生活中的力學(xué)現(xiàn)象之探討

不管是我們的日常生活還是工作和生產(chǎn)中，力學(xué)的身影無處不在。本文介紹了力學(xué)的定義、分類和發(fā)展歷程，并從力學(xué)理論的視角分析了生活中的諸多力學(xué)現(xiàn)象，以此提升人們對力學(xué)的興趣與認(rèn)知。

力學(xué)簡介

力學(xué)的定義

力學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，是對有關(guān)力、運動和介質(zhì)等多方面的研究，主要研究的是物質(zhì)機械運動的規(guī)律。

力學(xué)的分類

力學(xué)的發(fā)展歷程

力學(xué)的發(fā)展歷經(jīng)古代力學(xué)、經(jīng)典力學(xué)和分析力學(xué)，現(xiàn)在已經(jīng)成為一個完整的理論體系。

1）古代力學(xué)的發(fā)展。亞里士多德系是古代最早的物理學(xué)體系。亞里士多德比較系統(tǒng)深刻地研究了物質(zhì)運動與時間的關(guān)系。在他的《物理學(xué)》中，我們可以看到物理世界中的運動的產(chǎn)生和消失、空間和時間變化的原因與結(jié)果等根本原理。關(guān)于運動，亞里士多德認(rèn)為運動是永恒的。

阿基米德是繼亞里士多德之后的另外一位科學(xué)巨匠，他以生產(chǎn)實踐為基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)知識創(chuàng)建靜力學(xué)，同時證明了杠桿定律和浮力定律，被稱作“力學(xué)之父”。

2）經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展。被譽為“近代科學(xué)之父”的伽利略對亞里士多德的運動理論做出了進(jìn)一步的檢測和批判，使經(jīng)典力學(xué)得以推進(jìn)，成為了近代實驗物理學(xué)的奠基人。牛頓是整個近代科學(xué)革命的象征。牛頓發(fā)表的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》實現(xiàn)了物理學(xué)的第一次大綜合，成為經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，決定了力學(xué)的發(fā)展方向，并為分析力學(xué)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的第一篇提出了質(zhì)量、動量、慣性、力及向心力、絕對時間的定義。《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的第二篇討論了有阻力的物體運動。《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的第三篇利用第一和第二篇中的原理來解釋自然界中存在的各種問題，因此，標(biāo)題為宇宙體系。它的出版代表了新科學(xué)文明時代的到來。牛頓把天體的運動規(guī)律和實驗研究成果相結(jié)合，建立了牛頓三大運動定律和萬有引力定律。

3）分析力學(xué)的發(fā)展。分析力學(xué)是經(jīng)典力學(xué)的完善。它之所以成為一個完整的體系是經(jīng)歷了三次大的飛躍：一是牛頓力學(xué)從質(zhì)點到剛體和流體的發(fā)展；二是拉格朗日理論的建立；三是哈密頓理論的建立，這是分析力學(xué)達(dá)到頂峰的標(biāo)志。

生活中的力學(xué)現(xiàn)象之剖析

當(dāng)細(xì)心觀察包羅萬象的世界時，我們會發(fā)現(xiàn)力學(xué)現(xiàn)象存在于生活的方方面面，力學(xué)原理應(yīng)用于生活的各個角落。這里我們不妨從力學(xué)理論的視角剖析諸多力學(xué)現(xiàn)象以此提升對力學(xué)的興趣與認(rèn)知，激發(fā)我們對自然科學(xué)的熱愛。

力學(xué)在交通出行方面的應(yīng)用

1）防滑鞋和防滑輪胎。東北地區(qū)的冬季時間長，常常會有大量的降雪，溫度也非常低。在這樣的環(huán)境下，沒有及時處理的積雪融化后會在路面上產(chǎn)生一種冰雪混合物，致使路面變滑，增加了行人摔倒或者車禍出現(xiàn)的機率。面對這樣的情況，行人在出行時會選擇底部有較深溝紋的鞋子。溝紋使鞋子底部凹凸不平，這樣就增加了鞋子與地面的摩擦力，再加上行人的體重也會影響鞋子與地面摩擦力的大小，行人在行走時就不易摔倒，有了一定的穩(wěn)定性。為了減少車禍出現(xiàn)的頻率，汽車輪胎也會使用防滑輪胎，同樣是為了增強與地面的摩擦力。

2）自行車。首先，我們來討論自行車上的摩擦知識。（1）自行車外胎上的花紋。自行車外胎上有凹凸不平的花紋，這主要是因為摩擦力的大小和壓力的大小以及接觸面的粗糙程度有關(guān)。凹凸不平的花紋可以增加自行車與地面間的粗糙程度，這樣就可以防止自行車打滑。（2）自行車的前進(jìn)。我們在騎自行車時，由于后輪與地面之間的摩擦力的方向是向前的，而前輪的摩擦力是阻礙自行車的運動，它與自行車運動的方向是相反的。這兩個力雖然方向相反但大小相等，因此自行車做勻速運動，可向前行駛。（3）自行車的剎車原理。當(dāng)我們捏下自行車把上的剎車裝置后，自行車能夠停止，這是因為在剎車時，剎皮與車圈間的摩擦力阻礙了后輪的轉(zhuǎn)動。手產(chǎn)生的壓力越大，剎皮與車圈間的摩擦力就越大，后輪轉(zhuǎn)動的就會越來越慢。完全剎死的情況下，后輪與地面間的摩擦力就變?yōu)榉较蛳蚝蟮幕瑒幽Σ亮?，隨之自行車的車輪就停止轉(zhuǎn)動了。

