梅乐芝经理的科普文章 （一） (1/2)

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2a，比如跷跷板。图2b的杠杆，比如镊子。图2c的杠杆，比如核桃夹子。

选读：杠杆的作用效果计算：

如图3a，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3b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3b，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04米，左边的木棒才向上移动01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。

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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2abc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15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？

2木棒在那个地方的受力是最大的？

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。

4乒乓球和羽毛球，需要发力时都是手腕用力，这样打出去的球速度才快。

5人的身体充满了各种杠杆。仰卧起坐，腹肌带动上半躯干运动，组成杠杆系统。后蹬跑，跟腱和脚掌、大腿肌肉和膝盖都组成了杠杆系统。咀嚼时，感受下颌的杠杆系统。仔细观察身体，究竟有多少杠杆系统。

6双截棍，和长棍、阿塔阿塔相比较，看看区别。少年大卫的武器，牧羊人投石子的装置，和赶马车人的鞭子的区别。

全书读完后，尝试一下问题：

1在杠杆计算时，忽略的木棒的重量。实际计算时，木棒的重量也要考虑在内，在图3a中，木棒每米重10斤，左边放置400斤物品，右边要放置多少斤才能撬动？

2如果支撑点支撑不住会发生什么情况？比如在图3a中，支撑点为大块的干土。左边放置400斤物品忽略木棒重量，在右边开始慢慢增加物品重量，当物品重量增加到50斤时，支撑的干土开始破碎。此刻，杠杆效果由图2a变成了图2b的模式，那么干土受力为多少？

3杠杆的组合，如何使用2个杠杆，使用100斤向上支撑力来撑住2500斤的物品？

4图3a和3b中，支撑点受力分别为多少？有条件的情况下，观