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浅议刀具中的力学知识

发布时间:2019-03-01  点击量:

作者:孙伟哲
  【摘要】从日常生活出发,了解生活中普遍用到的工具。刀是生活中必不可少的用具,也是人们使用最频繁的工具之一。因此,一方面,从各种刀具的外观出发,发现其形状、结构上的特点;另一方面,则是结合刀具的功能和用途,对刀具使用过程中的情况进行分析,从动力学的角度去研究;动力学是理论力学的一个分支学科,它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。后基于这个角度建立了物理模型。然后根据各种刀具的受力情况进行分析,综合比较,最后得出结论。
  【关键词】刀规格力切割控制变量
  一、刀具的常见种类及特点
  市场上提供的刀具种类繁多,通过走访刀具市场、五金店等处,初步了解到与我们生活密切联系且使用频率较高的刀具主要有一下几种:普通菜刀、水果刀、带锯条的锯齿刀、剁骨刀等。这些刀具的外观、材料、用途、重量、长短都各不相同。列表统计如表1和表2(仅作粗略统计)。
  二、刀具的外形及所涉及力学知识
  了解到这些信息之后,又对刀具的外形进行研究,发现了如下表所示的力学知识:
  可见,这些力学知识主要涉及以下内容:
  1.力的合成与分解。力的合成与分解满足平行四边形定则:如果用表示两个共点力F1和F2的线段为邻边作平行四边形,那么合力F的大小和方向就可以用F1、F2所夹的角的度数以及大小来表示。
  2.压强的计算。物体所受的压力与受力面积之比叫做压强,压强用来比较压力产生的效果,壓强越大,压力的作用效果越明显。压强的计算公式是:p=F/S,压强的单位是帕斯卡,符号是Pa。
  实践是检验真理的唯一标准,于是我们又做了以下几个实验:
  (一)研究刀刃厚度与用途的关系
  实验一:使用各种刀具切土豆 实验二:用同样大小的力去划同一本书
  综合两表以及刀具的规格,刀越锋利,划切物体越容易,即刀口越薄,越容易切物体。为什么呢?
  我们想到力在面积上的反映——压强。由P=F/S,F一定,S越小,P越大;S一定,F越大,P越大。因此,刀的锋利程度与刀刃厚薄有关。
  (二)研究刀口的楔形程度与用途的关系
  后经过观察发现,刀口的楔形程度和刀身的扁平程度直接影响着人们对刀的使用。因此,我们对剁骨刀、裁纸刀、普通菜刀、水果刀进行了研究,并做了几项实验(实验略)。
  通过实验可得,用剁骨刀砍的两块骨头深度大,用普通菜刀砍的那根骨头的切口深度小,还有一个重大发现——普通菜刀刀口有点儿卷。
  再仔细观察两种刀具,普通菜刀的刀身要比剁骨刀扁而且平,因而它所能承受的外力较小,容易在受到强烈冲击后卷起来;剁骨刀刀身厚且不平整,因而它所能承受的外力要大一些。
  这也使我们认识到刀身较薄的刀(如普通菜刀)不能用来砍骨头这一类的硬东西,而应该选刀身较厚的刀(如剁骨刀)来砍,否则容易将刀口砍缺或砍卷,影响刀的使用寿命,当然,砍硬物品的刀还与刀刃的硬度有关。
  (三)研究刀身宽窄与用途的关系
  经过观察,我们发现为什么刀身有宽有窄呢?于是我们通过实验研究了刀身宽窄与用途的关系:
  经过对刀的宽窄初步认识之后,通过用菜刀和水果刀切土豆实验得出:刀身越宽的刀,方便于切物体;刀身越窄的刀,方便于割物体,这是什么原因呢?我们对菜刀宽窄与用途做了具体研究(规定刀身的长度、厚薄一定,且切物体时,刀与物体的接触点相同)。
  (四)研究了刀身质量与用途的关系
  最后,差点忽略了一个最基本又最容易感觉到的问题——刀的质量。于是,我们首先在社区里进行了一个“刀的使用情况”调查。
  质量不同的刀究竟有何不同?我们做了一个实验:
  让三把质量不同的刀从相同的高度自由落下,切同一个红薯。
  刀口最锋利的水果刀切入红薯却最浅,这是什么原因呢?再看表中数据,我们发现:水果刀的质量最小。经过分析后得到刀的质量大,惯性大,运动状态难以改变。再经过详细地分析,得出以下结论:
  当刀从相同高空自由落下时,刀以重力加速度g加速运动,它接触到物体时的瞬时速度为V=2gh,当刀接触物体后合力F合=f-mg,这段时间内刀的加速度a=F合/m=(f-mg)/m=f/m-g,则刀在物体中的位移S=V2/2a=2gh/(f/m-g)。
  因此,在我们控制高度h和刀所受阻力f不变时,刀切入物体的深度随刀的质量的增大而增大。
  我们得出,切相同的物体,刀的质量越大,使用起来就越省力。
  刀的质量越大,使用越省力,但有时使用省力,切出的物体却不能达到最好的效果。因此,人们往往会因物体不同而选择不同质量的刀。
  三、结论
  1.本文主要采用测量、调查、以及实验的方法来探究有关于刀具的力学知识,多采用对比、控制变量法、重复操作来进行实验,对实验数据严谨记录,认真分析。
  2.通过多次实验,再经过仔细分析,在用刀过程中,刀口厚薄、刀身宽窄、刀刃楔形程度大小以及刀的质量等都是影响刀具使用的因素,其中也蕴含了诸如力的合成与分解、压强、加速度等力学知识,通过这次研究,受益匪浅。
  3.虽然多次实验,但囿于实验器具有限且测量精度不够高,因此对于实验数据的测量还存在一定的缺陷;个别数据只采用了一次测量、一组数据,难免不会有疏漏,难达尽善尽美,仍留有遗憾。
  参考文献:
  [1]赵伟良.动力学问题的整体分析法.数理化学习,2003,(16).
  [2]常兴艳.解决动力学问题的思维方法.数理化学习,2004,(07).
  [3]程嗣,程首宪.高考物理中的动力学问题归类和解析.现代物理知识,2006,(06).


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