浅谈力学原理在生活中的应用.doc

浅谈力学原理在生活中的应用摘要：物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维的自然学科。在现代，物理学已经成为自然学科中最基础的学科之一。其中，牛顿三大定律的提出，使人们正确认识了力与运动的关系。正如欧几里德的基本定理为现代几何学奠定了基础一样，牛顿三大运动定律为物理科学的建立提供了基本定理。三大定律的推出、地球引力的发现和微积分的创立使得牛顿成为过去过去一千年中最杰出的科学巨人。牛顿三大定律至今都是人们研究宏观低速运动物理问题的首选方法。本文将以汽车开动的问题为例，浅谈力学原理在生活中的应用。关键字：物理 力学 汽车制动 应用物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维的自然学科。在现代，物理学已经成为自然学科中最基础的学科之一。远古时代，燧人钻木取火，其基本原理正是摩擦生热原理，在热量积蓄到一定程度时就可以使木头与氧气发生剧烈反应产生火焰；在现代，人们利用电磁炉加热食物，其基本原理是电磁感应原理，利用形成涡流产生的热量为火锅供热；在力一定的条件下，接触面积越小，也强就越大，于是，人们使用锋利的刀切割物品；利用凸镜对光线的发散作用和成正立、缩小、虚像的特点，使看到的实物小，观察范围更大，而保证行车安全；根据液体压强的特点，液体压强与液体的深度成正比，所以大坝总是设计成下宽上窄的梯形；利用地球引力提供向心力，从而使人造卫星在地球上空做圆周运动；利用气流喷出时产生强大的冲量，从而完成火箭的发射纵观人类发展历程，物理学始终贯穿着人类文明史。小到个人生活的衣食住行，大到一个国家的科技国防事业，物理学已经渗透到社会生活的方方面面。十七世纪，牛顿在自然哲学的数学原理中提出了三大经典力学基本运动定律。牛顿三大定律的提出，向人们阐明了运动与力的关系，为牛顿经典力学奠定了基础，并在物理领域有着不可磨灭的地位，至今仍是人们解决宏观低速运动问题的首选方法。让我们先来看一道与生活密切相关的高中物理题：一辆轿车违章行驶，以108km/h的速度驶入左侧逆行车道时，发现前方80米出有一两卡车正以72km/h的速度迎面驶来。两车司机同时刹车，刹车加速度都是20m/s2。两车司机的反应时间（即司机发现险情到实施刹车所经历的时间）都为T。请T为多少是，才能保证两车不相撞？且不考虑这道题的答案，我们来分析一下这其中的物理过程。首先，轿车在道路上行驶。由于路面是粗糙的，车轮表面与地面有弹力作用且产生了相对运动，所以车轮与路面之间产生了滑动摩擦力f，方向与运动方向相反。牛顿在自然哲学中的数学原理一书中写道：“每个物体继续保持静止或延一直线做匀速运动的状态，除非有力加于其上迫使它改变这种状态。”这便是牛顿第一定理，也称为“惯性定律”。运动并不需要力去维持，只有当物体的运动状态（速度）发生变化，即产生加速度是，才需要力的作用。物体所以能保持静止火匀速直线运动，物体所以能保持静止或匀速直线运动，实在不受力的条件下，由物体本身的特性来巨鼎的。它阐明了力不是维系物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。行驶的轿车“以108km/h的速度驶入”，说明轿车在进行匀速直线运动。由牛顿第一定律可推知，因为汽车的速度没有改变，即加速度为零，所以此时汽车所受到的和外力必定为零。那么轿车如何在收到滑动摩擦力的情况下受合力为零呢？如图1所示，根据二力平衡的条件可推知，轿车此时必定还受到一个外力F，与摩擦力f大小相等，方向相反。这个力便是牵引力。由于车辆在行驶过程中会一直受到滑动摩擦力的作用，要使车辆一直保持运动状态，便要始终启动发动机，令发动机施与车辆牵引力。