书城科普读物物理多大点事
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第17章 想撬动地球的人

人们从远古时代起就使用杠杆,并且懂得巧妙地运用杠杆。在埃及建造金字塔的时候,奴隶们就用杠杆把沉重的石块往上撬。造船工人用杠杆在船上架设桅杆。人们使用汲水吊杆(一种带平衡锤的杠杆)从井里取水。罗马人把货物挂在精工制造的杠杆秤(杆秤)上秤。另外,古时候的船都是用桨来划动的,并且用舵来操纵,而桨和舵也都是杠杆。

古代的技术家们都知道,凭借这些简单的机械,就可以用很小的力量推动很大的重量。但是杠杆为什么能做到这一点,却没有人能解释。至于哲学家们在谈起这个问题的时候,就一口咬定说,关键就在于圆的“魔性”上,因为杠杆的两端在工作的时候是沿着圆弧运动的。阿基米德却不乱说什么圆的“魔性”。他懂得:自然界里的种种现象,总有自然的原因来解释。杠杆作用也有它自然的原因,他想把这样的解释找出来。

最简单的杠杆是一条金属的或木质的直棍。如果把它在中点上支持起来,它就能保持平衡。当我们在杠杆的两端挂上同样重的物体的时候,平衡仍旧保持不变。但是假如在杠杆的一端挂上一个较重的物体,而在另一端挂上一个较轻的物体,那么杠杆就要失去平衡:它的一个臂就要下沉,另一个臂就要上升。想要恢复平衡,就必须把支点向较重的物体那边移动。阿基米德懂得,两个物体的总重量好像集中在枉杆的某一点上似的。如果把杠杆在这一点上支起来,杠杆就能保持平衡。阿基米德把这一点叫做重心。

后来,阿基米德确立了杠杆的平衡定律:“力臂和力(重量)成反比例”。按句话说,小重量是大重量的多少分之一重,长力臂就应当是短力臂的多少倍长。假设杠杆的一个力臂是20厘米长,另一个力臂有它五倍长,就是100厘米长。那未,如果在短力臂上挂上5千克,在长力臂上只要挂上1千克,杠杆就能保持平衡。

这个规则也可以用另外一种说法来表达:“每边的力臂的长度和这力臂所受的力的乘积是相等的”。例如,就我们前面所取的杠杆的力臂长度和重量来说,就有:5×20=1×100.

另一方面,如果我们用手握着杠杆的长臂向下按,那么我们的手在空中画出的路径,却比短力臂的末端所画出的路径长。杠杆的两端所走过的路径,也是和力成反比例的。假如长力臂的末端走过了半米的距离,那末短力臂的末端就只走10厘米的距离。在用力方面省五倍,在所走的距离上就反过来费五倍。

阿基米德确立了杠杆定律以后,就推断说,只要能够取得适当的杠杆长度,任何重量都可以用很小的力量举起来。据说他曾经说过这样的豪言壮话:“给我一个支点,我就能撬起地球!”这句话,成为代表着阿基米德的性格和自信心的一句名言,随同着阿基米德的名字,一直流传到今天。

科学小链接

杠杆原理的运用

杠杆原理亦称“杠杆平衡条件”。杠杆原理在日常生产生活中运用广泛,例如剪刀、启瓶器、撬棒、天平(平衡)、跷跷板(平衡),还有人的骨骼、羊角锤、镊子(费力)、钓鱼竿(费力)、指甲刀等。