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文 /张虎岗著有《发现不一样的物理》《挑战压轴题·中考物理·轻松入门篇》《初中物理是这样学好的》等 本文为《什么是初中物理》系列第18篇 与动物相比，人类在体能上实在没有什么可称道的。 没有老虎和狮子一样锋利的爪牙、没有牛羊和鹿一样坚硬的犄角，也没有雄鹰一样翱翔天空的翅膀、像大象一样庞大的身躯，不能像鲨鱼一样在海洋里称霸，奔跑的速度也远远比不上猎豹，赤手空拳地单打独斗没有丝毫胜算。 但是人类有智慧的头脑，从拿起石头和木棒开始，源源不断地制出各种各样的机械来武装自己。枪炮成为人进攻的爪牙、飞机火箭成就了人的飞天梦、船艇让人踏足海洋、汽车让人能一日千里，这些复杂的机器都是由各种各样的简单机械组合而成的。 在初中物理，我们会学到的简单机械可以分为两大家族：杠杆和斜面。杠杆家族包括杠杆、滑轮、轮轴；斜面家族包括斜面、螺旋。 说起杠杆，就不由想起阿基米德的那句豪言壮语：“给我一个支点，我就能撬动地球。” 阿基米德的确有骄傲的资本。当罗马人攻打叙拉古时，阿基米德制作的抛石机、起重机给罗马人造成了巨大伤亡。罗马统帅马塞拉斯甚至苦笑着说：“这是一场罗马舰队与阿基米德一人的战争。” 1971年尼加拉瓜发行了一套邮票：改变世界的10个公式。其中第3枚就是阿基米德发现的杠杆原理，也就初中物理中的“杠杆平衡条件”，如图所示。邮票上画着一个天平，旁边写着F1X1＝F2X2，其中F为作用力，X为力臂。在初中物理中，力臂L用表示，因此将这一公式写作：F1L1＝F2L2。
要想搞清楚杠杆平衡条件F1L1＝F2L2的含义，首先要明白什么是杠杆？什么是杠杆平衡？ 杠杆是指能绕着固定点转动的硬棒。从杠杆定义的来看，只有同时满足两个条件才能称之为杠杆，一是能绕着固定点转动，二是硬棒。至于硬棒是不是直的，并无关系。另外，我们把硬棒绕着转动的固定点叫做支点。 杠杆平衡状态是指处于静止状态或匀速转动状态。 然后，还要明白公式中各个物理量的含义。F1是动力，是使杠杆转动的力；F2是阻力，是阻碍杠杆转动的力。动力与阻力都是作用在杠杆上的力。L1是动力臂，是支点到动力作用线的距离；L2是阻力臂，从支点到阻力作用线的距离。需注意的是，力臂并不一定等于支点到力的作用点线的距离。
由此来看，F1L1＝F2L2可以用下面的文字表述：动力×动力臂＝阻力×阻力臂。 从F1L1＝F2L2也可以得出，当L1＞L2时，F1＜F2，这样的杠杆使用起来比较省力，叫做省力杠杆。撬棒、铡刀、起钉锤等等都属于省力杠杆。 现在我们再来看看阿基米德的豪言壮语。从理论上说，只要阿基米德能找到一根足够长足够硬的棍子，再在宇宙中找到一个支点，使动力臂足够长，阻力臂足够短，还是有希望做到的。
如果L1＜L2呢？当然结果是F1＞F2，因此这类杠杆叫做费力杠杆。 俗话说，费力不讨好。这样的杠杆还有存在的必要吗？ 非常有！因为使用这类杠杆能省距离。理论上说，你动力是阻力的几倍，要达到目的就只需移动几分之一的距离，这使得你的动作非常灵活。镊子、筷子，甚至你端起茶杯时的前臂，都是费力杠杆。
