圆珠笔的书写机理初步研究

圆珠笔的书写机理初步研究

上海晨光文具股份有限公司姚鹤忠

圆珠笔在书写时，其笔头前端的球珠与书写面（通常为纸张）接触，由于同时受到垂直向下的书写压力和水平方向的推力，球珠会将书写压力传递给书写面，而书写面反作用力给球珠，并通过球珠传递到支承球珠的球座底部，即在球珠与支承其的球座底部之间，以及球珠与书写面之间分别形成了两对压力与反作用力，同时，由于水平方向的推力以及球珠与书写面之间的摩擦阻力作用，会使球珠转动起来；由于书写介质（油墨或墨水）对书写面的润湿性大于对球珠的润湿性[1]，就将粘附在球珠表面的书写介质再粘附到书写面上而形成了线（字）迹。

圆珠笔在书写时，其笔头前端的球珠与支承其的球座底部之间，由于书写压力的作用会发生滑动摩擦，由此会产生磨损；而球珠与书写面之间则是一种滚动摩擦，或者说是滚动、滑动和旋转的组合[2]。此外，书写介质对于滑动摩擦可以起到润滑剂的作用，同时其本身还存在液体的内部摩擦。因此，仔细分析圆珠笔的书写过程，是一个滑动摩擦、滚动摩擦、内部摩擦及润滑作用的组合，并且又相互关联影响的复杂过程。

为了能够理清这么一个复杂的过程，我们试图运用流体力学、摩擦学、表面物理化学等理论，从圆珠笔笔头的内部构造与书写介质在笔头中的流动分析入手，先将滑动摩擦、滚动摩擦和内部摩擦这三种摩擦，以及书写介质的润滑剂作用分别单独进行分析，找出其各自对于书写的流畅性和润滑度的影响，以及它们相互之间的关联点，然后再进行综合分析，以勾勒出一个比较完整的体系。

一、圆珠笔笔头的内部构造

通常情况下圆珠笔笔头是由球珠和球座体组成（见图1），也有特殊情况，这就是按动式中性笔所采用的弹簧笔头，在球座体的中间还放置了一根弹簧（见图2）。

球珠就是直径大小不同的小圆珠，要求其硬度、圆度和表面粗糙度等达到一定的标准。球珠可以采用不同的材料制作，例如琴钢丝（碳钢）、不锈钢、碳化钨、玻璃、陶瓷（氧化锆）、氧化铝等，以及不同的加工工艺所制成。

球座体也可以采用不同的材料制作，例如铅黄铜、镍白铜、不锈钢、塑料（POM）等，以及不同的加工工艺所制成，外部形状也可以有很多的变化，但是，其内部构造经过几十年

球珠球座体

图1 圆珠笔笔头

图2 中性笔弹簧笔头

的不断改进和发展，已形成了比较稳定的基本结构。

球座体的内部构造可以分为三个部分来分解，第一部分为球座，即球座体的前端容纳球珠的部分，比较重要的尺寸分别为：球座内径、球座内锥角（加工球座时钻头的顶角所形成的角度）、球座口边（俗称碗边）厚度、球座环槽大小（由球座内径与球座内锥角以及球珠三者所形成的横截面近似三角形的圆环空间）、球珠在球座内的轴向间隙与径向间隙（见图3）、油槽的临界槽径（经过压珠或者冲圆后球珠与球座底部接触面的最大直径）等。

第二部分为中孔，即球座体的后端与连接或储墨管连通的部分，是书写介质来源的通路，通常为圆直孔或有台阶（加工工艺需要所形成）的圆孔。

图3 球座内的环槽、径向间隙和轴向间隙

第三部分为小孔和油槽，即连通球座与中孔之间的中间部分，比较重要的尺寸分别为：小孔的直径与长度、油槽的数量（通常有三条、四条、五条等）（见图4）、油槽的宽度、油槽的深度、槽冲角、油槽的外径等。其中油槽的深度有两种不同的状况，一种是油槽直接与中孔贯通，通常是在小孔长度较短以及书写介质特性需要的情况下，此时的油槽的深度就是

A. B.

C. 图4 笔头内的油槽 A.三条 B.四条 C.五条

贯通部分的长度；另一种是油槽仅与小孔相通（见图5），油槽的底部并不是一个平面，而是一个锥面，因此就有了槽冲角。

图5 油槽与小孔相通以及槽冲角

此外，油槽的外径与油槽的临界槽径的差值大小，再加上油槽的宽度大小，就决定了油

槽与环槽贯通面积的大小，这是影响出墨量大小的很重要的因素之一。

二、 书写介质在笔头中的流动分析

圆珠笔的书写介质均是液体，基本可分为三种类型，油性油墨、水性墨水和介于

高粘度油性油墨与低粘度水性墨水之间的中粘度凝胶状水性墨水。

油性油墨既有高粘度的，也有中、低粘度的，还有可擦油墨等，其粘度通常在2000~

20000mPa ·s 之间；水性墨水的粘度通常在8mPa ·s 以下；中性墨水的粘度通常在2000mP

a ·s 左右。

为了分析书写介质在笔头中的流动状况，可以在笔头内部取三个点（见图6），第一点

是笔头的中孔，这是笔头内最大的空间和通路，也是供墨的源头；第二点是笔头的小孔，这

是笔头内由供墨转向出墨的连接点；第三点是球珠与球座内径之间的间隙，通常情况下这是

笔头内最小的通路，决定了出墨量的大小。

由于不同的书写介质需要笔头内部的结构尺寸来相应匹配，因此，不同的书写介质在笔

头中的流动状况也是各不相同的，以下分别对三种典型的状况加以分析。

在已知单位时间流量的情况下，可以计算其流速：

(2-1) 式中：

u —流速，mm/s

Q —流量，mg/s

?=S

Q u ρ1

S—截面积，mm2

ρ—密度，mg/mm3

图6 笔头内部的三点位置

1．高黏度油性油墨在笔头中的流量与流速估算

以球珠直径为0.5mm的油性油墨圆珠笔为例，其笔头中孔（靠近小孔处）的直径约为0.68mm，截面积为0.3630mm2；笔头的小孔直径约为0.266mm，截面积为0.0555 mm2；球珠与球座内径之间的单边间隙约为0.001mm，可以计算出该间隙所形成的截面积为0.00157mm2，该间隙应该是笔头内部间隙最小的地方。

以蓝色油性油墨为例，平均出墨量为9.6mg/100m，则0.096 mg/m，划线仪速度为7m/min，则相当于流量0.672mg/min，换算为0.0112mg/s，蓝色油性油墨的密度为1.12，那么可以计算出油性油墨在上述各点的单位流量与流速：

①在笔头的中孔流量为0.0112÷0.3630 = 0.0309 mg/ mm2．s，流速为0.0276 mm/s；

②在笔头的小孔流量为0.0112÷0.0555 = 0.2018 mg/ mm2．s，流速为0.1802 mm/s；

③球珠与球座内径之间的间隙中的流量与流速计算则有所不同，因为球珠滚动时只有一半的间隙会将油性油墨从间隙中带出，另一半反而是带入（也可能部分带入部分积留在碗口边上），因此相当于油墨是从一半的间隙中流出的，故流量为0.0112÷0.00157×2 = 14.2675 mg/ mm2．s，流速为12.7388mm/s。

从以上各点的流量与流速来看，在笔头中孔内油性油墨的流动是非常慢的，属于极低雷诺数流动，或者称为蠕流动，粘性力与惯性力相比占居绝对主导地位，尤其是上述油性油墨的黏度很高达到18500mPa．S的情况下。在笔头小孔处油墨的流动仍然是很慢的，但是在球珠与球座内径之间的间隙中油墨的流动相对就非常快了，它们之间的流速变化很大，最大流速与最小流速之间要相差461倍之多。

2．中黏度中性墨水在笔头中的流量与流速估算

以球珠直径为0.5mm的中性墨水圆珠笔为例，其笔头中孔（靠近小孔处）的直径约为0.55mm，截面积为0.2375mm2；笔头的小孔直径（不考虑油槽）约为0.27mm，截面积为0.0572 mm2；球珠与球座内径之间的单边间隙约为0.005~0.007mm，取中间值0.006mm，可以计算出该间隙所形成的截面积为0.00953mm2，该间隙应该是中性笔头内部间隙最小的地方。

以黑色中性墨水为例，平均出墨量为123.5mg/100m，则1.235 mg/m，划线仪速度为4.5 m/min，则相当于流量5.4mg/min，换算为0.09mg/s，黑色中性墨水的密度为1.083，那么可以计算出中性墨水在上述各点的单位流量与流速：

