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力学与固定关系的研究

力的存在,影响着我们的生活,我们的生活离不开力。力是我们物理学学科中,一个举足轻重的研究性课题。力是这个世界的基础。今天我就带大家走进力的世界,用生活去揭开力学的神秘面纱。

         我们可以想象出一个没有任何力存在的世界。如果没有了重力,苹果还会落地吗?如果没有了摩擦力,汽车还会停止吗?如果没有了力的相互作用,地喷式火箭还会升空吗?没有力的世界,我们可想而知。让我们本着一颗执著热爱科学的心,一双善于发现的眼睛,携手探索力学与固定的关系。

          [摘 要]力的条件与固定的关系;力的大小与固定的关系;力的存在与固定的关系;拉力对固定的影响。

          [正文]在一个非常偶然的机会里,我发现了一个现象:一个竹竿在四个放向都受到力的作用下,竟能保持固定状态。于是,我对此产生了一系列的思考,“为什么那个竹竿不会倾倒呢?”“究竟是什么保持了竹竿的固定状态呢?”“如果只有三个方向受到了力的作用,竹竿还能保持固定状态吗?”

          对于这些问题,我们可以这样去理解:一步一步去分析竹竿各部分所受到的几个重要的力,然后去各个击破。(1)竹竿的底部受到的哪个比较重要的力的作用?在这个现象中,研究的是力和固定的关系,所以,我们应该排除竹竿嵌在土壤中的这种可能性(在实际现象中也没有)。如果说有这种可能性,那么我们的探索思路就可以到此结束了。但是我们今天的“四方受力与固定的关系”可没有那么简单。排除以上“竹竿嵌于土”这种可能性后,我们可以对竹竿的末端进行力学受力分析。我们可以从受力分析中得出一个重要的力———摩擦力。我们可以想象一下,如果人的脚底和地面之间缺少一个阻碍相对运动的力,那么就会产生一个怎么样的后果呢?是不是我们连走路也走不好啊?一旦走起路来,就会因为没有摩擦力而滑倒。那么这样一来,一样的道理,如果竹竿末端缺少了这个摩擦力,那么竹竿的底部就会滑倒,那么这样一来,竹竿的底部就无法固定了。由此可得,摩擦力的产生有助于与另一个物体接触发生摩擦那个面的那端的固定。(2)在该现象中,竹竿会间接地受到来自四个不同方向的拉力,这四个方向的拉力并不是直接作用在竹竿上的。而是通过四方固定点将拉力作用在四条绳子上。然后,再通过这四条绳子将拉力作用在竹竿的同一个固定点上。那么为什么要作用在同一个固定点上呢?那就让我来向大家解释一下这样做的原因:假设有两根绳子和一个样,受力情况与上述基本相同,除了那个固定点,分别为首端和末端的两个固定点,两绳分别拴在这两个固定点上,力的来源方向相反,所以竹竿固定点上的受力方向也是相反的。在这种情况下,在力源的固定点上施加拉力。由于力源的方向是相反的,当施加拉力时,两端固定点受到来自不同方向的力的作用,就会产生与力相对应的运动,竹竿就会发生偏转并且倾斜,最终竹竿与绳子成一条直线。因为将四个不同方向的绳子栓在同一个固定点上,也是至关重要的。在一定限度内,在四个方向的力源上施加拉力,使拉力最终作用在这个固定点上。由于对固定的来自力源的间接拉力是固定在某个位置上的,所以她不会受到力的大小等力的内部因素的制约。所以说来自各个方向的拉力的大小是相等的,当然也排除风种外界的因素的影响。那么假设,东边力源的间接拉力作用在固定点上,且西边没有力的作用,竹竿就会向东面偏转,倾斜,由于南北两面也受到了来自方向力源的间接拉力,所以他的倾斜的角度就要小一点,如果只有受到了一根绳子的拉力,那么竹竿就会直接倒下地去。然而西面也有一个间接拉力作用在那个固定点上,而且它们的力的大小是相等的,那么在东西方向,来自两个方向的力相互抵消,会使竹竿处在东西方向的静止状态。东面和西面,南面和北面,方向对应的间接拉力相互抵消,则使这根竹竿处于静止的固定状态。由此分析,我们可以得到这样一个推断:在没有任何外界阻碍因素影响下,物体是否处于静止和固定状态,有两个重要的因素在影响,(1)其底部(末端)所受到的摩擦力。(2)其顶部(首端)受到来自四个方向不同,但是又两两对应的方向所作用的间接拉力。所以说拉力对固定的影响是很大的,但是这必须是建立在拉力两两对应的基础上的。同时上述推理也表明了不同方向的拉力对物体固定的影响,如果力作用在同一个方向,就不能实现物体在力的作用状态下保持固定。

