生活中的力学现象之探讨

不管是我们的日常生活还是工作和生产中，力学的身影无处不在。本文介绍了力学的定义、分类和发展历程，并从力学理论的视角分析了生活中的诸多力学现象，以此提升人们对力学的兴趣与认知。

力学简介

力学的定义

力学是一门基础学科，是对有关力、运动和介质等多方面的研究，主要研究的是物质机械运动的规律。

力学的分类

力学的发展历程

力学的发展历经古代力学、经典力学和分析力学，现在已经成为一个完整的理论体系。

1）古代力学的发展。亚里士多德系是古代最早的物理学体系。亚里士多德比较系统深刻地研究了物质运动与时间的关系。在他的《物理学》中，我们可以看到物理世界中的运动的产生和消失、空间和时间变化的原因与结果等根本原理。关于运动，亚里士多德认为运动是永恒的。

阿基米德是继亚里士多德之后的另外一位科学巨匠，他以生产实践为基础，利用数学知识创建静力学，同时证明了杠杆定律和浮力定律，被称作“力学之父”。

2）经典力学的发展。被誉为“近代科学之父”的伽利略对亚里士多德的运动理论做出了进一步的检测和批判，使经典力学得以推进，成为了近代实验物理学的奠基人。牛顿是整个近代科学革命的象征。牛顿发表的《自然哲学的数学原理》实现了物理学的第一次大综合，成为经典力学的基础，决定了力学的发展方向，并为分析力学的发展打下了基础。《自然哲学的数学原理》的第一篇提出了质量、动量、惯性、力及向心力、绝对时间的定义。《自然哲学的数学原理》的第二篇讨论了有阻力的物体运动。《自然哲学的数学原理》的第三篇利用第一和第二篇中的原理来解释自然界中存在的各种问题，因此，标题为宇宙体系。它的出版代表了新科學文明时代的到来。牛顿把天体的运动规律和实验研究成果相结合，建立了牛顿三大运动定律和万有引力定律。

3）分析力学的发展。分析力学是经典力学的完善。它之所以成为一个完整的体系是经历了三次大的飞跃：一是牛顿力学从质点到刚体和流体的发展；二是拉格朗日理论的建立；三是哈密顿理论的建立，这是分析力学达到顶峰的标志。

生活中的力学现象之剖析

当细心观察包罗万象的世界时，我们会发现力学现象存在于生活的方方面面，力学原理应用于生活的各个角落。这里我们不妨从力学理论的视角剖析诸多力学现象以此提升对力学的兴趣与认知，激发我们对自然科学的热爱。

力学在交通出行方面的应用

1）防滑鞋和防滑轮胎。东北地区的冬季时间长，常常会有大量的降雪，温度也非常低。在这样的环境下，没有及时处理的积雪融化后会在路面上产生一种冰雪混合物，致使路面变滑，增加了行人摔倒或者车祸出现的机率。面对这样的情况，行人在出行时会选择底部有较深沟纹的鞋子。沟纹使鞋子底部凹凸不平，这样就增加了鞋子与地面的摩擦力，再加上行人的体重也会影响鞋子与地面摩擦力的大小，行人在行走时就不易摔倒，有了一定的稳定性。为了减少车祸出现的频率，汽车轮胎也会使用防滑轮胎，同样是为了增强与地面的摩擦力。

2）自行车。首先，我们来讨论自行车上的摩擦知识。（1）自行车外胎上的花纹。自行车外胎上有凹凸不平的花纹，这主要是因为摩擦力的大小和压力的大小以及接触面的粗糙程度有关。凹凸不平的花纹可以增加自行车与地面间的粗糙程度，这样就可以防止自行车打滑。（2）自行车的前进。我们在骑自行车时，由于后轮与地面之间的摩擦力的方向是向前的，而前轮的摩擦力是阻碍自行车的运动，它与自行车运动的方向是相反的。这两个力虽然方向相反但大小相等，因此自行车做匀速运动，可向前行驶。（3）自行车的刹车原理。当我们捏下自行车把上的刹车装置后，自行车能够停止，这是因为在刹车时，刹皮与车圈间的摩擦力阻碍了后轮的转动。手产生的压力越大，刹皮与车圈间的摩擦力就越大，后轮转动的就会越来越慢。完全刹死的情况下，后轮与地面间的摩擦力就变为方向向后的滑动摩擦力，随之自行车的车轮就停止转动了。

