第6章 有趣的力学(5)
【物理碰碰车】
“无人之地”变“潘多拉星球”
作为一名热爱潜水运动的人，卡梅隆拍摄完《阿凡达》之后，挑战了马里亚纳海沟，他下潜到了10898米的地方。在这之前只有唐·瓦尔什和雅克·皮卡尔曾经到达过这里，但是敢于只身潜入万米海底的，卡梅隆还是第一个。
他所乘坐的潜水装置高7.3米，驾驶舱的宽度仅1.1米，承压钢板有6.4厘米厚。不过，原定6小时的旅程，由于潜艇漏油而缩短到3个小时。但是卡梅隆透露，如果拍摄《阿凡达2》，他在马里亚纳海沟中看到的一切都会成为《阿凡达2》的素材，这片万米深处的无人之地，也许未来会变成未来大银幕上的“潘多拉星球”，到时候我们不用潜水就可以看到1万米以下的世界了。
比大象还可怕的高跟鞋
在力气相同的情况下，针能够轻易穿透厚厚的绒布和纸板，而头部同样很尖的钝钉子却很难做到这一点，有时候加大力气，钉子也没有跟办法透过纸板。这是怎么回事呢？要回答这个问题，我们首先要了解一个词：压强。
压强表示物体单位面积上所受力的大小的物理量，它与受力面积成反比，与压力成正比。所以，同样的力量分别用在针和钉子上，和针接触的受力面积肯定要比钉子的小得多。针尖产生的压强要比钉子产生的压强大得多，因此针尖能够轻松地穿透绒布，而钝钉却不能那般轻松。
经过这样的分析，我们就应该意识到，在考虑力的作用时，既要考虑力的大小，也要考虑受力面积的大小，同样的力作用在1平方厘米的地方，跟作用在1/100平方毫米上产生的效果肯定不同。
清清和小玲对上面这个原理理解得非常清楚，原因就要从她们坐公交车上学说起了。这天清清和小玲像往常一样坐公交车去上学。那天公交车上人非常多，人跟人都挤在一起。清清和小玲分别站在两个年轻的女性身后。这两个女性，差不多胖瘦，但是一个穿的是高跟鞋，一个是柔软的雪地靴。忽然汽车一个急刹车，这两位女性都没有站稳，分别踩了清清和小玲。清清被“高跟鞋”跺了一脚，疼得龇牙咧嘴，嘴里叫着：“好疼啊！”小玲则好像没事人一样，还嘲笑清清柔弱。到了学校之后，清清的脚还在疼，脱鞋一看，脚趾头已经变青了。清清和小玲都很奇怪，这俩人差不多重，都是踩了我们一脚，怎么受伤情况差这么多呢？直到她们学习了压力和压强的关系，这个问题猜得到了解决。大家能否用压强的观点来解释一下这个现象呢？
如果受力面积够大的话，即使是大象踩到了我们的身体，大家也不会受伤；但是如果受力面积很小，比如尖细的高跟，即使所受的力不大，大家也可能会因为压强过大而受伤。幸运的是，这世界上没有穿着高跟鞋的大象，否则它一定是让世人为之震颤的超级霸主！
【物理碰碰车】
黄蜂的强大力量
黄蜂蜇人的时候非常疼，这不仅是因为刺中带有毒液，更多的是因为它的刺所产生的压强非常大。黄蜂的刺比人们想象中锋利好几倍。人造器械中，即使是再锋利的设备也要比黄蜂刺钝很多。
显微镜下的黄蜂刺尖而光滑，没有任何凸起物。再用超显微镜观察，我们看到的刺是山峰一样的形状。而超显微镜下的刀刃，看起来就像锯子或山脉。这样比较起来，黄蜂的刺要比剃刀锋利许多。所以，黄蜂在蜇人的时候，即使用力不大，也会让人感觉十分疼痛。
撬起地球的妙计：杠杆的故事
阿基米德的狂言
阿基米德不仅是个理论家，也是个实践家，他一生热衷于将自己的科学发现与实践结合起来。在埃及，公元前1500年左右，就有人用杠杆来抬起重物，不过当时的人们并不知道它的道理。阿基米德潜心研究了这个现象，最终发现了杠杆原理。当时的国王为埃及的国王制造了一条船，体积非常大，重量也很大，因为不能挪动，所以搁浅在海岸上很多天。阿基米德设计了一套很复杂的杠杆滑轮系统安在船上，然后把绳索的一端交到国王手上。国王轻轻地拉了一下绳索，奇迹突然出现，大船缓缓地移动起来，并最终进入海里。国王对这件事情感到非常惊讶，对阿基米德也更加佩服，还让人贴出告示说“今后不管阿基米德说什么，大家都要相信他。”
