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力學(xué)與固定關(guān)系的研究
力的存在，影響著我們的生活，我們的生活離不開(kāi)力。力是我們物理學(xué)學(xué)科中,一個(gè)舉足輕重的研究性課題。力是這個(gè)世界的基礎(chǔ)。今天我就帶大家走進(jìn)力的世界，用生活去揭開(kāi)力學(xué)的神秘面紗。
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我們可以想象出一個(gè)沒(méi)有任何力存在的世界。如果沒(méi)有了重力，蘋果還會(huì)落地嗎？如果沒(méi)有了摩擦力，汽車還會(huì)停止嗎？如果沒(méi)有了力的相互作用，地噴式火箭還會(huì)升空嗎？沒(méi)有力的世界，我們可想而知。讓我們本著一顆執(zhí)著熱愛(ài)科學(xué)的心，一雙善于發(fā)現(xiàn)的眼睛，攜手探索力學(xué)與固定的關(guān)系。
[摘 要]力的條件與固定的關(guān)系；力的大小與固定的關(guān)系；力的存在與固定的關(guān)系；拉力對(duì)固定的影響。
[正文]在一個(gè)非常偶然的機(jī)會(huì)里，我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象：一個(gè)竹竿在四個(gè)放向都受到力的作用下，竟能保持固定狀態(tài)。于是，我對(duì)此產(chǎn)生了一系列的思考，“為什么那個(gè)竹竿不會(huì)傾倒呢？”“究竟是什么保持了竹竿的固定狀態(tài)呢？”“如果只有三個(gè)方向受到了力的作用，竹竿還能保持固定狀態(tài)嗎？”
對(duì)于這些問(wèn)題，我們可以這樣去理解：一步一步去分析竹竿各部分所受到的幾個(gè)重要的力，然后去各個(gè)擊破。（1）竹竿的底部受到的哪個(gè)比較重要的力的作用？在這個(gè)現(xiàn)象中，研究的是力和固定的關(guān)系，所以，我們應(yīng)該排除竹竿嵌在土壤中的這種可能性（在實(shí)際現(xiàn)象中也沒(méi)有）。如果說(shuō)有這種可能性，那么我們的探索思路就可以到此結(jié)束了。但是我們今天的“四方受力與固定的關(guān)系”可沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。排除以上“竹竿嵌于土”這種可能性后，我們可以對(duì)竹竿的末端進(jìn)行力學(xué)受力分析。我們可以從受力分析中得出一個(gè)重要的力———摩擦力。我們可以想象一下，如果人的腳底和地面之間缺少一個(gè)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力，那么就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)怎么樣的后果呢？是不是我們連走路也走不好啊？一旦走起路來(lái)，就會(huì)因?yàn)闆](méi)有摩擦力而滑倒。那么這樣一來(lái)，一樣的道理，如果竹竿末端缺少了這個(gè)摩擦力，那么竹竿的底部就會(huì)滑倒，那么這樣一來(lái)，竹竿的底部就無(wú)法固定了。由此可得，摩擦力的產(chǎn)生有助于與另一個(gè)物體接觸發(fā)生摩擦那個(gè)面的那端的固定。（2）在該現(xiàn)象中，竹竿會(huì)間接地受到來(lái)自四個(gè)不同方向的拉力，這四個(gè)方向的拉力并不是直接作用在竹竿上的。而是通過(guò)四方固定點(diǎn)將拉力作用在四條繩子上。然后，再通過(guò)這四條繩子將拉力作用在竹竿的同一個(gè)固定點(diǎn)上。那么為什么要作用在同一個(gè)固定點(diǎn)上呢？那就讓我來(lái)向大家解釋一下這樣做的原因：假設(shè)有兩根繩子和一個(gè)樣，受力情況與上述基本相同，除了那個(gè)固定點(diǎn)，分別為首端和末端的兩個(gè)固定點(diǎn)，兩繩分別拴在這兩個(gè)固定點(diǎn)上，力的來(lái)源方向相反，所以竹竿固定點(diǎn)上的受力方向也是相反的。