力學在生活中的應用

祁敏

摘 要：隨著社會的發展進步，偉大的物理科學家們通過科學實驗和思維想象為力學建起了高樓大廈。高中物理僅是物理學中的冰山一角，為了讓同學們能很好地學習、運用高中物理知識，本文從慣性定理、杠桿原理、壓強、動量定理、薄殼原理等方面闡述了力學在生活、生產中的應用，以培養他們善于觀察、勤于思考、勇于創新的科學精神。

關鍵詞：力學;應用;生活

1 力學在生活中應用目的和意義

將我們高中的力學知識運用到生活實踐當中，不僅能深化學生對所學常識的理解，而且還會養成他們一種勤于思考的學習習慣，把力學學透、學活、學以致用。將力學知識應用到實際生活當中，小到改造發明大到科技創新，總是為人類提供著各種便捷與服務。

2 相應的定理概念

2.1 慣性定律

一切物體在沒有受到力的作用時，總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態。一切物體都有保持原來不變運動狀態的性質，這種性質叫做慣性。

2.2 壓強

壓力作用的效果不僅與壓力的大小有關，而且跟受力面積有關。物體所受壓力的大小與受力面積之比叫做壓強。在數值上等于物體單位面積所受的壓力。公式P=FS。

2.3 大氣壓強

大氣壓強是指地球表面的空氣由于受到重力作用產生了大氣壓強。一般來說，晴天比陰天高，冬天比夏天高。在氣體和液體中，流速越大的位置，壓強越小。

2.4 動量定理

物體所受合外力的沖量等于物體動量的變化。（表達式為Ft=mvt-mv0）

2.5 杠桿原理

要使杠桿平衡，作用在杠桿上的兩個力矩要相等。

即：動力×動力臂=阻力×阻力臂。F1l1=F2l2

3 力學在生活中的應用

3.1 慣性定理的應用

如何區分生熟雞蛋，當我們不注意將生熟雞蛋混在一起，這可怎么辦，怎樣才能將它們分開？那就需要動用我們學過的物理知識之一——慣性定律。我們將這兩種雞蛋混在一起放到桌子上轉動，轉的時候力要基本相當，轉得慢的沒轉幾圈就停下為生雞蛋;轉得較快可轉多圈的為熟雞蛋。用慣性定律如何來解釋呢？因為熟雞蛋的蛋清和蛋黃凝聚在一塊，旋轉雞蛋時，他們一起轉動且很快，能連續轉好幾圈。而生雞蛋的蛋清和蛋黃屬液體，它們之間的作用力較小，當旋轉蛋殼時，由于物體慣性的特性，這兩種物質要保持原來靜止的狀態，不但不能立即轉動，而且還要對旋轉的蛋殼起一定的阻礙作用，所以生雞蛋慢慢轉，一兩圈就停。

3.2 菜刀上的力學知識

“刀”這件生活品，即使自己不用，家里的媽媽爸爸也要用的，她們幾乎每天都用它來切、割、砍、削食物，怎樣讓刀在她們手中能夠得心應手，需掌握一定的力學知識，如力的分解、壓強。

3.2.1 從壓強的角度來分析

用一定壓力F切肉，若刃口越薄，與肉的接觸面就越小，由壓強公式：P=FS知。此時，產生的壓強就越大，越容易把肉菜切開。鋒利的刀切食材時不能用力過猛，這樣易損壞刀刃。

3.2.2 從力的分解角度來分析

（1）刀刃：刀刃可等效為頂角θ很小的三角形，當我們用菜刀切食材時，用F豎直向下作用于刀背，按照力的分解，F會產生兩個向外推劑食材且垂直刀面的作用力f1和f2。力的分解圖如圖1。

因刀刃的截面是等腰三角形，根據力的矢量法則可知，f1=f2=F2sinθ2，當θ越小，刀刃越鋒利，產生的f1和f2值越大，菜刀越容易切削食材。

3.3 有趣的大氣壓強

3.3.1 壺蓋為什么開孔

大家都注意茶壺的壺蓋上會有一個小孔，這個小孔有什么功效呢？我們在家里可以做一個實驗，將壺盛滿水，用手指把小孔按住，開始倒水時，水流得比較順暢，可后來水流得越來越慢，你松開手指，水流得又快了，這是因為用手指堵住小孔倒水時，壺內的空氣變稀薄，壓強減小，內外形成壓強差，阻礙了水的流出;當松開手指，內外氣壓相等，水在重力作用下自行流出。所以，大家別小瞧了這個神奇的小孔。

