书城科普读物运用物理学原理解读生活现象
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第6章 功和机械给生活带来的作用

一、肩挑背负是“劳而无功”吗?

大家都见过挑菜进城的农民,他们吃力地走着,累得汗流浃背;也见过上山打柴的人;或是搬家,向楼上运送重物时步履艰辛的情景,也往往气喘吁吁,累得够呛。你可曾知道,从某种意义来讲,他们并未做功,也就是说“劳而无功”,你也许会困惑不解地说:这岂不冤枉煞人?这里面的蹊跷何在呢?

原来科学技术上的功,是有严格规定的,这在物理学里有明确的含义。上面所说的肩挑背负只是日常生活中所说的劳动或工作,物理学里规定的功来源于实践中的劳动或工作,但并不等同于它们。

物理学中的功包含两方面的因素:一个是力,另一个是距离(或路程)。只有当物体在力的作用下,并且沿力的方向移动了一段距离,才叫做力对物体做了功(或说某物体对这个物体做了功)。比如说,我们用力提起水桶,人对水桶施加向上的力,并使水桶上升了一定高度。因此,可以说人对水桶做了功。

功的两个因素缺一不可。比如人提着水桶不动,尽管人给水桶施加向上的力,但水桶并未在力的方向上移动距离,因此人并未对水桶做功。再如,在平路上挑东西的人,虽然付出很大的力气,但是力是垂直向上的,而挑东西的人走的路程却是沿水平方向的。显然,按功的定义,人确实没有做功。不过应注意的是,我们在这里假定人挑东西只沿水平方向移动。但是,实际上在肩挑背负的过程中,物体在竖直和水平方向分别有力的作用,并且在力的方向上总是有运动的。因此,确切地说人对物体还是做了功,只不过做功很小而已,在一般情况下忽略不计。所以,说肩挑背负是劳而少功更确切些。然而一般说肩挑背负是“劳而无功”还是有其特定含义的,正如古语云:“顶着石臼做戏,费力不讨好。”

二、生活中的势能你懂吗?

当你搬石头或砖头不小心掉在脚上,就会疼痛难忍,甚至嗷嗷直叫,什么原因呢?这是由于落在脚上的重物对脚做功的结果,说明处在高处的物体具有某种形式的能量。

在建筑工地上,工人用夯砸实地面。从高处落下的石头,能把地面砸个坑,这也是石头对地面做功的结果,因此高处的石头也具有能量。

总之,物体由于和地球的相对位置发生变化而具有的能量,叫做重力势能。重力势能E势可以表示为E势=mgh。

其中m为物体的质量,g为重力加速度,h表示物体至地面的高度。

在生产和生活实践中,重力势能的应用是相当广泛的。比如水力发电,就是利用水的重力势能。李白有句名诗叫做“君不见,黄河之水天上来,奔流到海不复回”。由于黄河发源地的地势很高,具有很大的重力势能,有汹涌澎湃之势,任何险阻也奈何不得。人们因势利导,在上游筑起拦河坝,安上水轮机,让水的重力势能转化成动能,推动水轮机旋转,就可以使发电机发出强大的廉价电流。三门峡发电站便是其中的一座。

当人们骑自行车顺坡而下时,不用踩脚蹬子,车轮也能飞快地旋转,这也是利用自行车和人身体的重力势能转化成动能的结果。

势能还有另外一种形式,它也有广泛而重要的应用。比如,无论挂钟、闹钟还是手表,总是日日夜夜,成年累月,嘀嘀答答地走个不停。它们之所以不停地做功,秘密就在于钟表里有一根发条,俗称弦。一般钟表每昼夜要上一次弦,就是把发条旋紧,从而把能量贮存起来,发条慢慢变松,贮存的能量也被慢慢地释放出来,以克服钟表机件的阻力做功。

发条的能量是发条变形而产生的。物体由于各部分之间发生变形而具有的能量,叫做弹性势能。实验证明,物体的弹性势能和它的伸缩长度的平方成正比,写成公式就是:

E势=12KX2。

其中K是弹性材料的倔强系数,X是弹性体的伸缩长度。

不但固体变形有弹性势能,气体被压缩时也有弹性势能。比如汽车、火车上的空气刹车,采煤和挖沟时用的风镐等等,都是利用压缩空气的弹性势能来做功的。

综上所述,重力势能和弹性势能统称势能,动能和势能之和又称为机械能。我们经常和机械能打交道,只有正确地理解它的含义,才能恰当地运用它来分析和解决实际问题。

三、熊“自杀”之谜

一只熊看到树上有一个蜂房,就顺着树干爬上去。半路上遇到一段悬木挡住去路。熊嫌碍事,用力把悬木推开了,不料悬木又马上摆了回来,熊还未来得及爬就被打了一下。这一来可把熊激怒了,它又使劲地把悬木推了一下,结果摆回来的悬木又重重地打了熊一下。熊狂怒地向外推开悬木,可是它推得越用力,悬木摆得越高,摆回来时熊被打得越重。就这样熊被折腾得筋疲力尽,最后实在支持不住了,不得已从树上摔下来,跌在事先布置好的尖尖的木桩上,被戳死了。

在熊自杀的过程中,先是熊利用自身肌肉伸缩的势能变成动能,使悬木升高;悬木升高时又把动能变成势能,然后势能又转变成动能,悬木的动能又消耗在它打熊做功的过程中。

再者,熊爬树是把肌肉收缩产生的弹性势能变成动能,升高后继而又变成重力势能。再掉下来戳死在木桩上,又是重力势能变成动能,然后消耗了动能,使熊克服本身和木桩的阻力而做功,从而使木桩深深地扎进了熊的体内使熊一命呜呼。在这过程中,动能和势能发生了多次转化,这就是机械能的转化。