文 /張虎崗著有《發(fā)現(xiàn)不一樣的物理》《挑戰(zhàn)壓軸題·中考物理·輕松入門篇》《初中物理是這樣學(xué)好的》等

本文為《什么是初中物理》系列第18篇

與動物相比，人類在體能上實在沒有什么可稱道的。

沒有老虎和獅子一樣鋒利的爪牙、沒有牛羊和鹿一樣堅硬的犄角，也沒有雄鷹一樣翱翔天空的翅膀、像大象一樣龐大的身軀，不能像鯊魚一樣在海洋里稱霸，奔跑的速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上獵豹，赤手空拳地單打獨斗沒有絲毫勝算。

但是人類有智慧的頭腦，從拿起石頭和木棒開始，源源不斷地制出各種各樣的機(jī)械來武裝自己。槍炮成為人進(jìn)攻的爪牙、飛機(jī)火箭成就了人的飛天夢、船艇讓人踏足海洋、汽車讓人能一日千里，這些復(fù)雜的機(jī)器都是由各種各樣的簡單機(jī)械組合而成的。

在初中物理，我們會學(xué)到的簡單機(jī)械可以分為兩大家族：杠桿和斜面。杠桿家族包括杠桿、滑輪、輪軸；斜面家族包括斜面、螺旋。

說起杠桿，就不由想起阿基米德的那句豪言壯語：“給我一個支點，我就能撬動地球?！?/span>

阿基米德的確有驕傲的資本。當(dāng)羅馬人攻打敘拉古時，阿基米德制作的拋石機(jī)、起重機(jī)給羅馬人造成了巨大傷亡。羅馬統(tǒng)帥馬塞拉斯甚至苦笑著說：“這是一場羅馬艦隊與阿基米德一人的戰(zhàn)爭?！?/span>

1971年尼加拉瓜發(fā)行了一套郵票：改變世界的10個公式。其中第3枚就是阿基米德發(fā)現(xiàn)的杠桿原理，也就初中物理中的“杠桿平衡條件”，如圖所示。郵票上畫著一個天平，旁邊寫著F₁X₁＝F₂X₂，其中F為作用力，X為力臂。在初中物理中，力臂L用表示，因此將這一公式寫作：F₁L₁＝F₂L₂。

要想搞清楚杠桿平衡條件F₁L₁＝F₂L₂的含義，首先要明白什么是杠桿？什么是杠桿平衡？

杠桿是指能繞著固定點轉(zhuǎn)動的硬棒。從杠桿定義的來看，只有同時滿足兩個條件才能稱之為杠桿，一是能繞著固定點轉(zhuǎn)動，二是硬棒。至于硬棒是不是直的，并無關(guān)系。另外，我們把硬棒繞著轉(zhuǎn)動的固定點叫做支點。

杠桿平衡狀態(tài)是指處于靜止?fàn)顟B(tài)或勻速轉(zhuǎn)動狀態(tài)。

然后，還要明白公式中各個物理量的含義。F1是動力，是使杠桿轉(zhuǎn)動的力；F2是阻力，是阻礙杠桿轉(zhuǎn)動的力。動力與阻力都是作用在杠桿上的力。L₁是動力臂，是支點到動力作用線的距離；L₂是阻力臂，從支點到阻力作用線的距離。需注意的是，力臂并不一定等于支點到力的作用點線的距離。

由此來看，F₁L₁＝F₂L₂可以用下面的文字表述：動力×動力臂＝阻力×阻力臂。

從F₁L₁＝F₂L₂也可以得出，當(dāng)L₁＞L₂時，F₁＜F₂，這樣的杠桿使用起來比較省力，叫做省力杠桿。撬棒、鍘刀、起釘錘等等都屬于省力杠桿。

現(xiàn)在我們再來看看阿基米德的豪言壯語。從理論上說，只要阿基米德能找到一根足夠長足夠硬的棍子，再在宇宙中找到一個支點，使動力臂足夠長，阻力臂足夠短，還是有希望做到的。

如果L₁＜L₂呢？當(dāng)然結(jié)果是F₁＞F₂，因此這類杠桿叫做費力杠桿。

俗話說，費力不討好。這樣的杠桿還有存在的必要嗎？

非常有！因為使用這類杠桿能省距離。理論上說，你動力是阻力的幾倍，要達(dá)到目的就只需移動幾分之一的距離，這使得你的動作非常靈活。鑷子、筷子，甚至你端起茶杯時的前臂，都是費力杠桿。