其次，我們來討論自行車上的杠桿知識。（1）自行車的車把。自行車的車把實際上是控制前輪轉(zhuǎn)向的杠桿。自行車的車把相當(dāng)于一個省力杠桿，通過自行車的結(jié)構(gòu)我們可知，自行車的把手橫桿連接著前輪處的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸下面的分叉緊夾著前車輪，當(dāng)我們要轉(zhuǎn)動自行車的方向時只要轉(zhuǎn)動橫著的車把就可以了（根據(jù)杠桿平衡條件：F1L1=F2L2，其動力臂越長，所需的動力就越小，車把相當(dāng)于一條足夠長的動力臂），因此只要用很小的力，人們就可以轉(zhuǎn)動自行車的前輪以此來把握自行車的運動方向和平衡。（2）自行車的閘把。自行車的車把實際上是一個控制剎車閘的杠桿，它是一個省力杠桿。人們捏閘把時只要使很小的力，就可以使車閘產(chǎn)生較大的壓力壓到鋼圈上來控制自行車的剎車動作。最后我們來討論自行車上的彈力知識。自行車車座下面安裝了很多根彈簧，主要是利用它們的緩沖作用來減少外界帶來的震動。

3）飛機。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，飛機已經(jīng)成為人們出行中最便捷也是最快速的交通工具，它的飛行原理與力學(xué)是分不開的，這其實是流體力學(xué)的重要應(yīng)用。流體力學(xué)屬于力學(xué)的一個分支，也是力學(xué)中一個重要部分。它是對流體（包括氣體和液體）自身的靜止和運動狀態(tài)以及與固體界壁間存在相對運動時的相互作用和流動規(guī)律的研究。仔細(xì)觀察我們會發(fā)現(xiàn)，飛機的兩翼并不都是平的。事實上，機翼朝上的一面是光滑的弧形，為什么要這樣設(shè)計？根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利原理（通常被表述為p+1/2ρv2+pgh=C。其中p是流體中某個點的壓強，v是流體中該點的流速，ρ是流體密度，g代表的是重力加速度，h是該點的高度，C代表的是一個常量。），流速越快壓強越小。根據(jù)這一原理，機翼朝上的一面光滑的弧形設(shè)計使得通過的氣流的流速較快，壓強較小，因此使飛機產(chǎn)生了向上的浮力。當(dāng)飛機速度足夠快時，產(chǎn)生的浮力大于飛機本身的重力，在這種情況下，飛機才可以飛起來。endprint

力學(xué)在飲食方面的應(yīng)用

1）生雞蛋和熟雞蛋的判斷。當(dāng)生雞蛋和熟雞蛋混在一起時，怎么區(qū)分兩者呢？生雞蛋和熟雞蛋的外形是相同的，在不使它們破損的情況下，我們只需要把兩個雞蛋在桌子上轉(zhuǎn)動下就可以判斷出來。生雞蛋轉(zhuǎn)動得很慢，而且轉(zhuǎn)一兩圈就會停下來。熟雞蛋轉(zhuǎn)動得很快，而且轉(zhuǎn)動好幾圈后才會停下來。這是因為生雞蛋的蛋清和蛋黃都是液體，轉(zhuǎn)動蛋殼時，受慣性的影響，蛋清和蛋黃不能隨著蛋殼一起轉(zhuǎn)動，反而對蛋殼的轉(zhuǎn)動起著阻礙的作用。對熟雞蛋來說，蛋清和蛋黃已經(jīng)是凝成一起的固體，轉(zhuǎn)動蛋殼時，還是受到慣性的影響，蛋殼、蛋清和蛋黃一起進(jìn)行轉(zhuǎn)動，所以轉(zhuǎn)動的速度非常快，而且能轉(zhuǎn)好幾圈。

2）淘米。民以食為天，如果沒有食物，人類將無法生存。米飯是大多數(shù)家庭的選擇，米由稻谷加工而成，稻谷有殼，所以米中混有谷糠和石子是無法避免的，那怎么將米中的谷糠和石子挑出來呢？由阿基米德的浮力定律我們可以知道：浸在液體或氣體中的物體會受到液體或氣體對它產(chǎn)生的向上的托力，也就是我們說的浮力。浮力的大小是和物體排開液體所受到重力相等。把混有谷糠和石子的米倒入水盆中，我們會發(fā)現(xiàn)，谷糠受到的浮力大于重力，它會漂浮在水面上。而米粒和石子受到的浮力小于重力，會下沉到水底。這樣的話，谷糠就可以先被淘去，留下來的只剩下米粒和石子。因為米粒和石子的比重是不同的，石子的比重大于米粒，受到的浮力小，使勁再對水中的米粒和石子進(jìn)行攪拌，石子就會先沉到水底，米粒附在石子上，我們把水盆以一定的角度進(jìn)行傾斜，慢慢晃動，再連米帶水倒入另一個空盆里，原來的盆里就會存留少量的石子。反復(fù)使用這個方法，石子就會被淘出。