①在笔头的中孔流量为0.09÷0.2375 = 0.3789 mg/ mm2．s，流速为0.3499 mm/s；

②在笔头的小孔流量为0.09÷0.0572 = 1.5734 mg/ mm2．s，流速为1.4569 mm/s；

③球珠与球座内径之间的间隙中的流量与流速计算则有所不同，因为球珠滚动时只有一半的间隙会将中性墨从间隙中带出，另一半反而是带入，因此相当于墨水是从一半的间隙中流出的，故流量为0.09÷0.00953×2 = 18.8877 mg/ mm2．s，流速为17.44mm/s。

从以上各点的流量与流速来看，在笔头中孔内墨水的流动是很慢的，仍然属于低雷诺数流动，粘性力与惯性力相比仍然占居绝对主导地位，对于中性墨水来说，此处因为没有明显的剪切率变化，故墨水的黏度仍保持在较高的程度，通常为2000~5000mPa．s；在笔头小孔处墨水的流动也是比较慢的，但是在靠近球珠一侧的墨水因为球珠的快速转动而使剪切率发生明显变化，从而使墨水黏度大幅下降，通常为300~800mPa．s；在球珠与球座内径之间的间隙中墨水的流动速度要比油性油墨快36.9%，但是，它们之间的流速变化要比油性油墨小得多，最大流速与最小流速之间相差近50倍。

3．低黏度水性墨水在笔头中的流量与流速估算

以球珠直径为0.5mm的水性墨水圆珠笔为例，其笔头中孔（靠近小孔处）的直径约为0.55mm，截面积为0.2375mm2；笔头的小孔直径（不考虑油槽）约为0.264mm，截面积为0.0547

mm2；球珠与球座内径之间的单边间隙约为0.006mm，可以计算出该间隙所形成的截面积为0.00953mm2，该间隙应该是水性笔头内部间隙最小的地方。

以黑色水性墨水为例，平均出墨量为143mg/100m，则1.43 mg/m，划线仪速度为 4.5 m/min，则相当于流量6.435mg/min，换算为0.1073mg/s，黑色水性墨水的密度为1.11，那么可以计算出中性墨水在上述各点的单位流量与流速：

①在笔头的中孔流量为0.1073÷0.2375 = 0.4518 mg/ mm2．s，流速为0.4070 mm/s；

②在笔头的小孔流量为0.1073÷0.0547 = 1.9616 mg/ mm2．s，流速为1.7672 mm/s；

③球珠与球座内径之间的间隙中的流量与流速计算则有所不同，因为球珠滚动时只有一半的间隙会将中性墨从间隙中带出，另一半反而是带入，因此相当于墨水是从一半的间隙中流出的，故流量为0.1073÷0.00953×2 = 22.5184 mg/ mm2．s，流速为20.2868 mm/s。

需要指出的是水性墨水圆珠笔采用的水性墨水黏度很低仅为5.2 mPa．s，必须通过引水芯将墨水引入笔头内，于是在中孔内安装了一根引水芯，引水芯的锥形头部伸入小孔，与球珠保持恰当的距离。该引水芯采用化学纤维加胶粘剂粘结而成，内部具有大量毛细微孔，可以吸引和储存墨水，同时，中孔靠近小孔处还有一环形台阶（见图7），可以储存墨水。

图7 水性笔头内的墨槽

因此，在中孔（其实是引水芯）内墨水的流速总体上是比较慢的，但是，在引水芯的每一条毛细微孔内的流速其实是非常快的。到了小孔处流速又比较慢了，然后在球珠与球座内径之间的间隙处流速达到了最快，比中性墨水增加了16.32%，最大流速与最小流速之间相差也是近50倍。

4．综合分析

流体流动存在两种截然不同的型态，即层流和湍流，雷诺根据大量的实验发现，由

层流转变为湍流的转变过程非常复杂，不仅与流体的流速有关，而且还与流体密度、

粘滞系数和物体的某一特征长度（例如管道直径、机翼宽度、处于流体中的球体半径

等）有关。他综合以上各方面的因素，引入一个无量纲的量，后人把这无量纲的参数

命名为“雷诺数”。流体的流动状态由雷诺数决定，雷诺数小时作层流，雷诺数大时

作湍流。流体由层流向湍流过渡的雷诺数，叫做临界雷诺数，记作Re 。

μρdu =

Re （2-2）

式中：

d 一管道直径，m

一流体密度，kg ·m -3

一流体粘度，Pa ·s

u 一流体流速，m · s -l 实验表明，流体通过圆形管道时其临界雷诺数为Re ≈2000—2600；通过光滑的同心环

状缝隙时 Re=1100；而在滑阀阀口处，Re=260。

在油性油墨圆珠笔笔头的中孔内油墨流动的状态，经过计算其雷诺数为Re=1.1×10-6

，

即使在球珠与球座内径之间的间隙中，其雷诺数仅为Re=3.4×10-5。

在中性墨水圆珠笔笔头的中孔内墨水流动的状态，经过计算其雷诺数为Re=4.2×10-4，

即使在球珠与球座内径之间的间隙中，其雷诺数也仅为Re=4.1×10-3。

在流速最快的水性圆珠笔笔头的球珠与球座内径之间的间隙中，其雷诺数还是仅为

Re=4.8×10-1。

总之，上述书写介质的流动状态均是属于低雷诺数流动或是极低雷诺数流动。

此外，从前述三种典型的状况来看，还有一个共同的特点是小孔至球珠与球座内径之

间的间隙处的流速的突变（见图8），其中高粘度油性油墨在两处的流速变化达到70.69倍，

中黏度中性墨水在两处的流速变化达到11.97倍，低黏度水性墨水在两处的流速变化达到

11.48倍。

流体的摩擦规律与固体的摩擦规律不同，固体的摩擦力大小正比于正压力，与速度无关，

而流体的摩擦力大小正比于流速的大小，也就是说在球珠与球座内径之间的间隙处因为流速

快速变大而使书写介质的内部摩擦力迅速增大。关于书写介质的内部摩擦问题将在后面专题

进行讨论。

123456789101112131415161718192021123mm/s

水性中性油性

图8 书写介质在笔头中的流速变化

三、 球珠与支承其的球座底部之间的滑动摩擦

当一物体在另一物体表面上滑动或有滑动趋势时，在两物体接触面上产生的阻碍

它们之间相对滑动的现象，谓之“滑动摩擦”。

近代摩擦学理论认为，产生滑动摩擦的主要原因有两方面：

一是摩擦的凹凸啮合说（亦可称为机械啮合理论），认为摩擦的产生是由于物体表面粗

糙不平所致。当两个物体接触时，在接触面上的凹凸不平部分就互相啮合（如图8所示），

粗糙峰相互之间挤压、碰撞以及弹塑性变形，以至产生剪切和断裂，从而产生了阻力和能量

损耗；

图8 两个粗糙表面的接触

二是分子粘合说（亦可称为分子作用理论），认为当相接触两物体之间的间距离小到分子引力的作用范围内时，会产生“粘着效应”（如图9所示），这是因为两个非常贴近的微凸体通过原子之间的吸引力将形成粘着点。从广义上理解，粘着是物理作用或化学作用引起的。化学作用包括共价键、离子键或静电键、金属键和氢键。物理作用包括范德华力，范德华力比分子之间的化学作用力要小得多。当两个物体非常接近时，界面之间就会出现这些作用力。[3]

图9 粘着效应示意图

对于圆珠笔笔头的球珠与支承其的球座底部之间的滑动摩擦而言，主要是前一种即“凹凸啮合”，至于后一种即“分子粘合”则尚待进一步分析研究，初步的判断在正常的书写压力下，可能还没有达到“分子粘合”的程度，即使存在“分子粘合”，其比重可能也是非常小的。

1．球珠表面与球座底部面的接触

目前，使用量最多的是碳化钨球珠，其表面经多道研磨后，表面粗糙度可达到Ra0.016 ~0.08μm，但是，碳化钨球珠是采用粉末冶金工艺加工而成，因此表面会有大量的微孔存在（如图10所示）；而球座体的球座部分经切削加工后，表面粗糙度通常在Ra3.2μm左右（如图11所示），即使经过压珠可能使球座底部的表面粗糙度有所改善，但是两者的差异还是很大的。由于表面粗糙度的影响，两个表面的实际接触并不是发生在所有的表观面积上，而只是在一小部分的微凸体上（如图12所示）。

图10 球珠表面状况

图11 球座底部的表面状况

图12 实际接触面积示意图

2．球珠与支承其的球座底部之间的滑动摩擦力计算

根据四个经典摩擦定律：

定律一，摩擦力与载荷成正比。

它的数学表达式为

F ＝f W (3-1)

