合力符合日常使用需求,也为大型乐高结构的设计提供了参考。同时,通过分析乐高砖块的制作工艺和互锁结构原理,本研究阐明了其互锁机制的物理学基础。

关键词

乐高;砖块;咬合力;互锁;机理

正文

1. 引言

乐高砖块通过其独特的互锁结构而闻名,这种结构来源于积木之间的互锁机理。在乐高积木搭建过程中，利用互锁机理，将积木之间的缝隙进行缝合，把缝隙盖住，就会使乐高积木搭建的更加稳固结实。互锁是确保乐高结构稳定的关键。但乐高砖块互锁的咬合力具体数值鲜有公开。测量不同形状乐高砖块的咬合力,可以帮助评估大型乐高结构的整体稳定性,也有助于继续优化乐高砖块设计。本研究通过互锁机理分析和咬合力测试,旨在探讨乐高砖块的互锁结构与力学性能的关系。

2. 材料与方法

2.1 材料

选取全新乐高砖块各一份,包括1x1、1x2、1x4、1x6、2x2和2x4六种标准形状(见图1）。

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图1：全新的乐高零件取样

2.2 方法

在乐高实验板上利用起件器竖直拔起砖块,测量起件器手柄处的力（见图2）。根据杠杆原理计算乐高砖块咬合力。每个砖块四周各测试一次（见图3）。

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图2：测量起件器手柄处的力

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图3：杠杆原理计算乐高砖块咬合力

3. 结果与讨论

3.1 互锁机理

乐高积木都有两个基本组成部分，上部的突点和内部的孔（见图4）。所有标准乐高砖块由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)塑料注塑而成,生产公差可控制在0.004mm以内。这种材料的特点是积木的凸起点比凹槽的空间稍大[注1]。当把积木挤压在一起时，突点向外推侧壁并向里推孔。

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图4：乐高零件剖面图

乐高砖块的互锁依赖于积木间突起和空腔的干涉配合。当砖块配合拼接时,突起会挤压空腔内壁并形成紧密配合。这种结构提供了足够的摩擦力防止脱落。这种互锁会对结构稳定性产生重要作用，同时也是乐高公司的专利（见图5）[注2]。

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图5：乐高专利“TOY BUILDING BRICK”附图

3.2 咬合力测试结果

不同形状乐高砖块的咬合力测试结果如下(见表1）

乐高砖块规格	第一次测试	第二次测试	第三次测试	第四此测试
1x1	0.9625公斤	0.6875公斤	0.6875公斤	0.6875公斤
1x2	1.1公斤	0.9625公斤	0.9625公斤	1.1公斤
1x4	1.65公斤	1.65公斤	1.65公斤	1.5125公斤
1x6	2.0625公斤	1.925公斤	1.925公斤	1.65公斤
2x2	1.65公斤	1.375公斤	1.16875公斤	1.16875公斤
2x4	2.75公斤	2.95625公斤	2.95625公斤	2.0625公斤

表1：乐高砖块的咬合力测试结果汇总表

3.3咬合力测量误差分析

乐高砖块规格	平均值	标准差	变异系数
1x1	0.775公斤	0.123公斤	15.87%
1x2	1.04375公斤	0.064公斤	6.13%
1x4	1.6125公斤	0.075公斤	4.65%
1x6	1.89公斤	0.183公斤	9.68%
2x2	1.345公斤	0.21公斤	15.61%
2x4	2.71公斤	0.39公斤	14.39%

表2：乐高砖块的咬合力测量误差分析

由表2可见,同一规格砖块4个方位测量咬合力的变异系数在4.65%~15.87%范围内,除个别低值,多数在10%左右。这验证了测试误差在可控范围内也同时验证了乐高砖块的产品稳定性和可靠性。

4. 结论

测试结果显示,不同形状和尺寸的乐高砖块咬合力约在1-3公斤范围内,与日常使用体验相符。砖块面积越大,咬合力也越大。这验证了当前乐高砖块互锁结构能够满足常见使用场景的需求,为大型乐高结构的设计提供了参考依据。

5. 展望

本研究初步测量了多种乐高标准砖块的咬合力。后续研究可以从以下几个方面展开:

(1) 研究不同拼接方向和次数对咬合力的影响

(2) 建立乐高结构的计算机仿真平台,借助仿真结果指导大型乐高建筑的搭建。

通过上述研究,可以继续深入理解乐高砖块的互锁机制,并提供理论支撑其结构设计与应用的持续创新

参考资料：

[1] 揭秘！精度0.004mm的乐高积木制造过程https://mp.weixin.qq.com/s/huvcRvVyaV4YzSK7CBpqqw

[2] 资料来源：乐高专利“TOY BUILDING BRICK”附图

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