在我们的常用文具中，有个让人“又爱又恨”的成员——自动铅笔。它省去削铅笔的环节，更方便地提供相同宽度的线条，是很多学生和设计工作者的心头好。不过，想必大家都有这样的困扰：笔芯露短一点，“续航”不行；可是笔芯露长一点，又会……
或许在铅芯三番两次的不配合之后，你的灵感也已经不知所踪 | tbm-auth.alicdn.com
为什么铅笔芯这么容易断呢？
铅笔的笔芯是用石墨和粘土按一定比例混合制成的，这两种材料在凝固之后强度很低，容易发生脆性断裂，而断裂的情况与铅芯的受力情况密切相关。
艺术的意义之一就是挑战极限 | 3lian.com
在使用自动铅笔时，我们需要用手握住自动铅笔并且施加一定的力度，纸上才会出现笔迹，这时笔身受到来自于我们双手的作用力，作用力通过笔身传递到伸出笔头的铅芯。假设铅芯对纸面有作用力，而纸面对铅芯则产生了相同大小但是方向相反的反作用力。
自动铅笔使用受力情况分析 | 作者制图
所以，纸面作用在铅芯上的反作用力可以分解为沿铅芯轴向的轴向反作用力和沿铅芯切向的切向反作用力。轴向力过大会将铅芯压断， 切向力过大则会使铅芯发生剪切断裂。
针对这两个问题，不妨先思考下，你能想到哪些解决办法？有没有跟这些文具设计者们想到一块去呢？
 化 解 轴 向 力
  • 提防“芯塞”

铅芯保护结构 | item.rakuten.co.jp
普通自动铅笔的铅芯只有头部和尾部被固定在笔管内部，铅芯中部与笔管内壁不接触，在受到很大的轴向力时，铅芯很容易发生脆性断裂。而上图所示的铅芯保护套能将铅芯包裹起来，防止铅芯断裂导致的堵塞情况。
  • 压力太大？别硬撑了
内外双弹簧缓冲系统 | jetpens.com
自动铅笔经常受到垂直向下的压力，如果在铅芯保护套管后面接弹簧，吸收轴向反作用力，铅芯就可以向上收缩进入金属笔头，免于折断。有弹簧吸收多余的轴向力，铅芯受的轴向力就可以保持在适宜书写的范围内。
垂直压力过大时，笔芯缩回 | jetpens.com
 化 解 切 向 力
  • 三重“护甲”
双层笔头结构，与笔芯套管组成三层防护 | platinum-pen.co.jp
普通自动铅笔笔头一般为单层结构，铅芯在笔头内部处于悬空状态。书写时，作用于铅芯的切向力使笔头内部铅芯弯曲折断。在笔头套管内部再加一层衬管，可以阻止铅芯过于弯曲，超出弹性形变的范围。
  • 随机应变
悬浮可伸缩笔头结构 | jetpens.com

过于前伸的铅芯头部是整根铅芯的强度薄弱部位。上图结构中，在笔头套管内部有1根弹簧将套管与金属笔尖连接。弹簧使金属笔尖可以在笔头套管的内外自由活动，金属笔尖可以伸出笔头套管，保护暴露在外的铅芯。
切向力过大时，整个笔尖在弹簧作用下伸出，保护铅芯 | jetpens.com
编辑：张帅琰
本文首发于
果壳少年
ID：guokr_junior
果壳为中学生量身打造的知识产品
还不快关注一下！
果壳网
ID：Guokr42
为什么这样的二维码也能扫出来？
长按它，向果壳发送【二维码】
获得答案！
继续阅读
阅读原文