       根据以上的推理,我们可以得出结论,我们已经对这个结果做出了最初步的肯定。接下来我们就要进行下一项,更为深入的研究。根据以上结论可知:两个来自对应方向(东西,南北)的力,在二力平衡的条件下,两向平衡,就能使物体固定下来。接下来我们就来做一个反例推理,来验证这个结论。最终的目的就是为了研究力的大小对固定状态的影响。如果依照我们生活经验来看,受到力的大小不相等的时候,怎么还可能保持固定状态呢?这的确是真的。但是你又是怎么知道的呢?那你有什么证据吗?所以我们每下一个结论,都先要想想,是不是建立在事实的基础上。我们必须一步步去假设和推理,再需事实的支持。我们在而力平衡的基础上,做出更深入的判断。不在使力与固定的关系的推理论证变得单一。假设在而力平衡的状态下,力源作用在固定点上的间接拉力,当然四个方向的拉力的大小是相等的,如果说,这间接拉力为200牛,当他们都是200牛的时候,物体(竹竿)保持了固定状态。那么我们去改变其中一个力的大小,那么竹竿将怎么变化呢?假设,西面的那个力源的方向固定点变化,用人力去拉,刚好人对绳子施加的拉力是10牛。那么我们就可以做出一定的判断了,10牛小于200牛,这就说明西面作用的间接拉力仍然保持在200牛,我们先试着改变一个量。这样一来,同样在没有任何外力的影响下进行,那么物体(竹竿)就会向东面倾倒。如果说,按照上一项推理,依据平衡原理,二力抵消的话,那就相当于,西面的拉力为0牛,东面的拉力经过抵消之后就变成了(200牛-10牛=190牛)了,然而两边还有200牛的拉力的支撑,所以竹竿不会完全倒在水平面上。一般人可能认为,东西两面的间接拉力抵消之后,就变成了190牛的间接拉力,但是他们没有意识到,抵消之后,西面还有一个0牛的无作用的间接拉力,然后,他们就会错误地认为,南北两边各有一个200牛的间接拉力,东西面加在一起有190牛的拉力,抵消之后的间接拉力就为(200-190=10牛),他们之间不过相差只有10牛罢了,于是就做出了错误的判断,认为这也将保持固定状态。其实他们漏想了一步,200牛的间接拉力是南北两面各自的间接拉力。但是190牛,单单只是东西两面抵消后东面的间接拉力,而西面的间接拉力已经抵消成0牛了,所以说,无论如何东西两面都不能保持物体的固定状态。如果说,要用抵消间接拉力的方式来保持物体的固定状态,那么那个对应方向的间接拉力就必须相等,或者说非常地接近。就拿那个200牛的对应力来说吧,两个对应方向的间接拉力皆为200牛,抵消之后,间接力就变成了0牛,就好象在固定状态下,已经没有了力作用在竹竿上了。反正一点,抵消之后,两值差越近,他的倾斜角度就会越小。从以上关于力的大小与固定关系的推理中,我们得出新目标结论:两对应方向,间接拉力值抵消,值差越小,越能保持固定状态。

      杠杆轻撬,一个世界从此转动;王冠潜底,一条定理浮出水面。苹果落地,人类飞向太空;蝴蝶振羽,风云为之色变。三棱镜中折射出七色彩虹;大荒原上升腾起蘑菇烟尘。

      [后记]我们应该行动起来,把握住这个契机,挥舞“世界物理年”这面旗帜,肩负起光大物理学的历史重任,燃烧当代大学生火热的青春激情,积极地开展形式多样的宣传活动,增进公众对物理学的理解,向公众展示一个真实、严谨而不失美丽的物理世界!坚定对物理学的信念,追寻爱因斯坦的足迹,学习前辈物理学家不畏权威、坚持真理的科学精神,共同创造物理学光辉的未来!让我们用青春的激情书写历史的奇迹、点燃未来的希望,共同创造物理学的下一个辉煌!

    让我们共同热爱的物理照耀宇宙!

                                                         桐乡九中   张伟  版权所有        翻录必究,仅供学习分享。

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