式中，F为摩擦力；f 为摩擦系数；W为正压力。

如果能够知道摩擦系数大小，就可以算出摩擦力大小。

定律二，摩擦系数与表观接触面积无关。

笔头球珠直径的大小所造成的与球座底部接触面积大小，与摩擦系数无关，也就是说无论球珠直径的大小，其与球座底部之间的滑动摩擦力是相同的。

定律三，静摩擦系数大于动摩擦系数。

笔头球珠与球座底部之间的滑动摩擦力由静摩擦力和动摩擦力组成，静摩擦力大于动摩擦力。即The static friction between the ball tip and the bottom of t he socket is larger than that sliding friction between the two, namely,

F j ＞ F d f j W ＞ f d W f j＞ f d

由于滑动摩擦的静摩擦和动摩擦是先后发生的，故两者不是简单的叠加，如果测试中以最大的摩擦力来计算，则

Because slding friction occurs when the static friction is overcome and there is a relative motion between the ball and bottom of ball socke t. To determine the largest resistance during the whole process, that wo uld be the static friction between the ball and bottom of ball socket, n amely,

F1＝ F j ＝ f j W (3-2) 如果在球珠滚动时计算其滑动摩擦力，则

To determine the resistance during the sliding of the ball on the bo ttom of ball socket, that would be the sliding friction between the two, namely,

F1/＝ F d＝ f d W (3-3) (变了，注意后面的一起变)

式中，F1 为滑动摩擦力；F j为静摩擦力；f j 为静摩擦系数； F d为动摩擦力； f d 为动摩擦系数；W为正压力。where F1 is the resistance, Fj is the static fr iction between ball and bottom of ball socket, fj is the coefficient of static friction between the two, Fd is sliding friction between the two, and fd is the coefficient of sliding friction between the two.

定律四，摩擦系数与滑动速度无关。

在相同的书写速度下，球珠直径的大小决定了其转动速度是不同的，也就是说球珠与球座底部之间的滑动速度是不同的，但是，因为摩擦系数与滑动速度无关，所以，无论球珠直径的大小，球珠与球座底部之间的滑动摩擦力还是相同的。

虽然根据最近的研究发现大多数经典摩擦定律并不完全正确，但是经典摩擦定律在一定程度上反映了滑动摩擦的机理，因此在解决许多工程实际问题中依然广泛使用。

[4]

对于圆珠笔笔头的球珠与支承其的球座底部之间的滑动摩擦力计算而言，能够找到在不同条件下的摩擦系数是关键，圆珠笔笔头的球珠与球座体有不同的材料组合，相当于不同的摩擦副的配合，而不同的书写介质则相当于不同的润滑剂，目前最常见的组合见表1。

经过大量的实验，在球珠和球座体材料相同，其他条件相似的情况下，因为书写介质的不同，其摩擦系数的大小大体排列如下：

水性＞中性≈油性＞中油（粘度较低、润滑性较好的油性油墨）

在书写介质相同，球珠和球座体材料不同的情况下，其摩擦系数的大小大体排列表1 圆珠笔的球珠、球座体与书写介质的不同组合

球珠材料球座体材料书写介质

1．碳化钨不锈钢中性墨水

2．碳化钨不锈钢水性墨水

3．碳化钨不锈钢油性油墨

4．碳化钨镍白铜中性墨水

5．碳化钨镍白铜水性墨水

6．碳化钨镍白铜油性油墨

7．碳化钨铅黄铜油性油墨

8．不锈钢铅黄铜油性油墨

如下：

碳化钨与铅黄铜＞碳化钨与镍白铜＞碳化钨与不锈钢

参考铸铁与钢的静摩擦系数为0.4，动摩擦系数为0.21，考虑到碳化钨的硬度高于铸铁且表面粗糙度要大大好于铸铁，不锈钢与普通钢接近，镍白铜和铅黄铜的硬度均低于钢，再加上书写介质的不同润滑剂作用，在大量试验的基础上，将静摩擦系数和动摩擦系数分别修正如下：

静摩擦系数f j为0.17~0.35，具体见表2；动摩擦系数f d为0.10~0.20，具体见表3。

The coefficient of static friction f j for different writing media and different materials of ball and ball socket is in the range of 0.17 to

0.35, details are in Table 2. And Table 3 displays data on coefficient o

f slidin

g friction, whic

h is in the range of 0.10 to 0.20.

以直径为0.5的碳化钨球珠与不锈钢球座体的笔头，灌注中性墨水的笔芯为例，在0.9 8N书写压力的情况下，计算其最大滑动摩擦力F1：

Supposing that the ball is made of WC with a diameter of 0.5 mm, the ball s ocket is made of stainless steel, and gel ink is used as writing medium. When 0.

98 N force is applied on the ball-point pen tip by a human hand, the largest re sistance between the ball and bottom of ball socket F1, namely the static frict ion：

F1 = F j = 0.31 × 0.98 = 0.3038(N)

球珠滚动时滑动摩擦中的动摩擦力为

while F1', the resistance between the the ball and bottom of ball socket du ring relative motion of the two, namely the sliding friction:

F1/ = F d = 0.15 × 0.98 = 0.147(N)

表2 静摩擦系数表

中WC/不锈钢0.17 0.18 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 WC/镍白铜0.18 0.19 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 油WC/铅黄铜0.19 0.20 0.22 0.23 0.24 0.25

油WC/不锈钢0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0.30

WC/镍白铜0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0.30

性WC/铅黄铜0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.30

中WC/不锈钢0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.31 0.33 0.34 WC/镍白铜0.26 0.27 0.28 0.29 0.30 0.32 0.34 性WC/铅黄铜0.27 0.28 0.29 0.30 0.31 0.33

水WC/不锈钢0.27 0.28 0.30 0.31 0.32 0.33 0.34 WC/镍白铜0.28 0.30 0.31 0.32 0.33 0.34

性WC/铅黄铜0.30 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35

表3 动摩擦系数表

中油油性中性水性WC/不锈钢0.10 0.12 0.15 0.17

WC/镍白铜0.12 0.15 0.17 0.18

WC/铅黄铜0.15 0.17 0.18 0.20

以直径为0.7的碳化钨球珠与镍白铜球座体的笔头，灌注油性油墨的笔芯为例，在0.9 8N书写压力的情况下，计算其最大滑动摩擦力F1：

Supposing that the ball is made of WC with a diameter of 0.7 mm, the ball s ocket is made of Nickel brass, and oil-based ink with high viscosity is used as writing medium. When 0.98 N force is applied on the ball-point pen tip by a hu man hand, the largest resistance between the ball and bottom of ball socket F1, namely the static friction：

F1 = F j = 0.27 × 0.98 = 0.2646(N)

球珠滚动时滑动摩擦中的动摩擦力为

while F1', the resistance between the the ball and bottom of ball socket du ring relative motion of the two, namely the sliding friction:

F1/ = F d = 0.15 × 0.98 = 0.147(N)

以直径为0.6的碳化钨球珠与镍白铜球座体的笔头，灌注中油油墨的笔芯为例，在0.9 8N书写压力的情况下，计算其最大滑动摩擦力F1：

Supposing that the ball is made of WC with a diameter of 0.6 mm, the ball s ocket is made of Nickel brass, and oil-based ink with medium viscosity is used as writing medium. When 0.98 N force is applied on the ball tip by a human hand,

the largest resistance between the ball and bottom of ball socket F1, namely t he static friction：

F1 = F j = 0.23 × 0.98 = 0.2254(N)

球珠滚动时滑动摩擦中的动摩擦力为

while F1', the resistance between the the ball and bottom of ball socket du ring relative motion of the two, namely the sliding friction:

F1/ = F d = 0.12 × 0.98 = 0.1176(N)

以直径为0.5的碳化钨球珠与不锈钢球座体的笔头，灌注水性墨水的笔芯为例，在0.9 8N书写压力的情况下，计算其最大滑动摩擦力F1：

Supposing that the ball is made of WC with a diameter of 0.5 mm, the ball s ocket is made of stainless steel, and water-based ink is used as writing medium. When 0.98 N force is applied on the ball-point pen tip by a human hand, the la rgest resistance between the ball and bottom of ball socket F1, namely the stat ic friction：

F1 = F j = 0.33 × 0.98 = 0.3234(N)

球珠滚动时滑动摩擦中的动摩擦力为

while F1', the resistance between the the ball and bottom of ball socket du ring relative motion of the two, namely the sliding friction:

F1/ = F d = 0.23 × 0.98 = 0.2254(N)

需要指出的是尽管书写手感与试验所得到的摩擦系数在总体是有关联关系的，即摩擦系数小的应该书写手感会比较好，但是，它们之间的关联并不完全成线性的比例关系，也就是说摩擦系数小并不意味着书写手感一定好，反之亦然；因为，书写手感与出墨量大小关系很大，如果出墨量较大的话，不需要较大的书写压力就能流畅地书写，会感觉手感很好，相反如果出墨量小，书写有些干涩，就会感觉手感很差，其实两者的摩擦系数可能相差无几，至少没有那么多的差距。