阿基米德曾经说过这样的狂言：“假如给我一个支点，我就能推动地球。” 在他的眼里，只要把外力施加到杠杆的长臂上，将短臂作用于物体，就能撬动任何重量的东西，因此他认为撬动地球对他来说并不是什么难事。但是他忽略了地球的质量，即使我们能够找到一根足够长的杠杆，以地球的重量来说，要翘起1厘米的高度也需要三十万亿年。即使阿基米德的手动得像光速那么快，他也至少需要十几万年的时间才能实现自己撬动地球的豪言壮语。
不过你可千万不要因此认为阿基米德是骗子，虽然他确实无法撬动地球，但他发现的杠杆原理却对人类的确是非常有用的。下面，来认识三种杠杆类型吧。
支点在动力点和阻力点之间的杠杆，称为第一类杠杆。由于动力点和阻力点在支点的两侧，因此这类杠杆可以调节两个力并使它们保持平衡，典型例子是天平。当然，小孩子爱玩的跷跷板也是第一类杠杆的一种。
阻力点在动力点和支点之间的是第二类杠杆。很明显，这类杠杆的动力臂长于阻力臂，所以可以用较小的力来撬动较大的物体，属省力杠杆。核桃夹子就属于第二类杠杆，此外，门、跳水板等也属于这类杠杆。
第三类杠杆是动力点在支点和阻力点之间的，称为第三类杠杆。跟上一个相反，这类杠杆的动力臂比阻力臂短，是费力杠杆，但却能节省距离。像镊子、钳子、筷子等短小的工具，就属于这类杠杆。虽说用起来费力，但却能帮人们完成很多精细工作。
【物理碰碰车】
什么是杠杆
在力的作用下，围绕固定点转动的坚硬物体叫杠杆。它的妙处在于可以让我们用较小的力抬起很重的物体。
你一定熟悉这些东西：打孔用的打孔机、订书机、筷子，钉钉子的榔头，捕鱼的鱼竿等。这都是常见工具，它们都是根据杠杆原理制造出来的，你能找出它们各自的支点以及动力臂和阻力臂吗？
四两真能拨千斤
“四两拨千斤”是一种神奇的招式，就是可以用很少的力量战胜力大无比的人，不过这种功夫似乎只出现在虚幻的武侠小说中，现实生活中有没有“四两拨千斤”这样的妙招呢？
其实，经常出现在我们生活中的秤就是“四两拨千斤”的高手，想练成这样的绝活，首先要掌握的就是“杠杆原理”。
这天，正在上小学的君君、琪琪、玲玲正坐在实验室里完成老师布置的实验题。上周，他们刚刚学习了杠杆原理，知道了如何用杆秤称出物体的重力。他们先拿来一本大书，称出它是2.4千克，一会儿又称出一只小猫是1.8千克。不过，这只是这些物体的重量，要想知道这些它们所受的重力，还要乘以9.8牛顿/千克。
做完老师布置的作业，君君的目光转向了实验室外边的大石头。
“能称院子里那块大石头吗？”君君问。
“这里的秤最多才称10千克，看样子称不起来。”琪琪回答。
“大石头接近长方体，量出长、宽、高，算出体积。每立方米的石头质量是2.5吨，再用体积乘以密度就可以知道它的质量了。”玲玲脑子很快。
君君、琪琪都点头称是，可是很快君君就提出了不同意见：“不同的石头密度不同，我们没法确定这块石头的密度啊！”
“那怎么办？”
“杠杆原理。刚才咱们用不到1千克的秤砣称起了10千克的大东西。咱们可以再用一次杠杆原理啊？”
君君说出这个思路之后，琪琪和玲玲的好奇心马上就被调动起来了，他们找来一根2米左右粗细均匀的铁棍、几根绳子，又喊了几个大人来帮忙。
他们先用绳子把大石头拴好之后，把它挂在铁棍中央。几个人在紧靠铁棍中央5厘米的地方，用绳子拴了个套，两个大人用棍抬起来；在铁棍的另一头，也用绳子拴个套，一个大人用杆秤钩住。君君喊一声：“起！”杆秤称出是10千克整。
“放！好了，我们能算出大石块的质量了。”君君说。
“以两个大人抬的地方为支点，”琪琪很快列出杠杆公式：
石重×5厘米＝10千克×(100+5)厘米
根绝这个公式，他们算出石头重210千克。
“不对！”玲玲忽然说，“石头的重量不是210千克。”
“我算错了？”琪琪疑惑地说。
“没算错，但没算完。”经玲玲一提醒，君君也立刻悟出道理，看到琪琪疑惑的表情，君君补充了一句：“还没去掉铁棍的重量呢！”
听到这里，琪琪恍然大悟，他们马上称出了铁棍重7千克。
“那么，石头的重量是203千克！”终于算出了结果，三个人异口同声地欢呼起来！
下次遇到类似的事情，你准备好使用“四两拨千斤”大法了吗？
【物理碰碰车】
杠杆的平衡条件
想要利用杠杆原理计算某个力的大小，首先要让杠杆达到平衡状态。杠杆达到平衡的时候要满足的条件是：
