力学在生活中的应用探讨

河北保定第一中学　曹逸凡

力学在生活中的应用探讨

河北保定第一中学曹逸凡

力学研究本身来源于日常生活规律的总结，生活中有许许多多的现象都可以用力学解释，在教科书上往往没有较多实际的应用教学。学习就是要学以致用，这样才能使理论知识得以运用提升。本文就是从现实生活出发，举例分析力学的运用。其中包括图解和数据分析。最终说明只要用力学的观点观察生活，就会发现生活中处处有力学的存在。

力学是和生活关系最紧密的物理学科内容之一，在我们的生活之中力学是无处不在的。只要我们经常用力学的眼光看生活就会得到许多现象的根本原因，在学习完力学的一些知识后我们也应该将其运用到生活之中，只有学以致用才是真正掌握了知识。接下来将举例分析。

1　现实中江河和水库中大坝的结构力学分析

江河和水库大坝横截面如1图所示。

图1　

从图1中我们可以看出它们的结构主要是一个上窄下宽的形状。但其中两者还有不同点，就是在江河的堤坝中迎水面是缓坡而水库堤坝挡水面是陡坡。

首先分析其上大下小的力学原理，无论是江河的堤坝还是水库的堤坝，都修成上窄下宽的目的是为了达到“三防”的效果。三防主要是防水压、防渗透、防滑动。水压的计算方式是P=ρgh，从压强的公式可以看出堤坝的下方因为水深度的增加导致压强增大，那么单位面积上的受力就随之增加了，所以水底的截面积增加就是为了承受压力的增加。更大的水压会增加大水的渗透作用，所以增大截面积的另一方面就是要防止水的渗透。大的截面积可以增加摩擦，这样就可以防止水的压力大于地面可以提供的摩擦力而发生的移动。

图2　

图3　

江河里的水是流动的，所以其所受到的冲击力主要是朝下游的，其中水对堤坝的作用力是压力，如图2所示中的受力力分析。根据受力分析来看,F（x）=Fsinθ，F（y）=Fcosθ，所以从公式中可以看出堤坝受力较大的方向是垂直向下的方向，受力较小的方向是水平压力。因此对于江河上的堤坝，迎水面的坡度减缓可以加大水给予堤坝垂直向下的力，减小向外的推力，从而达到防滑的效果。

水库的大坝受力分析参考图3，从液体的压强公式来看，水库的堤坝挡水面各个单位面积所承受的压力和水的深度成正相关，总体呈三角形的方式分布，所以总水压大小等于三角形分布中距水底H/3的水压大小。设水库大坝的所受重力大小是G，重心在O’处，为了方便分析，我们假设水对大坝的总的压力是f并且方向向外（指向大坝的外侧），分析如图4所示。

图4　

因为受到水的压力的作用，堤坝会受到一个以O为支点的顺时针倾覆的趋势，倾覆是力矩造成的，力矩大小等于F*H/3。然而堤坝依靠自身重力可以形成一个抗倾覆的力矩Gd。把堤坝背水一面的坡度修缓一些，这样一来在增大自身重力的同时又可以增加力臂的长度，最终达到一个增大抗倾覆力的效果。

经过受力分析我们可以发现，在用料和造价相同的情况下，将江河中的堤坝的迎水面修比背水面缓可以得到更好的稳定性。在水库中的堤坝，将挡水面修的比背水面陡的时候可以提高稳定性。通过堤坝的简单例子可以发现，力学的分析之后，只要简单地改变结构就可以增强结构的稳定性。

2　浮力公式在潜水艇中的运用

分析潜水艇的运动是我们简化相应的受力，就从垂直方向上分析浮力和重力的关系。潜水艇是通过改变自身的重力大小实现上升和下潜的。

根据浮力公式gV=mg=G中可以发现，物体所受液体的浮力等于这个物体在液体中时排出液体的体积。潜水艇自身的体积是不会改变的，所以浮力不变，但是潜水艇可以将水排出或吸入来改变自身的重力。当浮力和重力相等，潜水艇悬浮在水中，当浮力大于重力时潜水艇上浮，开始时浮力大于重力是加速上浮，但当浮力和重力之差等于阻力的时候会匀速上升。下降的受力分析与上升刚好相反，潜水艇将水吸入自身内部增加自己的重力，当重力大于浮力的时候开始加速下降，最后趋于匀速。

3　结语

只要留心观察，我们身边就有许多的现象都可以用力学解释。不使用力学的观点分析大多是依据经验，经验的总结有点接近事实，然而有些却与事实相悖，只有通过力学的分析给出严格的证明才能推出真正的结论。力学是一门要求结合理论和实际的学科，实践是理论的基础，但是理论同样还要接受实践的检验。我们在现实生活中用力学的观点思考就是一种无形中对力学观点的检验，这必然会对我们的知识有强化和提升的作用。

[1]杨有涛.流体力学理论在流量计量中的应用[J].工业计量, 2008.(01).

[2]苏长胜.流体力学在煤矿中的应用[J].煤矿机械,2007.(02).

[3]刘起霞,邹剑峰,王海霞.实际工程中的流体力学[J].力学与实践,2006.(06).

曹逸凡，男，河北保定市，1999年3月出生。