其次，我们来讨论自行车上的杠杆知识。（1）自行车的车把。自行车的车把实际上是控制前轮转向的杠杆。自行车的车把相当于一个省力杠杆，通过自行车的结构我们可知，自行车的把手横杆连接着前轮处的转轴，转轴下面的分叉紧夹着前车轮，当我们要转动自行车的方向时只要转动横着的车把就可以了（根据杠杆平衡条件：F1L1=F2L2，其动力臂越长，所需的动力就越小，车把相当于一条足够长的动力臂），因此只要用很小的力，人们就可以转动自行车的前轮以此来把握自行车的运动方向和平衡。（2）自行车的闸把。自行车的车把实际上是一个控制刹车闸的杠杆，它是一个省力杠杆。人们捏闸把时只要使很小的力，就可以使车闸产生较大的压力压到钢圈上来控制自行车的刹车动作。最后我们来讨论自行车上的弹力知识。自行车车座下面安装了很多根弹簧，主要是利用它们的缓冲作用来减少外界带来的震动。

3）飞机。随着经济的不断发展与进步，飞机已经成为人们出行中最便捷也是最快速的交通工具，它的飞行原理与力学是分不开的，这其实是流体力学的重要应用。流体力学属于力学的一个分支，也是力学中一个重要部分。它是对流体（包括气体和液体）自身的静止和运动状态以及与固体界壁间存在相对运动时的相互作用和流动规律的研究。仔细观察我们会发现，飞机的两翼并不都是平的。事实上，机翼朝上的一面是光滑的弧形，为什么要这样设计？根据流体力学中的伯努利原理（通常被表述为p+1/2ρv2+pgh=C。其中p是流体中某个点的压强，v是流体中该点的流速，ρ是流体密度，g代表的是重力加速度，h是该点的高度，C代表的是一个常量。），流速越快压强越小。根据这一原理，机翼朝上的一面光滑的弧形设计使得通过的气流的流速较快，压强较小，因此使飞机产生了向上的浮力。当飞机速度足够快时，产生的浮力大于飞机本身的重力，在这种情况下，飞机才可以飞起来。endprint

力学在饮食方面的应用

1）生鸡蛋和熟鸡蛋的判断。当生鸡蛋和熟鸡蛋混在一起时，怎么区分两者呢？生鸡蛋和熟鸡蛋的外形是相同的，在不使它们破损的情况下，我们只需要把两个鸡蛋在桌子上转动下就可以判断出来。生鸡蛋转动得很慢，而且转一两圈就会停下来。熟鸡蛋转动得很快，而且转动好几圈后才会停下来。这是因为生鸡蛋的蛋清和蛋黄都是液体，转动蛋壳时，受惯性的影响，蛋清和蛋黄不能随着蛋壳一起转动，反而对蛋壳的转动起着阻碍的作用。对熟鸡蛋来说，蛋清和蛋黄已经是凝成一起的固体，转动蛋壳时，还是受到惯性的影响，蛋壳、蛋清和蛋黄一起进行转动，所以转动的速度非常快，而且能转好几圈。

2）淘米。民以食为天，如果没有食物，人类将无法生存。米饭是大多数家庭的选择，米由稻谷加工而成，稻谷有壳，所以米中混有谷糠和石子是无法避免的，那怎么将米中的谷糠和石子挑出来呢？由阿基米德的浮力定律我们可以知道：浸在液体或气体中的物体会受到液体或气体对它产生的向上的托力，也就是我们说的浮力。浮力的大小是和物体排开液体所受到重力相等。把混有谷糠和石子的米倒入水盆中，我们会发现，谷糠受到的浮力大于重力，它会漂浮在水面上。而米粒和石子受到的浮力小于重力，会下沉到水底。这样的话，谷糠就可以先被淘去，留下来的只剩下米粒和石子。因为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，使劲再对水中的米粒和石子进行搅拌，石子就会先沉到水底，米粒附在石子上，我们把水盆以一定的角度进行倾斜，慢慢晃动，再连米带水倒入另一个空盆里，原来的盆里就会存留少量的石子。反复使用这个方法，石子就会被淘出。