3）磨刀。刀如果不經(jīng)常使用就會生銹，我們需要磨刀使其鋒利，那么如何掌握磨刀技巧使其鋒利呢？我們知道刀的側(cè)面是斜的，切東西時，刀的側(cè)面把切進(jìn)去的東西向兩邊推壓，根據(jù)力的分解我們知道，刀兩側(cè)面之間的夾角越小，刀就會越鋒利，也就是說刀口磨得越薄，刀兩側(cè)面的夾角就會越小。所以，我們磨刀時要讓刀面緊貼著磨石，這樣才能使兩側(cè)夾角變小，雖然磨得很慢，但磨出來的刀是非常鋒利的。

力學(xué)在體育運動方面的應(yīng)用

力學(xué)在體育運動方面的應(yīng)用也是十分廣泛的，對其的研究能夠提升運動員的體育運動水平和運動技巧。

1）力學(xué)中的速度在體育運動方面的應(yīng)用。在體育運動中，運動員的速度快慢問題至關(guān)重要，尤其是球類運動中的“快攻戰(zhàn)術(shù)”，指的就是運動員利用快速奔跑等方式來增加運動速度，使對手來不及反應(yīng)，從而找到更好的進(jìn)攻機會。通過牛頓第二定律我們知道，進(jìn)行加速運動的時候伴隨著體力的耗損，這也是競技比賽中的戰(zhàn)術(shù)。比如：本隊員分成兩組，其中一組不斷加速而使對方的體力得到消耗，另外一組保持勻速來保存體力，遇到合適的機會直接出擊，就會取得最后的勝利。

2）力學(xué)中的慣性在體育運動方面的應(yīng)用。慣性可以幫助運動員提升成績，但有時候也會影響運動員自身的發(fā)揮，所以，對待慣性一定要分清利弊。跳高和跳遠(yuǎn)中運動員的助跑以及投擲運動中運動員的手臂往后擺等這都是利用了慣性的有利之處。對于籃球運動員來說，正對著籃環(huán)由于慣性的原因是不能投準(zhǔn)籃球的，因此，籃球運動員都會把握住角度與距離進(jìn)行投籃。

3）摩擦力在體育運動方面的應(yīng)用。任何物體的運動都會受到摩擦力的影響，體育運動也不例外，因此運動員以及在運動過程中所使用的器械都要考慮到摩擦力這一因素，比如賽跑運動員所穿的跑鞋下面都帶有鞋釘；足球守門員使用的手套；體操運動員在上場前都會在手上涂有鎂粉等。

力學(xué)在建筑方面的應(yīng)用

隨著社會文明的推進(jìn)，人們對于力學(xué)知識和建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計技巧等因素有了更多的認(rèn)識，并且逐步積累了建筑經(jīng)驗。從古代到現(xiàn)代輝煌的建筑如中國的萬里長城和北京的水立方，我們可以看到完美宏大的建筑物和力學(xué)是分不開的，沒有可靠的力學(xué)結(jié)構(gòu)就很難建造出安全實用美觀的建筑物。高層和特殊的建筑物對于其力學(xué)結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計要求很高，比如江河堤壩和水庫大壩的設(shè)計必須使用合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)原理，這里我們用圖示加以說明。圖1是江河堤壩和水庫大壩的橫截面，都是上窄下寬的形狀，這樣的目的是為了防水壓、防滲透和防滑動。堤壩下方由于水深度的增加而壓強增大，那么單位面積上的受力也隨之增加，因此水底的橫截面增加是為了增加承受壓力。水壓增大，水的滲透作用增大，加大橫截面也是為了防止水的滲透。大的橫截面的摩擦增大，就可以防止滑動的產(chǎn)生。

結(jié)論

從力學(xué)的發(fā)展歷程來看，力學(xué)研究的本身就來源于對生活中事物運動規(guī)律的總結(jié)。只要留心觀察就會發(fā)現(xiàn)，我們身邊的很多現(xiàn)象都可以用力學(xué)知識和原理進(jìn)行解釋，可以說力學(xué)的身影無處不在的。不管是我們的出行裝備、日常飲食、體育運動還是建筑方面，力學(xué)都發(fā)揮了不可替代的作用。力學(xué)是一門理論與實踐相結(jié)合的學(xué)科，注意觀察生活中的力學(xué)現(xiàn)象并用課堂上所學(xué)到的力學(xué)知識和原理對大千世界的事物進(jìn)行剖析不僅可以強化所學(xué)到的課堂知識，還可以激發(fā)我們探索自然奧秘的熱情與興趣。

參考文獻(xiàn)

[1]劉玉杰.例談生活中的杠桿原理[J].科學(xué)教育，2008（3）：65.

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（作者簡介：周森宇，洛陽市第一高級中學(xué)。）endprint