3．球珠表面与球座底部面的磨损

圆珠笔在书写过程中其球珠在球座内高速转动，几乎相当于微型轴承的运转。以最小的微型轴承681为例，最高转速2000rpm，最大动负荷96N。经过计算其钢珠的转速约为66.68转/秒，单位面积受力约为94.3 N/mm2。

圆珠笔笔头以Φ0.5球珠为例，最大书写压力为150克，书写速度为4.5 m/分，经过计算球珠的转速约为47.77转/秒，球座底部支承球珠的单位面积受力约为30.2 N/mm2。

笔头的球珠转速为微型轴承的钢珠转速的71.64%，球座底部支承球珠的单位面积受力为微型轴承的32.03%。

由于碳化钨球珠的表面硬度非常硬，达到HV1600以上。而球座体如果采用易切削不锈钢，表面硬度为HV300左右；采用镍白铜则表面硬度为HV220左右；采用铅黄铜则表面硬度为HV150左右。球珠的表面硬度与球座底部的表面硬度相差很大，并且两者的表面粗糙度又差异很大，因此，在一定的压力和时间的相互滑动过程中，球珠的光滑硬表面会不断挤压球座底部表面的粗糙凸峰，使之变形、剪切，甚至断裂（如图13所示），这就是球座底部表面的磨损。

通常情况下，一支采用不锈钢笔头Φ0.5球珠的中性笔芯，在标准的书写仪上以0.98N 书写压力、4.5m/min书写速度连续划线400米左右，球座底部支承球珠的部分会磨损约0.002-0.03mm左右，而球珠的磨损基本可以忽略不计。

就像所有机械磨损一样，圆珠笔笔头的球珠与支承其的球座底部之间的磨损，同样会有一个磨合期、稳定期到失效期的过程。磨合期的磨损量相对会稍大些，这是因为加工后的表面粗糙度以及球珠与支承其的球座底部之间的吻合程度尚未达到最佳状态，两者的实际接触面积最小，而磨合期应该尽可能短，一般在书写的前50米之内（如图14所示）；当接触凸

图13 粗糙峰的变形与断裂

104

106

108

110

112

114

116

12345678910出墨量mg

×10m

图14 磨合期出墨量曲线图

峰经过塑性变形被调整到一个稳定状态，就进入了磨损的稳定期，此时的单位长度的磨损量

是比较小的；进入磨损的失效期，磨损量又会进一步上升，通常情况下多数的圆珠笔笔头并

不存在磨损的失效期，因为多数圆珠笔在油墨或墨水写完后其笔头还基本处于正常状态，而

少数出现磨损的失效期的笔头是因为书写长度过长，球座体内部结构尺寸设计不合理，或者

加工精度差，或者球座体与球珠以及墨水匹配不好，使得书写的中后期出墨量偏小等等原因

所造成。

四、 球珠与书写面的滚动摩擦

假如一物体在另一物体表面作无滑动的滚动时，由于两物体在接触部分受压发生形变而

产生的对滚动的阻碍作用，叫“滚动摩擦”。滚动摩擦实际上是一种阻碍滚动的力矩。

摩擦学原理认为，滚动摩擦阻力主要由以下几种因素组成。

1． 微观滑动

其实所谓的无滑动的纯滚动是一种理想状态，而实际情况下在有外力驱动的滚动

中，很容易产生微观滑动以至明显的滑动，特别是微观滑动是滚动过程中普遍存在的

现象，并且微观滑动所产生的摩擦阻力占滚动摩擦的较大部分，它的机理与滑动摩擦相

同[5]

。圆珠笔在书写时会给予一定的书写压力和驱动力，如果在连续划线中出现虚线或断

线的现象，有可能是球珠与书写面接触滚动中出现了断断续续的滑动现象。

当然，书写时出现断线现象的其他原因还有不少，例如，供墨不足（墨水跟不上），

书写面被油脂等污染，除了因为球珠与书写面的摩擦力大为下降而产生滑动外，有可

能即使球珠还在滚动，但是因为书写介质对书写面的润湿性不一定大于对球珠的润湿性

时，粘附在球珠上的书写介质就不容易在粘附到书写面上。

2．塑性变形

金属物体滚动接触时，若接触压力超过一定数值，将首先在表面层下的一定深度上产生材料的塑性变形。塑性变形消耗的能量构成了滚动摩擦损失。在反复循环的滚动摩擦接触时，由于硬化等因素，会产生相当复杂的塑性变形过程。但是，对于球珠与书写面的滚动接触，其塑性变形可以忽略不计。

3．弹性滞后

我们知道物体接触时的弹性变形要消耗能量，脱离接触时要释放出弹性变形能。但由于弹性滞后和松弛效应的缘故，释放的能量比吸收的能量要小，两者之差就是滚动摩擦损失。粘弹性材料的弹性滞后大，摩擦损失也比金属大。纸张不是粘弹性材料，也不是金属材料，因此可能介于这两者之间。

4．粘着效应

与滑动粘着不同，在滚动接触条件下表面粘着力作用在滚动物体之间的界面法向，不发生粘着点剪切等现象，粘着力主要属于范德华力类型，象强金属键这类短程力只作用在微观滑移区内的微观触点上。如果形成了粘着结合，在滚动接触区的后缘粘着结合受拉伸而分离，而不像滑动接触时那样受剪切而分离。因此，滚动摩擦的粘着分量只占摩擦阻力的一小部分。而对于球珠与书写面的滚动接触，其粘着效应统一可以忽略不计。

如图15所示的圆珠笔笔头与书写面的受力分析，书写压力即法向载荷力W 通过笔头的球座底部作用于球珠上，球珠对球座底部有一个反作用力N，同时，书写压力通过球珠传递到书写面，即对书写面有一个法向载荷力W/，而书写面对球珠也有一个反作用力N/。如果书写面是刚性的（即没有凹陷和变形），那么要使球珠能够转动的条件之一是球珠与书写面之间的滑动摩擦系数大于球珠与球座底部之间的滑动摩擦系数，即F1/＞F1。

但是，要达到正常书写的目的，关键的还要有一个水平的力F作用的笔身上，使

图15 圆珠笔笔头与书写面的受力示意图

之与书写面发生相对运动，从而使球珠滚动，那么此时在球珠与球座底部之间会产生一个与球珠转动方向相反的滑动摩擦力F1，同样，相应的在球珠与书写面之间也会产生一个与球珠转动方向相反的滑动摩擦力F1/，而这个力具体作用在哪个点上似乎不太明确，那么是否可以设想让笔只受到书写压力而静止不动，由书写面受到一个水平拉力F/ 而与笔发生相对运动，并且F/=F但方向相反，那么F/ 的作用点就在球珠与书写面接触点的切线方向。

圆珠笔的球珠通常采用碳化钨材料，硬度很高是刚性体，而书写面以通常使用的70克书写纸为例，是一种较软的弹性体，其厚度约为0.1mm，在压力作用下球珠会在纸面上压出一个凹坑，球珠直径大的压入深度小，球珠直径小的压入深度大，以球珠直径为0.5mm为例，书写压力为0.98N时，球珠会压入书写纸表面深度约0.05mm（如图16所示）。

当球珠因书写压力使纸张表面发生凹陷的同时，纸张有一个水平的拉力而会使纸张表面与球珠接触点的另一侧（与水平拉力反方向）产生变形和隆起，这使得书写面对球珠的反作用力N/ 的作用点从最低点C向隆起一侧移至C/，其移动的距离e相当于反作用力对于滚动物体质心的力臂，它具有长度的量纲，这就是滚动摩擦系数k，它跟滚动物体和支承面的材料、性质、硬度、表面状态及物体半径等有关。

圆珠笔的结构与说明

【名称】或称“原子笔”【功能】是近数十年来风行世界的一种书写工具。【原理与结构】圆珠笔的书写原理,主要是利用球珠在书写时与纸面直接接触产生摩擦力,使圆珠在球座内滚动,带出笔芯内的油墨或墨水,以达到书写的目的。圆珠笔是用油墨配不同的颜料书写的一种笔。笔尖是个小钢珠，把小钢珠嵌人一个小圆柱体型铜制的碗内，后连接装有油墨的塑料管，油墨随钢珠转动由四周流下。圆珠笔油墨的色素是染料。油墨颜色主要有蓝、红、黑三种，其中尤以蓝色油墨使用最多。过去蓝色油墨中的色素成分是盐基品蓝和盐基青莲，溶剂是氧化蓖麻油、蓖麻油酸。由于盐基性染料不耐光（耐光度只有1级-2级），不耐热，不耐酸碱，所以耐久性差，现已被淘汰。目前市场上销售的“424”蓝色圆珠笔和“322”黑色圆珠笔，用它书写的字迹耐久性较好。香味圆珠笔有毒的报道屡见不鲜，劣质香味文具所含的挥发性有机化合物具有毒性,对人体有一定损害；但我们却还没有听到过因正常使用没有掺加挥发性有机化合物的油

