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第1节杠杆
在远古时期,没有现代大型工具,人们在需要搬动大块石头的,往往使用杠杆来撬动,如右图。
三角部分是支点,黑色是木棒。在右边的向下箭头处,是人用力的地方,左边向上箭头处,就是木棒撬动石块的位置。可以用较小的力,撬动左边的大石块。整个杠杆,有两个用力点和一个支撑点。(在以后的叙述中,箭头向下的位置,都表示人用力的地方,箭头向上的位置,都表示物体受力点地方。)
这就是典型的杠杆,是置放连结在一个支撑点上的硬棒,这硬棒可以绕着支撑点旋转。
在中国战国年代,墨子曾提到应用杠杆与其操作机制的机械。古希腊时期,阿基米德和亚里斯托德,都讨论过杠杆原理。其中,阿基米德最著名的言论:“给我一个支点,我就可以举起整个地球。
最开始的杠杆是为了省力,可以使用较小的力来产生较大的力。但在使用中,可以任意调整支撑点和用力的位置,这样就产生不同的应用。
最基本的杠杆如图2.a,比如跷跷板。图2.b的杠杆,比如镊子。图2.c的杠杆,比如核桃夹子。
选读:『『杠杆的作用效果计算:
如图3.a,支点右边木棒长4米,左边1米,在右边放100斤重的物品,则左边可以撬起400斤的物品。实际上,左右两边的(重量x长度)是相等的。当杠杆如图3.b时,支撑点在最左端,右边有100斤放置的长度是5米,则需要500斤向上的力气作用在长度1米的位置。也满足(重量x长度)相等。
杠杆效果可以累加,比如图3.b,在4米的位置放置125斤的物品。则在1米的位置需要1000斤的力气才能撑住。也就是(1000斤x1米)=(125斤x4米)+(100斤x5米)
使用杠杆的结果:如图3a,右边的木棒向下移动0.4米,左边的木棒才向上移动0.1米。虽然可以用100斤的力气撬动400斤物品,但是400斤物品的移动距离却是实际用力移动距离的14。』』
事实上说明了一点,天下没有免费的午餐,总是要付出代价。用小的力来移动大重量的物体,代价就是移动距离小。用大的力来移动小重量的物体,效果就是可以移动更大的距离。
生活中的杠杆:
确定以下工具的支撑点和两个用力点
1.啤酒开瓶器,
2.剪刀
3.菜市场里面老式的秤。(包括台秤)
4.筷子
观察家里面的各种工具,确定有哪些是使用杠杆原理。并找出支撑点和用力点,并分类为图2.abc中的哪一种。
古代的军事应用:
1.美洲人使用的标枪投掷器,阿塔阿塔。
由一根木棒和绳索组成,类似于老式赶马车的鞭子。使用时,人握住木棒的下端,标枪卡在绳索末端的卡子中,用力向前挥动木棒,标枪在最高速时脱离卡子。3万年前的猎人就使用这种方式狩猎。500年以前,在现墨西哥曾存在古代文明阿兹特克,这种投掷器就是其武器之一,标枪可投掷250米。
在体育比赛中,标枪投掷时,运动员的胳膊就相当于标枪投掷器的绳索,躯干相当于木棒。这种情况下的投掷记录可达100米。
比较可发现,使用投掷器,杠杆效果很明显,投掷距离增加了1.5倍。
2.配重式投石器,回回炮
右边是配重,一般是大量石块。左边是待投掷东西,可以是大型石块(破坏防守工事,城墙)、燃烧物、毒药、污染物(动物尸体,用于制造瘟疫,14世纪蒙古人使用这种方法导致鼠疫流行)。由欧洲经伊斯兰地区传入中国,故称之为回回炮。蒙古人在灭亡中国时,使用这种武器进行攻城。攻击距离一般和杠杆长度成正比,大型的攻击距离可以到300米以上。
思考:
1.在什么情况下杠杆无法使用?【当木棒断裂时,杠杆就无法使用。所以木棒要足够结实。支撑点也必须有足够承受能力。】
2.木棒在那个地方的受力是最大的?【杠杆在使用时,木棒不同区域的受力不同,当支撑点在木棒内部区域时,支撑点处的受力最大。当支撑点在木棒端点时,木棒内部的受力点处受力最大。】
观察:
1.在有条件的情况下,观察老式的秤。看秤杆的粗细有什么变化,并思考为什么。
2.用一次性筷子夹物品,每次都比上一次物品重,当筷子断裂时,观察筷子在何处断裂。
3.在有条件的情况下,观察载重卡车车厢下面的承重梁是什么形状,思考为什么。
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