第六章簡(jiǎn)單機(jī)械
——如何撬起整個(gè)地球？怎么用杠桿才能省力？滑輪有什么作用？
“給我一個(gè)支點(diǎn)，我可以撬起整個(gè)地球”，這句話很有名。這是誰(shuí)說(shuō)的？就是大名鼎鼎的阿基米德老師。他說(shuō)這句話，是為了形象地描述一下杠桿的作用。杠桿在我們生活中是非常常見(jiàn)的。比如我們開(kāi)門(mén)的時(shí)候，門(mén)就是杠桿；我們剪指甲的時(shí)候，指甲刀是杠桿。那么，什么是杠桿呢？
根據(jù)物理書(shū)的定義，“一根硬棒，在力的作用下如果能繞著固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，這根硬棒就是杠桿?！笔紫?，杠桿是一根硬棒。當(dāng)然啦，形狀方面的要求不是那么絕對(duì)，不一定是直的，可以是彎曲的，或者其他任意形狀。重點(diǎn)是要硬。在力的作用下它不能變形。然后，需要有一個(gè)固定點(diǎn)。這個(gè)杠桿可以繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的點(diǎn)就叫做支點(diǎn)。支點(diǎn)可以在杠桿的一端，也可以在中間任何地方。
我們學(xué)習(xí)啊工作啊，需要有動(dòng)力。杠桿同學(xué)也不例外。動(dòng)力，就是這個(gè)使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的力，比如我們開(kāi)門(mén)的時(shí)候手要推門(mén)或者拉門(mén)，手上用的力就是動(dòng)力；或者，在剪指甲的時(shí)候，我們用手指按下指甲刀，這個(gè)力也是動(dòng)力。杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)有一個(gè)阻礙杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的力，這個(gè)力叫做阻力。
沿著動(dòng)力的方向，我們畫(huà)一條直線，這是動(dòng)力的作用線，從支點(diǎn)到動(dòng)力的作用線的垂直距離，叫做動(dòng)力臂。從支點(diǎn)到阻力的作用線的垂直距離呢，就叫做阻力臂。好啦，現(xiàn)在我們看看，動(dòng)力、阻力、動(dòng)力臂和阻力臂這幾個(gè)之間有什么關(guān)系。
不過(guò)，我們先要定義一下杠桿的平衡。我們之前說(shuō)過(guò)，物體在平衡的力的作用下，會(huì)保持靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)。那么杠桿的平衡是什么狀態(tài)呢？就是杠桿靜止不轉(zhuǎn)或者勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，不過(guò)一般在說(shuō)杠桿平衡的時(shí)候，都是指靜止不轉(zhuǎn)這種情況。需要什么條件，杠桿才能保持平衡狀態(tài)呢？答案就是：動(dòng)力乘以動(dòng)力臂等于阻力乘以阻力臂。換句話說(shuō)，動(dòng)力臂是阻力臂的幾倍，那么，想要達(dá)到平衡的話，動(dòng)力就要是阻力的幾分之一。比方說(shuō)，動(dòng)力臂是阻力臂的兩倍，那么在平衡時(shí)，動(dòng)力就是阻力的二分之一。所以說(shuō)，想省力怎么辦？借助動(dòng)力臂大于阻力臂的杠桿。這種杠桿能讓我們用比較小的力來(lái)抗衡比較大的力，所以叫省力杠桿。但是你仔細(xì)觀察一下會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，動(dòng)力臂長(zhǎng)的時(shí)候，省力確實(shí)是省力了。但是你的手抓著杠桿繞了一大圈子，對(duì)應(yīng)的阻力那邊也只是劃過(guò)很小的一段。通俗地說(shuō)，雖然用的力小，但是這個(gè)力走過(guò)的距離可是變大了。所以，當(dāng)我們需要稍微動(dòng)動(dòng)手，就想讓杠桿另一端移動(dòng)較大的時(shí)候，就需要用到動(dòng)力臂小于阻力臂的杠桿。這種時(shí)候我們需要用較大的力才行。這種杠桿叫做費(fèi)力杠桿。那么，有沒(méi)有既能省力，又能省距離的杠桿呢？抱歉，沒(méi)有。不過(guò)，也有比較特殊的杠桿，它的動(dòng)力臂和阻力臂相等。比如天平就是這樣。這種叫做等臂杠桿。
還有一種簡(jiǎn)單機(jī)械叫做滑輪。在升旗的時(shí)候，旗桿上有一個(gè)可以繞著固定的軸轉(zhuǎn)動(dòng)的小輪，這個(gè)是定滑輪。因?yàn)樗妮S是固定不動(dòng)的，所以這個(gè)滑輪叫做定滑輪。定滑輪實(shí)質(zhì)上是一個(gè)等臂杠桿。所以它不能省力。但是它能幫我們改變力的方向。
我們?cè)賮?lái)改變一下。這次呢，我們把繩子的一段固定在高處，繞過(guò)一個(gè)滑輪后，提著繩子的另一端。滑輪的軸呢，這次我們不再固定它，但是把一個(gè)重物掛在這個(gè)軸上?，F(xiàn)在我們就得到了一個(gè)動(dòng)滑輪。我們提起這個(gè)重物的時(shí)候，會(huì)感覺(jué)省力了。當(dāng)然啦，手往上提一米，那重物只會(huì)上升半米。動(dòng)滑輪實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)力臂等于兩倍阻力臂的省力杠桿。不過(guò)，動(dòng)滑輪只能省一半的力，但是不能改變力的方向。
在實(shí)際工作中，人們經(jīng)常把動(dòng)滑輪和定滑輪組合起來(lái)使用，這個(gè)叫做滑輪組。使用滑輪組的時(shí)候，重物和動(dòng)滑輪的總重量由幾段繩子承擔(dān)，提起重物所用的力就是總重量的幾分之一。以上這些都忽略了滑輪和軸之間的摩擦，實(shí)際用的力會(huì)偏大一些。
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