性圆珠笔而中毒的事件【分类】圆珠笔品种繁多、式样各异,就质量而言又有高、中、低等不同档次,但从类别上说,基本上可分为油性圆珠笔和水性圆珠笔两种。 ⑴油性圆珠笔俗称圆珠笔。所使用的笔头球珠多采用不锈钢或硬质合金材料制成。球珠直径的大小,决定了字迹线条的粗细。常见的球珠直径有1毫米、0.7毫米、0.5毫米三种(产品的笔身或圆珠笔芯上往往会注明)。圆珠笔的油墨是特制的,主要以色料、溶剂和调黏剂混合而成。常见的颜色有蓝、黑、红三色。普通油墨多用来作一般书写，特种油墨多用来作档案书写。作档案书写用的油墨，在笔芯上一般注有记号，如国产笔芯就注有DA的字样。油性圆珠笔是圆珠笔系列产品的第一代产品品种，从批量投放市场，至今已有60多年了。经过长期的改进完善，油性圆珠笔生产工艺成熟，产品性能稳定，保存期长，书写性能稳定，现已成为圆珠笔类产品中的传统产品品种，油性圆珠笔所用的油墨粘度高，所以书写手感相对重一些。⑵水性圆珠笔又称

有机反应和反应机理

有机反应和反应机理(一） 有机反应：在一定的条件下，有机化合物分子中的成键电子发生重新分布，原有的键断裂，新的键形成，从而使原分子中原子间的组合发生了变化，新的分子产生。这种变化过程称为有机反应（organic reaction）。 一级反应：在动力学上，将反应速率只取决于一种化合物浓度的反应称为一级反应。 二级反应：在动力学上，将反应速率取决于两种化合物浓度的反应称为二级反应。 按化学键的断裂和生成分类 协同反应：在反应过程中，旧键的断裂和新键的形成都相互协调地在同一步骤中完成的反应称为协同反应。协同反应往往有一个环状过渡态。它是一种基元反应。 自由基型反应：由于分子经过均裂产生自由基而引发的反应称为自由基型反应。自由基型反应分链引发、链转移和链终止三个阶段：链引发阶段是产生自由基的阶段。由于键的均裂需要能量，所以链引发阶段需要加热或光照。链转移阶段是由一个自由基转变成另一个自由基的阶段，犹如接力赛一样，自由基不断地传递下去，像一环接一环的链，所以称之为链反应。链终止阶段是消失自由基的阶段，自由基两两结合成键，所有的自由基都消失了，自由基反应也就终止了。 离子型反应：由分子经过异裂生成离子而引发的反应称为离子型反应。离子型反应有亲核反应和亲电反应，由亲核试剂进攻而发生的反应称为亲核反应，亲核试剂是对原子核有显著亲和力而起反应的试剂。由亲电试剂进攻而发生的反应称为亲电反应。亲电试剂是对电子有显著亲合力而起反应的试剂。 按反应物和产物的结构关系分类 加成反应：两个或多个分子相互作用，生成一个加成产物的反应称为加成反应。 取代反应：有机化合物分子中的某个原子或基团被其它原子或基团所置换的反应称为取代反应。 重排反应：当化学键的断裂和形成发生在同一分子中时，会引起组成分子的原子的配置方式发生改变，从而形成组成相同，结构不同的新分子，这种反应称为重排反应。 消除反应：在一个有机分子中消去两个原子或基团的反应称为消除反应。可以根据两个消去基团的相对位置将其分类。若两个消去基团连在同一个碳原子上，称为1,1-消除或α-消除；两个消去基团连在两个相邻的碳原子上，则称为1,2-消除或β-消除；两个消去基团连在1,3位碳原子上，则称为1,3-消除或γ-消除。其余类推。

圆珠笔芯为什么能伸缩教学设计

《圆珠笔芯为什么能伸缩》教学设计 利川市建南镇黄金小学唐浩 一、[教学设计理念]： 小学科学课新课程标准指出：小学科学课程是以培养科学素养为宗旨的科学启蒙课程，学生能通过观察、实验、制作等活动进行探究。因此教师必须精心设计教学活动，充分发挥实验在小学科学课教学中的功能和作用，让学生积极主动参与到实验活动中去，亲自感知实验所产生的各种现象和变化，通过认真观察、认真实验，培养学生的探究能力。 二、[教学对象分析]： 圆珠笔对四年级学生来说是非常熟悉的，是学习必不可少的工具。但平时学生很少用心去观察、研究它们，问个为什么。本课以学生自主探究为主，引导学生自主猜想、设计实验、得出结论、拓展探究，充分体现学生主体地位，营造我要学、我爱学的课堂氛围。 三、[教学内容分析]： 本课是针对学生常用的笔芯提出的研究问题，从而引发对弹簧的研究，并延伸与弹簧有类似特点的其他物体的弹性研究。本课重点研究圆珠笔芯为什么能方便地伸缩，以此引发出圆珠笔中蕴含的科学知识——弹力与弹性。教材力图通过观察、提问、猜想、实验等一系列环节，使学生以小组合作学习的方式，在观察和实验的基础上获得相关的直接经验。 四、[教学目标]： 1、认知目标：能发现使圆珠笔芯伸缩的原因是有弹簧，通过实验能发现弹簧的特性；能举例说出与弹簧有类似特点的物体，会做物体弹性实验，并能感受到弹力的存在。 2、能力目标：能根据实验现象说出什么是弹力和弹性，并能举例说出弹性在生产生活中的应用。 3、情感目标：乐于与同学合作、交流，善于观察身边的事物，敢于提问，意识到科学技术给我们生产、生活带来的好处。 五、[教学策略]： 本课按照“根据现象提出探究问题——观察找出初步原因——实验探究原因——拓展探究——得出结论——应用”的过程安排教学活动。整节课要充分体现以学生为主体，教师为主导的原则，激发学生积极主动地参与课堂。 ［教学媒体］：教学课件、能伸缩的圆珠笔、弹簧、橡皮筋、气球、钢尺或塑料尺。

有机化学反应机理+范例+原理

1.A rndt-Eister 反应 酰氯与重氮甲烷反应，然后在氧化银催化下与水共热得到酸。 反应机理 重氮甲烷与酰氯反应首先形成重氮酮（1），（1）在氧化银催化下与水共热，得到酰基卡宾（2），（2）发生重排得烯酮（3），（3）与水反应生成酸，若与醇或氨（胺）反应，则得酯或酰胺。 反应实例

2.Baeyer----Villiger 反应 反应机理 过酸先与羰基进行亲核加成，然后酮羰基上的一个烃基带着一对电子迁移到-O-O-基团中与羰基碳原子直接相连的氧原子上，同时发生O-O键异裂。因此，这是一个重排反应 具有光学活性的3---苯基丁酮和过酸反应，重排产物手性碳原子的枸型保持不变，说明反应属于分子内重排： 不对称的酮氧化时，在重排步骤中，两个基团均可迁移，但是还是有一定的选择性，按迁移能力其顺序为： 醛氧化的机理与此相似，但迁移的是氢负离子，得到羧酸。 反应实例

酮类化合物用过酸如过氧乙酸、过氧苯甲酸、间氯过氧苯甲酸或三氟过氧乙酸等氧化，可在羰基旁边插入一个氧原子生成相应的酯，其中三氟过氧乙酸是最好的氧化剂。这类氧化剂的特点是反应速率快，反应温度一般在10~40℃之间，产率高。 3.Beckmann 重排 肟在酸如硫酸、多聚磷酸以及能产生强酸的五氯化磷、三氯化磷、苯磺酰氯、亚硫酰氯等作用下发生重排，生成相应的取代酰胺，如环己酮肟在硫酸作用下重排生成己内酰胺：

反应机理 在酸作用下，肟首先发生质子化，然后脱去一分子水，同时与羟基处于反位的基团迁移到缺电子的氮原子上，所形成的碳正离子与水反应得到酰胺。 迁移基团如果是手性碳原子，则在迁移前后其构型不变，例如： 反应实例