在汽车匀速行驶的过程中，正是利用了牛顿第一定律的原理，使汽车在不受和外力的情况下，加速度为零，从而没有改变汽车的运动状态，即速度。想让两车不相撞，便要让两车停止行驶。由直线运动的规律可知，Vt=V0+at。欲使车辆减速，必使之具有与运动方向反响的加速度。让我们再来看看两车的制动过程。牛顿在牛顿第二定律中阐述道：物体在受外力作用时，它所获得的加速度与外力的大小成正比，并与物体的质量成反比，即aF/m。写成等式，有F=km。在使用国际单位制的情况下，便有F=ma。汽车制动后，如图2所示，牵引力突然消失，汽车只受到滑动摩擦力f，方向与运动方向相反。根据牛二定律，在此情况下，汽车的加速度为a=f/m，其中m为汽车质量。根据直线运动的规律，易得汽车停下的时间为T=|V0/a|。其运动过程V-T图像如图3中a曲线所示。在实际的情况中，汽车制动后与地面之间并不一直是滑动摩擦力，而是先经历极短暂的相对静止过程。在此短暂的相对静止过程中，车轮与地面有相对运动的趋势，于是存在静摩擦力。静摩擦力逐渐增大，达到最大静摩擦力时，车轮与地面之间开始相对滑动。怎样才能使刹车的效果达到最佳呢？由于最大静摩擦力总是略大于滑动摩擦力，则最大静摩擦力下的加速度a静=f静/mf/m。其运动过程V-T图像如图3中b曲线所示。由图像可知，汽车静止下来所需的时间TT。所以，在现实情况中，有经验的司机往往不会一刹到底至轮胎“抱死”，而是不断的重复“制动放松制动”的过程。这就是俗称的“点刹”。即先刹车使车轮停止转动，车子与地面经历了短暂的相对静止过程，又开始相对滑动时，逐渐松开刹车。之后又重复上述的过程。“点刹”一方面可以防止轮胎侧滑产生甩尾甚至侧翻失控等后果，另一方面充分利用了静摩擦力，使刹车效果达到最佳。现在的骑车大多数都有ABS防抱死系统。ABS的原理相当于人工制造点刹，不过这种点刹技术更高频率更快。刹车的过程正是利用了牛顿第二定律的原理，施与阻力使汽车获得了与运动方向相反的加速度。又因为加速度与和外力成正比，所以，施与较大的外力，就会获得较大的加速度。牛顿第二定律在运动学中有重要的应用，牛顿第二定律的数学表达式也是质点动力学的基本方程。当然，牛顿第一、第二定律在生活之中的应用绝不仅限于此。根据牛顿第二定律的指导，若要使物体加速，则要使物体具有与运动方向相同的加速度，即合理方向与运动方向相同。于是在汽车受到阻力从静止启动或者由匀速加速的情况中，便要施与物体比阻力f更大的牵引力，方向与f相反。跳伞表演时，跳伞员在刚从飞架上跳下时，降落伞未打开。由于高空空气稀薄，所以可以把跳伞员刚跳下一段时间内的运动看作自由落体运动。由于把跳伞员此段时间内受力看为仅受重力，根据牛顿第二定律，便易知跳伞员的加速度为a=G/m=g为定值。经历了时间t后，达到速度V=gt。此时打开降落伞，开伞后受到空气阻力，阻力与速度平方成正比。开始时由于重力大于阻力，根据牛二定律，跳伞员受到合力向下，继续产生向下的加速度，做加速运动。随着速度的增加，跳伞员受到的阻力越来越大。假设可以在落地之前达到阻力等于重力的瞬间，则此时和外力等于零。根据牛顿第一定律，由于和外力为零，所以物体的运动状态不发生改变。所以跳伞员会以匀速状态落地。那么在跳伞表演中，跳伞员就可以根据牛顿第一、第二定律的指导，确定下落的高度和打开降落伞的时间，以避免发生意外。牛顿在自然哲学的数学原理中还提出了牛顿第三定律：两物体1、2相互作用时，作用力与反作用力大小相等、方向相反，并在同一直线上。牛顿的三大运动定律构成了物理学和工程学的基础。正如欧几里德的基本定理为现代几何学奠定了基础一样，牛顿三大运动定律为物理科学的建立提供了基本定理。三大定律的推出、地球引力的发