【矩道物理】物理学故事系列之二:给我一个支点,我就能翘起地球

2022/3/28 9:28:37 矩道科技 产品动态

“给我一个支点,我就能翘起地球。”这句话相传是阿基米德的名言,形容杠杆的作用之大。

人类很早以前就使用杠杆了。在埃及,公元前一千五百年前左右,就有人用杠杆来抬起重物,不过人们不知道它的道理。阿基米德潜心研究了这个现象并发现了杠杆原理。

当时的赫农王为埃及国王制造了一条船,体积大,相当重,因为不能挪动,搁浅在海岸上很多天。赫农王让阿基米德解决这一难题,阿基米德满口答应下来。他设计了一套复杂的杠杆滑轮系统安装在船上,将绳索的一端交到赫农王手上。赫农王轻轻拉动绳索,奇迹出现了,大船缓缓地移动起来,最终下到了海里。这就是用杠杆原理解决实际问题的例子。

那我们怎么描述杠杆呢?

一根硬棒,在力的作用下能绕着固定点O转动,这根硬棒就是杠杆。在杠杆的使用中,杠杆的平衡状态是一种非常重要的状态。要使杠杆平衡,作用在杠杆上的两个力矩(力与力臂的乘积)大小必须相等。

下面我们通过矩道物理虚拟实验来探究杠杆的平衡条件。

首先,我们先调节杠杆两端的螺母,使杠杆在不挂钩码时,保持水平并静止,达到平衡状态。我们让杠杆在水平状态达到平衡,目的是为了能直接从杠杆标尺上读出力臂的大小。

接着,我们再杠杆的一侧挂上一定数量的钩码,然后在另一侧某一位置用弹簧测力计竖直拉动杠杆,使杠杆重新在水平位置平衡。读出弹簧测力计示数。

改变动力、动力臂,相应调节阻力及阻力臂,多做几次实验。

经过在物理融合创新实验室中的探究,通过多组实验数据的分析,我们发现杠杆的平衡条件就是:

动力×动力臂=阻力×阻力臂。

这就是阿基米德发现的杠杆原理。阿基米德对杠杆的研究不仅仅停留在理论方面,而且据此原理还进行了一系列的发明创造。据说,在保卫叙拉古免受罗马海军袭击的战斗中,阿基米德利用杠杆原理制造了远、近距离的投石器,利用它射出各种飞弹和巨石攻击敌人,曾把罗马人阻于叙拉古城外达3年之久。

其实,早在战国时代,墨家学派的创始人墨子就已经提出了杠杆原理。在《墨子·经下》中说“衡而必正,说在得”;“衡,加重于其一旁,必捶,权重不相若也,相衡,则本短标长,两加焉,重相若,则标必下,标得权也”。这两条对杠杆的平衡说得很全面。

在我们的生活中有很多杠杆。杠杆分为等臂杠杆,省力杠杆和费力杠杆。

等臂杠杆就是动力臂与阻力臂相等的杠杆,天平就是一种等臂杠杆。接下来,我们在物理仿真实验室中观察物理天平的结构。

省力杠杆的动力臂比阻力臂要长,只要用很小的力就能撬动很重的物体。这就是阿基米德“只要给我一个支点,我就能翘起地球”这句名言的由来。这类杠杆虽然省了力,但是动力作用点移动的距离却要比阻力作用点移动的距离大。像老虎钳,拔钉子用的羊角锤,独轮车等都是省力杠杆。

费力杠杆的动力臂比阻力臂短,动力比阻力大,所以这类杠杆叫做费力杠杆。这类杠杆虽然费力,但却省了距离。像赛艇的船桨就是费力杠杆。划桨时,手加在桨上的力比水对桨的阻力大,但是手只要移动较小的距离,就能使桨在水中移动较大的距离。

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