省力杠杆则恰恰相反，省力会费距离。从理论上说，动力是阻力的几分之一，使用时要移动几倍的距离。 要省力？还是要省距离？取决于你的需要。有得必有失，这真是鱼与熊掌不可兼得呀！ 还有一类杠杆的L1＝L2，因为它们的动力臂与阻力臂相等，所以叫做等臂杠杆。使用等臂杠杆既不省力，也不费力。 当然，你或许还猜到了使用这类杠杆不能省距离，也不会费距离。 的确如此！但是你如果觉得这类杠杆是来凑数的，那就错了。等臂杠杆也有它的用途，天平就是等臂杠杆，还有你坐过的跷跷板，以及定滑轮。 定滑轮是滑轮的一种，与它名字相对的是动滑轮。虽然它们名字看上去恰好相反，但是结构就是一样的，都是一个周边有槽，并且能够绕轴转动的轮子。至于是哪种滑轮，取决于使用时的位置是否和被拉动的物体一起移动。 定滑轮在工作时，轴固定不动，轮子绕着轴心转动，如图所示；动滑轮在工作时，轮子绕着相切的一点转动，它的位置随物体一起移动，如图所示。
从图示分析可以看出，定滑轮实际是一个等臂杠杆，动滑轮的动力臂是阻力臂的2倍（拉力作用线与阻力作用线平行时）。因此，使用定滑轮不能省力，也不能省距离，但是可以改变拉力的方向，也就是说你向下拉绳子就可以把物体提上去，想想升旗时情景就知道了。旗杆的顶部就有一个定滑轮。使用动滑轮最多可以省一半的力，但是要费一倍的距离，并且也能改变拉力的方向。也就是说，你要使物体升高1m，就要把绳子向上拉2m。 使用定滑轮，能改变力的方向却不能省力；使用动滑轮，能省力却不能改变力的方向。如果既想省力，又想改变力的方向，那该怎么办呢？ 可以将定滑轮与动滑轮结合在一起组成滑轮组。在这个滑轮组中，动滑轮负责省力，定滑轮负责改变力的方向。
噫！寸有所长，尺有所短，我们不能总盯着别的缺点，更要看到别人的长处。在学习、工作中，更要学会合作，就像定滑轮与动滑轮组成了滑轮组，优势互补，实现双赢。 轮轴，人如其名，由轮和轴组成，它们固定在一起绕着同一轴线转动。因此，可以把轮轴看作一个可以连续转动的杠杆。为了省力，使用时动力作用在轮上，阻力作用在轴上，那么轮半径是轴半径的几倍，动力就是阻力的几分之一。
比起滑轮，轮轴要生活中更为常见。螺丝刀、汽车方向盘、门把手、水龙头的旋钮，等等实质上都是轮轴，只不过有的已知把轮简化成了“臂”。
斜面是简单机械的另一个家族的代表。如果你知道什么是水平面，也就不难理解什么是斜面了。只要你有一块木板，把一端垫高，瞬间就可以搭建出一个斜面。幼儿园里小朋友们喜欢的滑梯、上房的梯子，还有楼梯，都是斜面，只是有的面没有那么平，甚至把面给“镂空”了。 使用杠杆，可以省力，也可以费力。就算是动滑轮和轮轴，如果把动力作用在轴上，阻力作用在轮上，也一样费力。但是，使用斜面总是会省力。想一想上楼梯总比爬树更容易你就明白了。
在生活你也一定过这样的体验，斜坡越缓（即与水平面夹角越小），走上去越轻松。但是这也带来另一个问题，会增加斜长。一方面这会增大需要的空间，另一方面条件也不请允许。比如，山路。为了解决这个问题，人们把山路做迂回盘旋的，这相当于增长了斜面的长度。
木螺丝也是一样，把它上面的螺纹“拉直”了也一个斜面。 像盘山公路、木螺丝这样的，可以看成是绕在圆柱上的斜面，我们把这类特殊的斜面叫做螺旋。 与杠杆家族一样，斜面家族这些成员虽然在使用时可以省力，但也同样付出了费距离的代价。 省力的代价，就是费距离。 凡为机械，概莫能外。 |
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