在這種情況下，在力源的固定點(diǎn)上施加拉力。由于力源的方向是相反的，當(dāng)施加拉力時(shí)，兩端固定點(diǎn)受到來(lái)自不同方向的力的作用，就會(huì)產(chǎn)生與力相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng),竹竿就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)并且傾斜，最終竹竿與繩子成一條直線。因?yàn)閷⑺膫�(gè)不同方向的繩子栓在同一個(gè)固定點(diǎn)上，也是至關(guān)重要的。在一定限度內(nèi)，在四個(gè)方向的力源上施加拉力，使拉力最終作用在這個(gè)固定點(diǎn)上。由于對(duì)固定的來(lái)自力源的間接拉力是固定在某個(gè)位置上的，所以她不會(huì)受到力的大小等力的內(nèi)部因素的制約。所以說(shuō)來(lái)自各個(gè)方向的拉力的大小是相等的，當(dāng)然也排除風(fēng)種外界的因素的影響。那么假設(shè)，東邊力源的間接拉力作用在固定點(diǎn)上，且西邊沒(méi)有力的作用，竹竿就會(huì)向東面偏轉(zhuǎn)，傾斜，由于南北兩面也受到了來(lái)自方向力源的間接拉力，所以他的傾斜的角度就要小一點(diǎn)，如果只有受到了一根繩子的拉力，那么竹竿就會(huì)直接倒下地去。然而西面也有一個(gè)間接拉力作用在那個(gè)固定點(diǎn)上，而且它們的力的大小是相等的，那么在東西方向，來(lái)自兩個(gè)方向的力相互抵消，會(huì)使竹竿處在東西方向的靜止?fàn)顟B(tài)。東面和西面，南面和北面，方向?qū)?yīng)的間接拉力相互抵消，則使這根竹竿處于靜止的固定狀態(tài)。由此分析，我們可以得到這樣一個(gè)推斷：在沒(méi)有任何外界阻礙因素影響下，物體是否處于靜止和固定狀態(tài)，有兩個(gè)重要的因素在影響，（1）其底部（末端）所受到的摩擦力。（2）其頂部（首端）受到來(lái)自四個(gè)方向不同，但是又兩兩對(duì)應(yīng)的方向所作用的間接拉力。所以說(shuō)拉力對(duì)固定的影響是很大的，但是這必須是建立在拉力兩兩對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)上的。同時(shí)上述推理也表明了不同方向的拉力對(duì)物體固定的影響，如果力作用在同一個(gè)方向，就不能實(shí)現(xiàn)物體在力的作用狀態(tài)下保持固定。
根據(jù)以上的推理，我們可以得出結(jié)論，我們已經(jīng)對(duì)這個(gè)結(jié)果做出了最初步的肯定。接下來(lái)我們就要進(jìn)行下一項(xiàng)，更為深入的研究。根據(jù)以上結(jié)論可知：兩個(gè)來(lái)自對(duì)應(yīng)方向（東西，南北）的力，在二力平衡的條件下，兩向平衡，就能使物體固定下來(lái)。接下來(lái)我們就來(lái)做一個(gè)反例推理，來(lái)驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論。最終的目的就是為了研究力的大小對(duì)固定狀態(tài)的影響。如果依照我們生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，受到力的大小不相等的時(shí)候，怎么還可能保持固定狀態(tài)呢？這的確是真的。但是你又是怎么知道的呢？那你有什么證據(jù)嗎？所以我們每下一個(gè)結(jié)論，都先要想想，是不是建立在事實(shí)的基礎(chǔ)上。我們必須一步步去假設(shè)和推理，再需事實(shí)的支持。我們?cè)诙ζ胶獾幕A(chǔ)上，做出更深入的判斷。不在使力與固定的關(guān)系的推理論證變得單一。