3）磨刀。刀如果不经常使用就会生锈，我们需要磨刀使其锋利，那么如何掌握磨刀技巧使其鋒利呢？我们知道刀的侧面是斜的，切东西时，刀的侧面把切进去的东西向两边推压，根据力的分解我们知道，刀两侧面之间的夹角越小，刀就会越锋利，也就是说刀口磨得越薄，刀两侧面的夹角就会越小。所以，我们磨刀时要让刀面紧贴着磨石，这样才能使两侧夹角变小，虽然磨得很慢，但磨出来的刀是非常锋利的。

力学在体育运动方面的应用

力学在体育运动方面的应用也是十分广泛的，对其的研究能够提升运动员的体育运动水平和运动技巧。

1）力学中的速度在体育运动方面的应用。在体育运动中，运动员的速度快慢问题至关重要，尤其是球类运动中的“快攻战术”，指的就是运动员利用快速奔跑等方式来增加运动速度，使对手来不及反应，从而找到更好的进攻机会。通过牛顿第二定律我们知道，进行加速运动的时候伴随着体力的耗损，这也是竞技比赛中的战术。比如：本队员分成两组，其中一组不断加速而使对方的体力得到消耗，另外一组保持匀速来保存体力，遇到合适的机会直接出击，就会取得最后的胜利。

2）力学中的惯性在体育运动方面的应用。惯性可以帮助运动员提升成绩，但有时候也会影响运动员自身的发挥，所以，对待惯性一定要分清利弊。跳高和跳远中运动员的助跑以及投掷运动中运动员的手臂往后摆等这都是利用了惯性的有利之处。对于篮球运动员来说，正对着篮环由于惯性的原因是不能投准篮球的，因此，篮球运动员都会把握住角度与距离进行投篮。

3）摩擦力在体育运动方面的应用。任何物体的运动都会受到摩擦力的影响，体育运动也不例外，因此运动员以及在运动过程中所使用的器械都要考虑到摩擦力这一因素，比如赛跑运动员所穿的跑鞋下面都带有鞋钉；足球守门员使用的手套；体操运动员在上场前都会在手上涂有镁粉等。

力学在建筑方面的应用

随着社会文明的推进，人们对于力学知识和建筑物结构设计技巧等因素有了更多的认识，并且逐步积累了建筑经验。从古代到现代辉煌的建筑如中国的万里长城和北京的水立方，我们可以看到完美宏大的建筑物和力学是分不开的，没有可靠的力学结构就很难建造出安全实用美观的建筑物。高层和特殊的建筑物对于其力学结构方面的设计要求很高，比如江河堤坝和水库大坝的设计必须使用合理的力学结构原理，这里我们用图示加以说明。图1是江河堤坝和水库大坝的横截面，都是上窄下宽的形状，这样的目的是为了防水压、防渗透和防滑动。堤坝下方由于水深度的增加而压强增大，那么单位面积上的受力也随之增加，因此水底的横截面增加是为了增加承受压力。水压增大，水的渗透作用增大，加大横截面也是为了防止水的渗透。大的横截面的摩擦增大，就可以防止滑动的产生。

结论

从力学的发展历程来看，力学研究的本身就来源于对生活中事物运动规律的总结。只要留心观察就会发现，我们身边的很多现象都可以用力学知识和原理进行解释，可以说力学的身影无处不在的。不管是我们的出行装备、日常饮食、体育运动还是建筑方面，力学都发挥了不可替代的作用。力学是一门理论与实践相结合的学科，注意观察生活中的力学现象并用课堂上所学到的力学知识和原理对大千世界的事物进行剖析不仅可以强化所学到的课堂知识，还可以激发我们探索自然奥秘的热情与兴趣。

参考文献

[1]刘玉杰.例谈生活中的杠杆原理[J].科学教育，2008（3）：65.

[2]梅宇航，王文涛.趣谈生活中的伯努力原理[J].中学物理，2010（7）：51-52.

（作者简介：周森宇，洛阳市第一高级中学。）endprint