有机反应和反应机理

十、反应和反应机理 有机反应：在一定的条件下，有机化合物分子中的成键电子发生重新分布，原有的键断裂，新的键形成，从而使原分子中原子间的组合发生了变化，新的分子产生。这种变化过程称为有机反应（organic reaction）。 一级反应：在动力学上，将反应速率只取决于一种化合物浓度的反应称为一级反应。 二级反应：在动力学上，将反应速率取决于两种化合物浓度的反应称为二级反应。 按化学键的断裂和生成分类 协同反应：在反应过程中，旧键的断裂和新键的形成都相互协调地在同一步骤中完成的反应称为协同反应。协同反应往往有一个环状过渡态。它是一种基元反应。 自由基型反应：由于分子经过均裂产生自由基而引发的反应称为自由基型反应。自由基型反应分链引发、链转移和链终止三个阶段：链引发阶段是产生自由基的阶段。由于键的均裂需要能量，所以链引发阶段需要加热或光照。链转移阶段是由一个自由基转变成另一个自由基的阶段，犹如接力赛一样，自由基不断地传递下去，像一环接一环的链，所以称之为链反应。链终止阶段是消失自由基的阶段，自由基两两结合成键，所有的自由基都消失了，自由基反应也就终止了。 离子型反应：由分子经过异裂生成离子而引发的反应称为离子型反应。离子型反应有亲核反应和亲电反应，由亲核试剂进攻而发生的反应称为亲核反应，亲核试剂是对原子核有显著亲和力而起反应的试剂。由亲电试剂进攻而发生的反应称为亲电反应。亲电试剂是对电子有显著亲合力而起反应的试剂。 按反应物和产物的结构关系分类 加成反应：两个或多个分子相互作用，生成一个加成产物的反应称为加成反应。 取代反应：有机化合物分子中的某个原子或基团被其它原子或基团所置换的反应称为取代反应。 重排反应：当化学键的断裂和形成发生在同一分子中时，会引起组成分子的原子的配置方式发生改变，从而形成组成相同，结构不同的新分子，这种反应称为重排反应。 消除反应：在一个有机分子中消去两个原子或基团的反应称为消除反应。可以根据两个消去基团的相对位置将其分类。若两个消去基团连在同一个碳原子上，称为1,1-消除或α-消除；两个消去基团连在两个相邻的碳原子上，则称为1,2-消除或β-消除；两个消去基团连在1,3位碳原子上，则称为1,3-消除或γ-消除。其余类推。 氧化还原反应：有机化学中的氧化和还原是指有机化合物分子中碳原子和其它原子的氧化和还原，可根据氧化数的变化来确定。氧化数升高为氧化，氧化数降低为还原。氧化和还原总是同时发生的，由于有机反应的属性是根据底物的变化来确定的，因此常常将有机分子中碳原子氧化数升高的反应为氧化反应，碳原子氧化数降低的反应为还原反应。有机反应中，多数氧化反应表现为分子中氧的增加或氢的减少，多数还原反应表现为分子中氧的减少或氢的增加。

有机化学中用来研究反应机理的方法

有机反应机制的研究方法 有机化学中用来解释反应机理的传统方法主要集中在Kinetics 和Dynamics两方面，即理解势能面、深入研究分子运动和碰撞、测定活化参数、测定速率常数、确定某个反应机理中一系列化学步骤的顺序、确定反应限速步骤和决速步骤。 研究机理的关键目的是反应机理知识可以对如何在原子或分子水平上操纵物质给出最快速的洞察，而不是依靠运气来获得偶然性的变化从而获得想要的结果。由于动力学在辨别机理方面起着关键作用，所以动力学是整个有机反应机理研究领域中最重要的分支之一。 传统的反应机理研究方法除了动力学分析之外，还有同位素效应、结构-功能分析等。这些都是研究有机反应机理的标准实验工具，然后实验化学家可以根据其想象力和化学创造性，设计出一些完全不同于之前出现过的研究方法。因此，本文总结了一些最为常见的方法。首先分析最简单的实验，例如产物和中间体的鉴定。但也会分析一些更为微妙、精细的实验，如交叉和同位素置乱（cross-over and isotope scrambling）实验。 1.改变反应物结构以转变或捕获预想的中间体 有时可以通过合成一种类似于所研究的反应物的新反应物来破译中间体的性质，但是这需要所预测的中间体能以一种可预想的方式进行反应。没有标准的方式来处理这一类实验，所以实验者必须根据具体实验情况来设计实验。下面以酶反应作为此方法的应用实例。 Lin[1]等人设计了一种转变中间体的方法。扁桃酸消旋化酶可使扁

桃酸根离子的对映体（2-羟基苯甲酸）互换。位于羧酸跟α位的碳负离子被认为是中间体。为了测试此中间体是否存在，作者合成设计了扁桃酸跟离子的类似物i，并用酶对其进行了外消旋化。其过程是首先形成碳负离子，然后经过溴化物的1,6-消除，最后经过互变异构化，分离得到产物ii。此结果支持了在扁桃酸根离子路径中碳负离子中间体iii的存在。 2.捕获实验和竞争实验 鉴定中间体的一种常见方法是通过加入额外的试剂来捕获中间体。目前存在着几种自由基不伙计，许多好的亲核试剂是半衰期很短的亲电试剂（如碳正离子）的可行的捕获剂。必须以自己的化学知识来设计捕获中间体（如碳正离子、卡宾等）的捕获剂。但是活泼中间体的半衰期很短，所以捕获剂必须是具有很高的活性，并能与活泼中间体的标准反应路径进行竞争。同样，因为捕获反应是典型的双分子反应，所以要求捕获剂具有高的浓度。另外，还可以将捕获剂与反应物共价结合，以便更容易地捕获活泼中间体。 与捕获反应所不同的另一种反应是竞争反应。在一般的动力学实

有机反应机理介绍

有机反应：在一定的条件下，有机化合物分子中的成键电子发生重新分布，原有的键断裂，新的键形成，从而使原分子中原子间的组合发生了变化，新的分子产生。这种变化过程称为有机反应（organic reaction）。一级反应：在动力学上，将反应速率只取决于一种化合物浓度的反应称为一级反应。 二级反应：在动力学上，将反应速率取决于两种化合物浓度的反应称为二级反应。 按化学键的断裂和生成分类 协同反应：在反应过程中，旧键的断裂和新键的形成都相互协调地在同一步骤中完成的反应称为协同反应。协同反应往往有一个环状过渡态。它是一种基元反应。 自由基型反应：由于分子经过均裂产生自由基而引发的反应称为自由基型反应。自由基型反应分链引发、链转移和链终止三个阶段：链引发阶段是产生自由基的阶段。由于键的均裂需要能量，所以链引发阶段需要加热或光照。链转移阶段是由一个自由基转变成另一个自由基的阶段，犹如接力赛一样，自由基不断地传递下去，像一环接一环的链，所以称之为链反应。链终止阶段是消失自由基的阶段，自由基两两结合成键，所有的自由基都消失了，自由基反应也就终止了。 离子型反应：由分子经过异裂生成离子而引发的反应称为离子型反应。离子型反应有亲核反应和亲电反应，由亲核试剂进攻而发生的反应称为亲核反应，亲核试剂是对原子核有显著亲和力而起反应的试剂。由亲电试剂进攻而发生的反应称为亲电反应。亲电试剂是对电子有显著亲合力

而起反应的试剂。 按反应物和产物的结构关系分类 加成反应：两个或多个分子相互作用，生成一个加成产物的反应称为加成反应。 取代反应：有机化合物分子中的某个原子或基团被其它原子或基团所置换的反应称为取代反应。 重排反应：当化学键的断裂和形成发生在同一分子中时，会引起组成分子的原子的配置方式发生改变，从而形成组成相同，结构不同的新分子，这种反应称为重排反应。 消除反应： 在一个有机分子中消去两个原子或基团的反应称为消除反应。可以根据两个消去基团的相对位置将其分类。若两个消去基团连在同一个碳原子上，称为1,1-消除或α-消除；两个消去基团连在两个相邻的碳原子上，则称为1,2-消除或β-消除；两个消去基团连在1,3位碳原子上，则称为1,3-消除或γ-消除。其余类推。 氧化还原反应：有机化学中的氧化和还原是指有机化合物分子中碳原子和其它原子的氧化和还原，可根据氧化数的变化来确定。氧化数升高为氧化，氧化数降低为还原。氧化和还原总是同时发生的，由于有机反应的属性是根据底物的变化来确定的，因此常常将有机分子中碳原子氧化数升高的反应为氧化反应，碳原子氧化数降低的反应为还原反应。有机反应中，多数氧化反应表现为分子中氧的增加或氢的减少，多数还原反应表现为分子中氧的减少或氢的增加。