动力×动力臂=阻力×阻力臂
那么什么是动力臂和阻力臂呢？从支点到力的作用方向的距离叫做“力臂”，其中，从支点到动力作用线的距离叫“动力臂”；从支点到阻力的作用线的距离叫作“阻力臂”。
咱们身体中的杠杆
人体内也有杠杆？不会吧？这当然是真的！下面我们就寻找一下体内的杠杆。
小红和小明是物理小组的成员，这天他们按照老师的要求寻找身体内的杠杆。正当小红托着腮冥思苦想时，小明忽然哈哈地笑了起来：“小红，我已经找到一个杠杆了！”“在哪呢？”“你的脑袋。”看着小明滑稽的样子，小红很生气地说：“赶紧找，别开玩笑了！”
这时候小明一本正经地说：“我没开玩笑。”说完就详细地给小红分析起来。原来人点一下头或者抬一下头都是靠杠杆的作用，我们的头这个杠杆的支点是脊柱，这个支点的前后都有肌肉，这些肌肉配合起来，有的收缩有的拉长，就形成了低头和抬头。
说到这里，小明的发现启发了小红，她也发现了一个新的杠杆，那就是手臂。她说当手肘弯曲把重物举起来的时候，手臂也是一个杠杆。这个时候肘关节是支点，支点左右都有肌肉相连。这种杠杆是个费力杠杆，每当举起一份重量，肌肉要花费6倍的力气，不过虽然费力，但是却可以节省距离。
接着小红又说：“当我们把脚尖翘起来时，脚尖是支点，脚跟后面的肌肉在起作用，这是一个省力杠杆，因为肌肉的拉力比体重要小，脚越大越省力。 ”
看了小红和小明的发现，你能不能找到我们身体内的其他杠杆呢？虽然说人体内的杠杆大多数属于费力杠杆，但正是因为有了它们，我们的身体才能协调运动哦！
【物理碰碰车】
变形的杠杆
滑轮是杠杆的变形，属于杠杆类机械。早在公元前388年，墨子和他的弟子所著的《墨经》中就有关于滑轮的记载。中心轴固定的滑轮叫定滑轮，是等臂杠杆的变形，不能省力但可以改变力的作用方向。中心轴跟重物一起移动的叫动滑轮，是不等臂杠杆的变形，可以节省一半力，但不能改变力的方向。实际生活中工程师常把一定数量的动滑轮和定滑轮组合成滑轮组，这样既可以省力也可以改变力的方向。
“疯跑”也得守规矩：牛顿三大定律
满世界疯跑的“力”
除了我们前面介绍的几种力之外，弹力也是力学世界中的贵族。与其他的力一样，它也经常化了妆之后去为难参加考试的小朋友们，偶尔也会扮演杀手去做坏事。
曾经两次获得奥林匹克马拉松冠军的埃塞俄比亚选手阿贝贝遭遇了一次车祸之后，只能在轮椅上生活。有一次他受邀去拜访一位世界著名的画家，这画家也是坐在轮椅上的残疾人。
画家住在伦敦郊外的古城堡里，阿贝贝与使馆的人员一起前往。秘书出来迎接之后，还用电
话与画家所在的四楼进行联系。画家客气地说：“请阿贝贝先生用茶，我这就乘电梯下来。”
当电梯下到一楼时，所有的来客都惊呆了。画家坐在轮椅上奄奄一息，脖子上刺着一把短剑，剑柄上是一根很粗的橡皮筋。他们赶紧把画家推出来放置好。
“奇怪，画室里只有画家一个人啊！”秘书还告诉阿贝贝和使馆工作人员说，除了电梯，楼里还有一个螺旋楼梯。“我们上去看看。”阿贝贝坐着轮椅进入电梯，画家秘书则领着使馆人员由螺旋楼梯上去。他们在四楼会合之后，没发现可疑的地方。
“我去看看电梯上下经过的竖道里是不是有异常情况。”秘书悲伤地说。使馆人员报警后也跟了上去，却找不到秘书了。这时候阿贝贝忽然想起那把剑以及上面的橡皮筋，还有电梯顶棚上的通风口，便对警察说：“那个秘书就是杀人犯！”
阿贝贝说，秘书一直觊觎画家的成果，他想利用这次我们来访之机，嫁祸于人，就预先在楼顶拴了一根又粗又长的橡皮筋，这橡皮筋下端拴了一把短剑，通过电梯上面的通风口悬挂在电梯里。画家乘电梯时，因为是坐轮椅，他只能在电梯间的正中，也就是短剑的下方。当电梯下降时，短剑挡在电梯里，橡皮筋被拉长，短剑受到向上的拉力，压在电梯顶部。当橡皮筋的伸长远远超过弹性限度时，就会被拉断。这时，悬空的短剑就会落下刺中画家。
其实，除了弹力之外，我们生活的世界中任何地方都有“力”的身影，它们就像活泼的小孩，满世界乱跑，这里做点好事，那里干点坏事，无处不在，无时不在。放下手里的书，找找看你的周围都有哪些力在调皮。