省力杠桿則恰恰相反，省力會費距離。從理論上說，動力是阻力的幾分之一，使用時要移動幾倍的距離。

要省力？還是要省距離？取決于你的需要。有得必有失，這真是魚與熊掌不可兼得呀！

還有一類杠桿的L₁＝L₂，因為它們的動力臂與阻力臂相等，所以叫做等臂杠桿。使用等臂杠桿既不省力，也不費力。

當(dāng)然，你或許還猜到了使用這類杠桿不能省距離，也不會費距離。

的確如此！但是你如果覺得這類杠桿是來湊數(shù)的，那就錯了。等臂杠桿也有它的用途，天平就是等臂杠桿，還有你坐過的蹺蹺板，以及定滑輪。

定滑輪是滑輪的一種，與它名字相對的是動滑輪。雖然它們名字看上去恰好相反，但是結(jié)構(gòu)就是一樣的，都是一個周邊有槽，并且能夠繞軸轉(zhuǎn)動的輪子。至于是哪種滑輪，取決于使用時的位置是否和被拉動的物體一起移動。

定滑輪在工作時，軸固定不動，輪子繞著軸心轉(zhuǎn)動，如圖所示；動滑輪在工作時，輪子繞著相切的一點轉(zhuǎn)動，它的位置隨物體一起移動，如圖所示。

從圖示分析可以看出，定滑輪實際是一個等臂杠桿，動滑輪的動力臂是阻力臂的2倍（拉力作用線與阻力作用線平行時）。因此，使用定滑輪不能省力，也不能省距離，但是可以改變拉力的方向，也就是說你向下拉繩子就可以把物體提上去，想想升旗時情景就知道了。旗桿的頂部就有一個定滑輪。使用動滑輪最多可以省一半的力，但是要費一倍的距離，并且也能改變拉力的方向。也就是說，你要使物體升高1m，就要把繩子向上拉2m。

使用定滑輪，能改變力的方向卻不能省力；使用動滑輪，能省力卻不能改變力的方向。如果既想省力，又想改變力的方向，那該怎么辦呢？

可以將定滑輪與動滑輪結(jié)合在一起組成滑輪組。在這個滑輪組中，動滑輪負(fù)責(zé)省力，定滑輪負(fù)責(zé)改變力的方向。

噫！寸有所長，尺有所短，我們不能總盯著別的缺點，更要看到別人的長處。在學(xué)習(xí)、工作中，更要學(xué)會合作，就像定滑輪與動滑輪組成了滑輪組，優(yōu)勢互補，實現(xiàn)雙贏。

輪軸，人如其名，由輪和軸組成，它們固定在一起繞著同一軸線轉(zhuǎn)動。因此，可以把輪軸看作一個可以連續(xù)轉(zhuǎn)動的杠桿。為了省力，使用時動力作用在輪上，阻力作用在軸上，那么輪半徑是軸半徑的幾倍，動力就是阻力的幾分之一。

比起滑輪，輪軸要生活中更為常見。螺絲刀、汽車方向盤、門把手、水龍頭的旋鈕，等等實質(zhì)上都是輪軸，只不過有的已知把輪簡化成了“臂”。

斜面是簡單機(jī)械的另一個家族的代表。如果你知道什么是水平面，也就不難理解什么是斜面了。只要你有一塊木板，把一端墊高，瞬間就可以搭建出一個斜面。幼兒園里小朋友們喜歡的滑梯、上房的梯子，還有樓梯，都是斜面，只是有的面沒有那么平，甚至把面給“鏤空”了。

使用杠桿，可以省力，也可以費力。就算是動滑輪和輪軸，如果把動力作用在軸上，阻力作用在輪上，也一樣費力。但是，使用斜面總是會省力。想一想上樓梯總比爬樹更容易你就明白了。

在生活你也一定過這樣的體驗，斜坡越緩（即與水平面夾角越?。?，走上去越輕松。但是這也帶來另一個問題，會增加斜長。一方面這會增大需要的空間，另一方面條件也不請允許。比如，山路。為了解決這個問題，人們把山路做迂回盤旋的，這相當(dāng)于增長了斜面的長度。

木螺絲也是一樣，把它上面的螺紋“拉直”了也一個斜面。

像盤山公路、木螺絲這樣的，可以看成是繞在圓柱上的斜面，我們把這類特殊的斜面叫做螺旋。

與杠桿家族一樣，斜面家族這些成員雖然在使用時可以省力，但也同樣付出了費距離的代價。

省力的代價，就是費距離。

凡為機(jī)械，概莫能外。