圆珠笔的书写原理

圆珠笔的书写原理,主要是利用球珠在书写时与纸面直接接触 产生摩擦力,使圆珠在球座内滚动,带出笔芯内的油墨或墨水,以达到书写的目的。圆珠笔是用油墨配不同的颜料书写的一种笔。笔尖是个小钢珠，把小钢珠嵌人一个小圆柱体型铜制的碗内，后连接装有油墨的塑料管，油墨随钢珠转动由四周流下。圆珠笔油墨的色素是染料。油墨颜色主要有蓝、红、黑三种，其中尤以蓝色油墨使用最多。过去蓝色油墨中的色素成分是盐基品蓝和盐基青莲，溶剂是氧化蓖麻油、蓖麻油酸。由于盐基性染料不耐光（耐光度只有1级-2级），不耐热，不耐酸碱，所以耐久性差，现已被淘汰。目前市场上销售的“424”蓝色圆珠笔和“322”黑色圆珠笔，用它书写的字迹耐久性较好。香味圆珠笔有毒的报道屡见不鲜，劣质香味文具所含的挥发性有机化合物具有毒性,对人体有一定损害；但我们却还没有听到过因正常使用没有掺加挥发性有机化合物的油性圆珠笔而中毒的 事件【分类】圆珠笔品种繁多、式样各异,就质量而言又有高、中、低等不同档次,但从类别上说,基本上可分为油性圆珠笔和水性圆珠笔两种。⑴油性圆珠笔俗称圆珠笔。所使用的笔头球珠多采用不锈钢或硬质合金材料制成。球珠直径的大小,决定了字迹线条的粗细。常见的球珠直径有1毫米、0.7毫米、0.5毫米三种(产品的笔身或圆珠笔芯上往往会注明)。圆珠笔的油墨是特制的,主要以色料、溶剂和调黏剂混合而成。常见的颜色有蓝、黑、红三色。普通油墨多用来作一般书写，特种油墨多用来作档案书写。作档案书写用的油墨，在笔芯上一般注有记

号，如国产笔芯就注有da的字样。油性圆珠笔是圆珠笔系列产品的第一代产品品种，从批量投放市场，至今已有60多年了。经过长期的改进完善，油性圆珠笔生产工艺成熟，产品性能稳定，保存期长，书写性能稳定，现已成为圆珠笔类产品中的传统产品品种，油性圆珠笔所用的油墨粘度高，所以书写手感相对重一些。⑵水性圆珠笔又称宝珠笔或走珠笔。宝珠笔的笔杆、笔套用塑料注塑成型的叫全塑宝珠笔；笔套用不锈钢材冲压磨制成的叫半钢宝珠笔；笔杆、笔套全用不锈钢制造的叫全钢宝珠笔。全塑型的基本上都是一次性使用,即墨水用完就报废了；半钢型和全钢型的多采用可更换笔芯式结构。宝珠笔的笔头分为炮弹式和针管形两种，分别采用铜合金、不锈钢或工程塑料制成。球珠则多采用不锈钢、硬质合金或氧化铝等材料制成，中字迹球珠直径为0.7毫米，细字迹球珠直径为0.5毫米。储水形式分纤维束储水和无纤维束储水两种。墨水的色泽有红、蓝、黑、绿等。宝珠笔兼有钢笔和油性圆珠笔的特点,书写润滑流畅、线条均匀，是一种较为理想的书写工具。除了以上分类外，常见的还有以油墨的颜色、笔的结构来分分类：1. 以油墨的颜色来分：⑴单色圆珠笔：这是最为普通的圆珠笔，常有蓝色、黑色、红色等。⑵双色圆珠笔：一般是红、蓝双色。⑶三色圆珠笔：是红、蓝和黑色。⑷四色圆珠笔：是红、蓝、黑和绿色。除此四种以外，还有六色、八色，甚至还有十二色的圆珠笔。2. 以结构来分：⑴一次性的圆珠笔，笔杆就是笔芯，既不能加油墨，也不能换笔芯，油墨用完，就

有机化学反应机理(整理版)

1.Arndt-Eister 反应 酰氯与重氮甲烷反应，然后在氧化银催化下与水共热得到酸。 重氮甲烷与酰氯反应首先形成重氮酮（1），（1）在氧化银催化下与水共热，得到酰基卡宾（2），（2）发生重排得烯酮（3），（3）与水反应生成酸，若与醇或氨（胺）反应，则得酯或酰胺。 2.Baeyer----Villiger 反应 过酸先与羰基进行亲核加成，然后酮羰基上的一个烃基带着一对电子迁移到-O-O-基团中与羰基碳原子直接相连的氧原子上，同时发生O-O键异裂。因此，这是一个重排反应

具有光学活性的3---苯基丁酮和过酸反应，重排产物手性碳原子的枸型保持不变，说明反 应属于分子重排： 不对称的酮氧化时，在重排步骤中，两个基团均可迁移，但是还是有一定的选择性，按迁移能力其顺序为： 醛氧化的机理与此相似，但迁移的是氢负离子，得到羧酸。 酮类化合物用过酸如过氧乙酸、过氧苯甲酸、间氯过氧苯甲酸或三氟过氧乙酸等氧化，可在 羰基旁边插入一个氧原子生成相应的酯，其中三氟过氧乙酸是最好的氧化剂。这类氧化剂的特点是反应速率快，反应温度一般在10~40℃之间，产率高。

3.Beckmann 重排 肟在酸如硫酸、多聚磷酸以及能产生强酸的五氯化磷、三氯化磷、苯磺酰氯、亚硫酰氯等作用下发生重排，生成相应的取代酰胺，如环己酮肟在硫酸作用下重排生成己酰胺： 在酸作用下，肟首先发生质子化，然后脱去一分子水，同时与羟基处于反位的基团迁移到缺电子的氮原子上，所形成的碳正离子与水反应得到酰胺。 迁移基团如果是手性碳原子，则在迁移前后其构型不变，例如：

例 4.Birch还原 芳香化合物用碱金属（钠、钾或锂）在液氨与醇（乙醇、异丙醇或仲丁醇）的混合液中还原， 苯环可被还原成非共轭的1，4-环己二烯化合物。 首先是钠和液氨作用生成溶剂化点子，然后苯得到一个电子生成自由基负离子（Ⅰ）， 这是苯环的л电子体系中有7个电子，加到苯环上那个电子处在苯环分子轨道的反键轨道上，自由基负离子仍是个环状共轭体系,(Ⅰ)表示的是部分共振式。（Ⅰ）不稳定而被质子化，随即从 乙醇中夺取一个质子生成环己二烯自由基(Ⅱ)。(Ⅱ)在取得一个溶剂化电子转变成环己二烯负离 子（Ⅲ），（Ⅲ）是一个强碱，迅速再从乙醇中夺取一个电子生成1，4-环己二烯。

详细有机化学常见反应机理

常见的有机反应机理 Arbuzov 反应 亚磷酸三烷基酯作为亲核试剂与卤代烷作用，生成烷基膦酸二烷基酯和一个新的卤代烷： 卤代烷反应时，其活性次序为：R'I >R'Br >R'Cl。除了卤代烷外，烯丙型或炔丙型卤化物、a-卤代醚、a- 或b-卤代酸酯、对甲苯磺酸酯等也可以进行反应。当亚酸三烷基酯中三个烷基各不相同时，总是先脱除含碳原子数最少的基团。 本反应是由醇制备卤代烷的很好方法，因为亚磷酸三烷基酯可以由醇与三氯化磷反应制得： 如果反应所用的卤代烷 R'X 的烷基和亚磷酸三烷基酯 (RO)3P 的烷基相同（即 R' = R），则 Arbuzov 反应如下： 这是制备烷基膦酸酯的常用方法。 除了亚磷酸三烷基酯外，亚膦酸酯 RP(OR')2和次亚膦酸酯 R2POR' 也能发生该类反应，例如： 反应机理 一般认为是按 S N2 进行的分子内重排反应： 反应实例

Arndt-Eister 反应 酰氯与重氮甲烷反应，然后在氧化银催化下与水共热得到酸。 反应机理 重氮甲烷与酰氯反应首先形成重氮酮（1），（1）在氧化银催化下与水共热，得到酰基卡宾（2），（2）发生重排得烯酮（3），（3）与水反应生成酸，若与醇或氨（胺）反应，则得酯或酰胺。 反应实例 Baeyer----Villiger 反应 反应机理 过酸先与羰基进行亲核加成，然后酮羰基上的一个烃基带着一对电子迁移到-O-O-基团中与羰基碳原子直接相连的氧原子上，同时发生O-O键异裂。因此，这是一个重排反应 具有光学活性的3---苯基丁酮和过酸反应，重排产物手性碳原子的枸型保持不变，说明反应属于分子内重排：

不对称的酮氧化时，在重排步骤中，两个基团均可迁移，但是还是有一定的选择性，按迁移能力其顺序为： 醛氧化的机理与此相似，但迁移的是氢负离子，得到羧酸。 反应实例 酮类化合物用过酸如过氧乙酸、过氧苯甲酸、间氯过氧苯甲酸或三氟过氧乙酸等氧化，可在羰基旁边插入一个氧原子生成相应的酯，其中三氟过氧乙酸是最好的氧化剂。这类氧化剂的特点是反应速率快，反应温度一般在 10~40℃之间，产率高。 Beckmann 重排 肟在酸如硫酸、多聚磷酸以及能产生强酸的五氯化磷、三氯化磷、苯磺酰氯、亚硫酰氯等作用下发生重排，生成相应的取代酰胺，如环己酮肟在硫酸作用下重排生成己内酰胺： 反应机理 在酸作用下，肟首先发生质子化，然后脱去一分子水，同时与羟基处于反位的基团迁移到缺电子的氮原子上，所形成的碳正离子与水反应得到酰胺。

