力学在生活中的应用

祁敏

摘 要：随着社会的发展进步，伟大的物理科学家们通过科学实验和思维想象为力学建起了高楼大厦。高中物理仅是物理学中的冰山一角，为了让同学们能很好地学习、运用高中物理知识，本文从惯性定理、杠杆原理、压强、动量定理、薄壳原理等方面阐述了力学在生活、生产中的应用，以培养他们善于观察、勤于思考、勇于创新的科学精神。

关键词：力学;应用;生活

1 力学在生活中应用目的和意义

将我们高中的力学知识运用到生活实践当中，不仅能深化学生对所学常识的理解，而且还会养成他们一种勤于思考的学习习惯，把力学学透、学活、学以致用。将力学知识应用到实际生活当中，小到改造发明大到科技创新，总是为人类提供着各种便捷与服务。

2 相应的定理概念

2.1 惯性定律

一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。一切物体都有保持原来不变运动状态的性质，这种性质叫做惯性。

2.2 压强

压力作用的效果不仅与压力的大小有关，而且跟受力面积有关。物体所受压力的大小与受力面积之比叫做压强。在数值上等于物体单位面积所受的压力。公式P=FS。

2.3 大气压强

大气压强是指地球表面的空气由于受到重力作用产生了大气压强。一般来说，晴天比阴天高，冬天比夏天高。在气体和液体中，流速越大的位置，压强越小。

2.4 动量定理

物体所受合外力的冲量等于物体动量的变化。（表达式为Ft=mvt-mv0）

2.5 杠杆原理

要使杠杆平衡，作用在杠杆上的两个力矩要相等。

即：动力×动力臂=阻力×阻力臂。F1l1=F2l2

3 力学在生活中的应用

3.1 惯性定理的应用

如何区分生熟鸡蛋，当我们不注意将生熟鸡蛋混在一起，这可怎么办，怎样才能将它们分开？那就需要动用我们学过的物理知识之一——惯性定律。我们将这两种鸡蛋混在一起放到桌子上转动，转的时候力要基本相当，转得慢的没转几圈就停下为生鸡蛋;转得较快可转多圈的为熟鸡蛋。用惯性定律如何来解释呢？因为熟鸡蛋的蛋清和蛋黄凝聚在一塊，旋转鸡蛋时，他们一起转动且很快，能连续转好几圈。而生鸡蛋的蛋清和蛋黄属液体，它们之间的作用力较小，当旋转蛋壳时，由于物体惯性的特性，这两种物质要保持原来静止的状态，不但不能立即转动，而且还要对旋转的蛋壳起一定的阻碍作用，所以生鸡蛋慢慢转，一两圈就停。

3.2 菜刀上的力学知识

“刀”这件生活品，即使自己不用，家里的妈妈爸爸也要用的，她们几乎每天都用它来切、割、砍、削食物，怎样让刀在她们手中能够得心应手，需掌握一定的力学知识，如力的分解、压强。

3.2.1 从压强的角度来分析

用一定压力F切肉，若刃口越薄，与肉的接触面就越小，由压强公式：P=FS知。此时，产生的压强就越大，越容易把肉菜切开。锋利的刀切食材时不能用力过猛，这样易损坏刀刃。

3.2.2 从力的分解角度来分析

（1）刀刃：刀刃可等效为顶角θ很小的三角形，当我们用菜刀切食材时，用F竖直向下作用于刀背，按照力的分解，F会产生两个向外推剂食材且垂直刀面的作用力f1和f2。力的分解图如图1。

因刀刃的截面是等腰三角形，根据力的矢量法则可知，f1=f2=F2sinθ2，当θ越小，刀刃越锋利，产生的f1和f2值越大，菜刀越容易切削食材。

3.3 有趣的大气压强

3.3.1 壶盖为什么开孔

大家都注意茶壶的壶盖上会有一个小孔，这个小孔有什么功效呢？我们在家里可以做一个实验，将壶盛满水，用手指把小孔按住，开始倒水时，水流得比较顺畅，可后来水流得越来越慢，你松开手指，水流得又快了，这是因为用手指堵住小孔倒水时，壶内的空气变稀薄，压强减小，内外形成压强差，阻碍了水的流出;当松开手指，内外气压相等，水在重力作用下自行流出。所以，大家别小瞧了这个神奇的小孔。