3.3.2 飛機的升力

要了解飛機起飛過程，先要知道流體力學中的一個知識點：流速與壓力成反比。即空氣流動得越快，空氣壓力就越小，反之同理。

幾十噸重的飛機為什么能夠在空中飛行？玄妙之處是機翼，機翼截面模型如圖2，其上表面彎曲，下表面較平。

機翼模仿鳥翅膀，飛機在高空飛翔時機翼上下表面氣流速度不同，下表面流速小，則下表面產生的力大于上表面，總體給機翼一個向上的托力。飛機主要動力源為航空發動機，為飛機在地面滑行達到起飛速度提供推力或拉力。當飛機在跑道上加速滑行達到起飛速度時，駕駛員向后拉操縱桿，飛機升降舵向上翹，產生仰頭力矩，在發動機推力及機翼的升力作用下帶動飛機飛上天空。

3.4 汽車安全氣囊

汽車給我們的生活帶來了很大的便捷，但交通事故卻是潛在威脅，在交通發生事故后，怎樣盡可能地降低人員傷亡，汽車設計師在車內安裝了安全氣囊，安全氣囊系統功能圖如圖3。

為了說明安全氣囊系統的保護過程，先了解兩個名詞，當汽車發生碰撞時，汽車和物體之間的碰撞稱為一次碰撞;一次碰撞的結果導致汽車速度急劇下降，由于慣性的作用，緊接司乘人員與方向盤、儀表板、擋風玻璃等之間發生的碰撞為二次碰撞。安全氣囊在發生一次與二次碰撞之間迅速彈出，使司乘人員撲在氣袋上，避免或緩減二次碰撞帶來的危害，由動量定理可知，Ft=mvt-mv0，當動量變化一定時，作用時間越長，產生的合外作用力將越小，從而達到保護司乘人員的目的。

3.5 薄殼原理的應用

把一個雞蛋放在手里，小小的蛋殼，我們用很大力氣可能也不能把它攥碎，這是為什么呢？

我們先用蛋殼做一個小實驗，拿半個雞蛋殼凸面向上距桌面約20cm讓其豎直落到桌上，第二次將蛋殼反過來，讓凸面向下做同樣的動作，兩次比較第二次蛋殼很容易摔碎，從本實驗可知，蛋殼的凸面比凹面能承受更大的沖擊力。

薄殼原理就是應用了蛋殼拱形結構，由于這種拱形面能夠均勻地分散其所承受的壓力，從而減輕了局部的受力。我們利用烏龜背甲、蛋殼制造了安全帽，建筑學家模仿它們完成建筑橋梁的設計，如城門洞、趙州橋、國家大劇院、悉尼歌劇院、索菲亞大教堂等著名的拱建筑。

3.6 杠桿原理在生活中的應用

簡單地說，杠桿就是一根在力的作用下能夠繞固定點進行轉動的硬棒。杠桿有五要素：支點、動力、動力臂、阻力、阻力臂。支點即繞杠桿轉動的點，一般用字母O表示;動力使杠桿轉動的力，一般用F1表示，動力臂為動力到支點的距離，一般用l1表示;阻力為阻礙杠桿轉動的力，一般用F2表示，阻力臂為阻力到支點的距離，一般用l2表示。

杠桿平衡原理：動力×動力臂=阻力×阻力臂。F1l1=F2l2

杠桿分為三類：省力杠桿、費力杠桿和等臂杠桿。在生活中要根據不同用途進行選擇，因為杠桿不可能做到兩者兼顧。按照杠桿平衡原理，要想省力則動力臂就得長（即動力才能小），要想少移動距離則阻力臂就得短（即費力）。不同的杠桿應用于不同的場合，常用的省力杠桿有推車、老虎鉗、瓶蓋起子、羊角錘等，費力杠桿有剪刀、釣魚竿、鑷子、筷子等，定滑輪是等臂杠桿既不省力也不費力，但可改變力的方向。

4 結語

力學在人們生活中應用不只是上述這些，而是貫穿于整個人類社會，如果沒有把力學知識運用到生產實踐中，那么人類可能永遠生活在社會的初級階段，沒有進步，沒有文明。正因為如此，人類在勞動中總結經驗，改造勞動工具，并發明創造，從原始的鉆木取火到發明機器，再到神舟十一號的發射、港珠澳大橋通車、“嫦娥四號”探測器成功著陸在月球背面、C919大型客機試飛成功，這些都多多少少應用了力學知識。只要人類持續研究力學在生活、科技等方面的應用，不久將來智能機器人等產品將廣泛應用于人類生活，造福于人類。

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