圆珠笔芯伸缩机构的力学分析实例

圆珠笔芯伸缩圆珠笔芯伸缩机构的力学分析机构的力学分析机构的力学分析 郑仕文 学号：043553 专业：土木工程 班级：土木（5）班 任课教师：韦林 摘要摘要：：本文研究普通自动圆珠笔伸缩笔芯机构的构造原理与蕴含的力学知识。 关键词关键词：：转轮；斜面；滑动摩擦；反自锁。 圆珠笔是学生们再熟悉不过的学习工具，在圆珠笔中占了相当一部分的自动圆珠笔给经常用笔的人们提供了方便。使用时只要轻轻一按笔帽的按钮，笔芯就随着一声脆音而外伸；用完后也只需再度轻按笔帽，笔芯重新缩回，既可使外露的笔芯不受到损伤又能防止笔芯把周围物品划脏。如此简单易用的小小机构却蕴含了力学原理，本文就是要详细阐述一下这一机构的工作原理。 一、笔芯笔芯伸缩机构运行原理伸缩机构运行原理伸缩机构运行原理概述概述概述 该机构利用手指的推力做主动力，弹簧弹力作回复力，使笔杆中的两个转轮 A、B 外围斜齿在轴力的作用下发生相对滑动趋势，从而产生相对转动趋势（见图1）。随着两个转轮在手的作用下沿笔筒上的竖 直导轨向下位移直到转轮A 移出导轨时，转轮A 相对转轮B 与导 轨发生了实际转动，使其斜齿缺口嵌于导轨端部，将笔芯下顶了 一段距离，实现笔头的外伸。当圆珠笔用完后仍旧是如法炮制， 转轮A 转动一个角度后，笔筒上的导轨又能重新穿入其槽中，使得转轮A 上升一段位移，实现笔芯的缩进，保护笔头。 二、伸缩机构主要部件实现功能的原理和力学知识 使圆珠笔笔芯伸缩自如的秘诀就在于这三个重要部件：转轮A、转轮B 与笔筒上的竖直导轨。导轨束缚了转轮A、B 的转动，使之只能进行上下方向的移动。当转轮A 下移至脱离导轨时才能自由转动。而由于笔帽高度有限，在手指可控范围内转轮B 总无法下移足够距离以脱离导轨，所以B 只能上下平移，相当于一个滑块。 1、笔芯伸出笔芯伸出阶段阶段阶段 在使用过程中，不难察觉到当转轮A 下移到脱离导轨时，它总是 鬼使神差般地绕着一个方向转动（图1中向右方向），它为什么不会 反方向转，或是依旧保持只在竖向移动呢？经过研究，我发现这里存 在着一个自锁与反自锁的理论力学原理。 如果把转轮A 一周的斜齿绕竖轴展开，显然就是一个斜面A （见 图2）。而转轮B 即可看成放在斜面上的物块。当滑块B 上端受到压 力F 时，A、B 间的相互作用力如图3所示。 其中 cos AB N F θ= 斜面最大静摩擦力 max cos s s f f N f F θ== 当A、B 即将相对移动时，对于A，在t 方向上B A 缺 槽 图1 a b 图2 图3 ab

有机反应机理-SN1及SN2机理教程文件

有机反应机理-S N1及 S N2机理

有机反应机理 反应机理(又称反应历程)是研究反应的实际过程，哪个键先断裂、哪个键先形成、键断裂和形成的顺序、每步的相对速率、原子或基团在反应过程中的键合情况及空间位置变化等等。由于分子的振动和碰撞是在10-12~10-14 s内完成，目前还没有能直接观察在这样短的时间内分子和原于运动情况的手段或仪器，而只能根据反应中观察的现象推测反应可能经历的过程。因此，日前关于反应机理的描述都是根据实验的结果和观察到的现象进行间接推理或假设。 20世纪80年代末，ZewailA H研究成功了—种激光脉冲式的超高速闪光照相机，它的脉冲时间只有几十个飞秒(f s＝10-15s)，可以让人们通过超高速照相机拍摄的“慢动作”观察化学反应过程中原子与分子的化学键形成和断裂的转变形态，跟踪显示化学反应的全过程。为研究反应机理和预测化学反应提供了一种新方法，这一成果最先用于研究简单气态分子的化学反应，现在已推广到液态和固态的化学变化，并由此诞生了一门称之为“飞秒化学”的新学科，zewnil也因其卓越贡献荣获1999年诺贝尔化学奖。 此外，量子化学的不断发展和超高速大容量计算机的飞速换代也为计算化学反应的全过程提供了可能。虽然目前用计算机计算和描述化学反应的全过程还比较遥远，但已有了成功的苗头。 1、有机反应分类 有机反应的数目和范围十分庞大，根据反应中键的断裂及形成方式可将有机反应分为：自由基反应、离子反应和分子反应。

有机反应也有按照原料和产物之间的关系进行分类，把几乎所有的有机反应分成六类，分别是取代反应、消去反应、加成反应、重排反应、氧化还原反应及几种反应类型的结合。 2、有机反应中试剂分类 在有机反应试剂中，除双自由基外绝大部分具有偶数电子的试剂属于离子试剂；另一部分具有奇数电子的试剂则称为自由基试剂。离子试剂又可进一步分为亲电试剂和亲核试剂。 亲电试剂：在反应过程中接受电子或共享电子(这个电子原属于另一个反应物分子)的试剂称为亲电试剂； 亲核试剂：在反应过程中供给电子进攻反应物中带部分正电荷原子的试剂称为亲核试剂。 常见的亲电试剂与亲核试剂如下： 注：S N1反应机理单分子亲核取代反应机理（1表示单分子；N(nucleophilic的字首）表示亲核的；S(substitution的字首）表示取代。）只有反应物（与亲核试剂浓度无关）参与了反应速率控制步骤的亲核取代反应。以叔丁基溴在碱性水溶液中的水解为例，叔丁基溴的水解速率只与叔丁基溴的浓度都成正比

20个重要有机反应机理

合成中常用的反应以及机理 Baeyer----Villiger 反应 反应机理 过酸先与羰基进行亲核加成，然后酮羰基上的一个烃基带着一对电子迁移到-O-O-基团中与羰基碳原子直接相连的氧原子上，同时发生O-O键异裂。因此，这是一个重排反应 具有光学活性的3---苯基丁酮和过酸反应，重排产物手性碳原子的枸型保持不变，说明反应属于分子内重排： 不对称的酮氧化时，在重排步骤中，两个基团均可迁移，但是还是有一定的选择性，按迁移能力其顺序为： 醛氧化的机理与此相似，但迁移的是氢负离子，得到羧酸。

反应实例 酮类化合物用过酸如过氧乙酸、过氧苯甲酸、间氯过氧苯甲酸或三氟过氧乙酸等氧化，可在羰基旁边插入一个氧原子生成相应的酯，其中三氟过氧乙酸是最好的氧化剂。这类氧化剂的特点是反应速率快，反应温度一般在10~40℃之间，产率高。

Beckmann 重排 肟在酸如硫酸、多聚磷酸以及能产生强酸的五氯化磷、三氯化磷、苯磺酰氯、亚硫酰氯等作用下发生重排，生成相应的取代酰胺，如环己酮肟在硫酸作用下重排生成己内酰胺： 反应机理 在酸作用下，肟首先发生质子化，然后脱去一分子水，同时与羟基处于反位的基团迁移到缺电子的氮原子上，所形成的碳正离子与水反应得到酰胺。 迁移基团如果是手性碳原子，则在迁移前后其构型不变，例如：

反应实例 Cannizzaro 反应 凡α位碳原子上无活泼氢的醛类和浓NaOH或KOH水或醇溶液作用时，不发生醇醛缩合或树脂化作用而起歧化反应生成与醛相当的酸(成盐)及醇的混合物。此反应的特征是醛自身同时发生氧化及还原作用，一分子被氧化成酸的盐，另一分子被还原成醇： 脂肪醛中，只有甲醛和与羰基相连的是一个叔碳原子的醛类，才会发生此反应，其他醛类与强碱液，作用发生醇醛缩合或进一步变成树脂状物质。 具有α-活泼氢原子的醛和甲醛首先发生羟醛缩合反应，得到无α-活泼氢原子的β-羟基醛，然后再与甲醛进行交叉Cannizzaro反应，如乙醛和甲醛反应得到季戊四醇：