3.3.2 飞机的升力

要了解飞机起飞过程，先要知道流体力学中的一个知识点：流速与压力成反比。即空气流动得越快，空气压力就越小，反之同理。

几十吨重的飞机为什么能够在空中飞行？玄妙之处是机翼，机翼截面模型如图2，其上表面弯曲，下表面较平。

机翼模仿鸟翅膀，飞机在高空飞翔时机翼上下表面气流速度不同，下表面流速小，则下表面产生的力大于上表面，总体给机翼一个向上的托力。飞机主要动力源为航空发动机，为飞机在地面滑行达到起飞速度提供推力或拉力。当飞机在跑道上加速滑行达到起飞速度时，驾驶员向后拉操纵杆，飞机升降舵向上翘，产生仰头力矩，在发动机推力及机翼的升力作用下带动飞机飞上天空。

3.4 汽车安全气囊

汽车给我们的生活带来了很大的便捷，但交通事故却是潜在威胁，在交通发生事故后，怎样尽可能地降低人员伤亡，汽车设计师在车内安装了安全气囊，安全气囊系统功能图如图3。

为了说明安全气囊系统的保护过程，先了解两个名词，当汽车发生碰撞时，汽车和物体之间的碰撞称为一次碰撞;一次碰撞的结果导致汽车速度急剧下降，由于惯性的作用，紧接司乘人员与方向盘、仪表板、挡风玻璃等之间发生的碰撞为二次碰撞。安全气囊在发生一次与二次碰撞之间迅速弹出，使司乘人员扑在气袋上，避免或缓减二次碰撞带来的危害，由动量定理可知，Ft=mvt-mv0，当动量变化一定时，作用时间越长，产生的合外作用力将越小，从而达到保护司乘人员的目的。

3.5 薄壳原理的应用

把一个鸡蛋放在手里，小小的蛋壳，我们用很大力气可能也不能把它攥碎，这是为什么呢？

我们先用蛋壳做一个小实验，拿半个鸡蛋壳凸面向上距桌面约20cm让其竖直落到桌上，第二次将蛋壳反过来，让凸面向下做同样的动作，两次比较第二次蛋壳很容易摔碎，从本实验可知，蛋壳的凸面比凹面能承受更大的冲击力。

薄壳原理就是应用了蛋壳拱形结构，由于这种拱形面能够均匀地分散其所承受的压力，从而减轻了局部的受力。我们利用乌龟背甲、蛋壳制造了安全帽，建筑学家模仿它们完成建筑桥梁的设计，如城门洞、赵州桥、国家大剧院、悉尼歌剧院、索菲亚大教堂等著名的拱建筑。

3.6 杠杆原理在生活中的应用

简单地说，杠杆就是一根在力的作用下能够绕固定点进行转动的硬棒。杠杆有五要素：支点、动力、动力臂、阻力、阻力臂。支点即绕杠杆转动的点，一般用字母O表示;动力使杠杆转动的力，一般用F1表示，动力臂为动力到支点的距离，一般用l1表示;阻力为阻碍杠杆转动的力，一般用F2表示，阻力臂为阻力到支点的距离，一般用l2表示。

杠杆平衡原理：动力×动力臂=阻力×阻力臂。F1l1=F2l2

杠杆分为三类：省力杠杆、费力杠杆和等臂杠杆。在生活中要根据不同用途进行选择，因为杠杆不可能做到两者兼顾。按照杠杆平衡原理，要想省力则动力臂就得长（即动力才能小），要想少移动距离则阻力臂就得短（即费力）。不同的杠杆应用于不同的场合，常用的省力杠杆有推车、老虎钳、瓶盖起子、羊角锤等，费力杠杆有剪刀、钓鱼竿、镊子、筷子等，定滑轮是等臂杠杆既不省力也不费力，但可改变力的方向。

4 结语

力学在人们生活中应用不只是上述这些，而是贯穿于整个人类社会，如果没有把力学知识运用到生产实践中，那么人类可能永远生活在社会的初级阶段，没有进步，没有文明。正因为如此，人类在劳动中总结经验，改造劳动工具，并发明创造，从原始的钻木取火到发明机器，再到神舟十一号的发射、港珠澳大桥通车、“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面、C919大型客机试飞成功，这些都多多少少应用了力学知识。只要人类持续研究力學在生活、科技等方面的应用，不久将来智能机器人等产品将广泛应用于人类生活，造福于人类。

参考文献：

[1]杨天华.现代生活与物理科学[M].黄河水利出版社，2017，02.

[2]雅科夫·伊西达洛维奇·别莱利曼，项丽（译）.趣味物理学[M].中国妇女出版社，2015，01.

[3]大井喜久夫.力学原来这么有趣[M].现代出版社，2016，07.

[4][美]詹姆斯·卡卡里奥斯.魔鬼物理学[M].中信出版社，2018，02.

[5]江文.身边的物理[M].北岳文艺出版社，2011，02.