假設(shè)在而力平衡的狀態(tài)下，力源作用在固定點(diǎn)上的間接拉力，當(dāng)然四個(gè)方向的拉力的大小是相等的，如果說(shuō)，這間接拉力為200牛，當(dāng)他們都是200牛的時(shí)候，物體（竹竿）保持了固定狀態(tài)。那么我們?nèi)ジ淖兤渲幸粋�(gè)力的大小，那么竹竿將怎么變化呢？假設(shè)，西面的那個(gè)力源的方向固定點(diǎn)變化，用人力去拉，剛好人對(duì)繩子施加的拉力是10牛。那么我們就可以做出一定的判斷了，10牛小于200牛，這就說(shuō)明西面作用的間接拉力仍然保持在200牛，我們先試著改變一個(gè)量。這樣一來(lái)，同樣在沒(méi)有任何外力的影響下進(jìn)行，那么物體（竹竿）就會(huì)向東面傾倒。如果說(shuō)，按照上一項(xiàng)推理，依據(jù)平衡原理，二力抵消的話，那就相當(dāng)于，西面的拉力為0牛，東面的拉力經(jīng)過(guò)抵消之后就變成了（200牛-10牛=190牛）了，然而兩邊還有200牛的拉力的支撐，所以竹竿不會(huì)完全倒在水平面上。一般人可能認(rèn)為，東西兩面的間接拉力抵消之后，就變成了190牛的間接拉力，但是他們沒(méi)有意識(shí)到，抵消之后，西面還有一個(gè)0牛的無(wú)作用的間接拉力，然后，他們就會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為，南北兩邊各有一個(gè)200牛的間接拉力，東西面加在一起有190牛的拉力，抵消之后的間接拉力就為（200-190=10牛），他們之間不過(guò)相差只有10牛罷了，于是就做出了錯(cuò)誤的判斷，認(rèn)為這也將保持固定狀態(tài)。其實(shí)他們漏想了一步，200牛的間接拉力是南北兩面各自的間接拉力。但是190牛，單單只是東西兩面抵消后東面的間接拉力，而西面的間接拉力已經(jīng)抵消成0牛了，所以說(shuō)，無(wú)論如何東西兩面都不能保持物體的固定狀態(tài)。如果說(shuō)，要用抵消間接拉力的方式來(lái)保持物體的固定狀態(tài)，那么那個(gè)對(duì)應(yīng)方向的間接拉力就必須相等，或者說(shuō)非常地接近。就拿那個(gè)200牛的對(duì)應(yīng)力來(lái)說(shuō)吧，兩個(gè)對(duì)應(yīng)方向的間接拉力皆為200牛，抵消之后，間接力就變成了0牛，就好象在固定狀態(tài)下，已經(jīng)沒(méi)有了力作用在竹竿上了。反正一點(diǎn)，抵消之后，兩值差越近，他的傾斜角度就會(huì)越小。從以上關(guān)于力的大小與固定關(guān)系的推理中，我們得出新目標(biāo)結(jié)論：兩對(duì)應(yīng)方向，間接拉力值抵消，值差越小，越能保持固定狀態(tài)。
杠桿輕撬，一個(gè)世界從此轉(zhuǎn)動(dòng)；王冠潛底，一條定理浮出水面。蘋果落地，人類飛向太空；蝴蝶振羽，風(fēng)云為之色變。三棱鏡中折射出七色彩虹；大荒原上升騰起蘑菇煙塵。
[后記](méi)我們應(yīng)該行動(dòng)起來(lái)，把握住這個(gè)契機(jī)，揮舞“世界物理年”這面旗幟，肩負(fù)起光大物理學(xué)的歷史重任，燃燒當(dāng)代大學(xué)生火熱的青春激情，積極地開(kāi)展形式多樣的宣傳活動(dòng)，增進(jìn)公眾對(duì)物理學(xué)的理解，向公眾展示一個(gè)真實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)而不失美麗的物理世界!堅(jiān)定對(duì)物理學(xué)的信念，追尋愛(ài)因斯坦的足跡，學(xué)習(xí)前輩物理學(xué)家不畏權(quán)威、堅(jiān)持真理的科學(xué)精神，共同創(chuàng)造物理學(xué)光輝的未來(lái)!讓我們用青春的激情書寫歷史的奇跡、點(diǎn)燃未來(lái)的希望，共同創(chuàng)造物理學(xué)的下一個(gè)輝煌!
讓我們共同熱愛(ài)的物理照耀宇宙!
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