力學(xué)在生活中的應(yīng)用探討

河北保定第一中學(xué)　曹逸凡

力學(xué)在生活中的應(yīng)用探討

河北保定第一中學(xué)曹逸凡

力學(xué)研究本身來源于日常生活規(guī)律的總結(jié)，生活中有許許多多的現(xiàn)象都可以用力學(xué)解釋，在教科書上往往沒有較多實(shí)際的應(yīng)用教學(xué)。學(xué)習(xí)就是要學(xué)以致用，這樣才能使理論知識得以運(yùn)用提升。本文就是從現(xiàn)實(shí)生活出發(fā)，舉例分析力學(xué)的運(yùn)用。其中包括圖解和數(shù)據(jù)分析。最終說明只要用力學(xué)的觀點(diǎn)觀察生活，就會(huì)發(fā)現(xiàn)生活中處處有力學(xué)的存在。

力學(xué)是和生活關(guān)系最緊密的物理學(xué)科內(nèi)容之一，在我們的生活之中力學(xué)是無處不在的。只要我們經(jīng)常用力學(xué)的眼光看生活就會(huì)得到許多現(xiàn)象的根本原因，在學(xué)習(xí)完力學(xué)的一些知識后我們也應(yīng)該將其運(yùn)用到生活之中，只有學(xué)以致用才是真正掌握了知識。接下來將舉例分析。

1　現(xiàn)實(shí)中江河和水庫中大壩的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

江河和水庫大壩橫截面如1圖所示。

圖1　

從圖1中我們可以看出它們的結(jié)構(gòu)主要是一個(gè)上窄下寬的形狀。但其中兩者還有不同點(diǎn)，就是在江河的堤壩中迎水面是緩坡而水庫堤壩擋水面是陡坡。

首先分析其上大下小的力學(xué)原理，無論是江河的堤壩還是水庫的堤壩，都修成上窄下寬的目的是為了達(dá)到“三防”的效果。三防主要是防水壓、防滲透、防滑動(dòng)。水壓的計(jì)算方式是P=ρgh，從壓強(qiáng)的公式可以看出堤壩的下方因?yàn)樗疃鹊脑黾訉?dǎo)致壓強(qiáng)增大，那么單位面積上的受力就隨之增加了，所以水底的截面積增加就是為了承受壓力的增加。更大的水壓會(huì)增加大水的滲透作用，所以增大截面積的另一方面就是要防止水的滲透。大的截面積可以增加摩擦，這樣就可以防止水的壓力大于地面可以提供的摩擦力而發(fā)生的移動(dòng)。

圖2　

圖3　

江河里的水是流動(dòng)的，所以其所受到的沖擊力主要是朝下游的，其中水對堤壩的作用力是壓力，如圖2所示中的受力力分析。根據(jù)受力分析來看,F（x）=Fsinθ，F(xiàn)（y）=Fcosθ，所以從公式中可以看出堤壩受力較大的方向是垂直向下的方向，受力較小的方向是水平壓力。因此對于江河上的堤壩，迎水面的坡度減緩可以加大水給予堤壩垂直向下的力，減小向外的推力，從而達(dá)到防滑的效果。

水庫的大壩受力分析參考圖3，從液體的壓強(qiáng)公式來看，水庫的堤壩擋水面各個(gè)單位面積所承受的壓力和水的深度成正相關(guān)，總體呈三角形的方式分布，所以總水壓大小等于三角形分布中距水底H/3的水壓大小。設(shè)水庫大壩的所受重力大小是G，重心在O’處，為了方便分析，我們假設(shè)水對大壩的總的壓力是f并且方向向外（指向大壩的外側(cè)），分析如圖4所示。

圖4　

因?yàn)槭艿剿膲毫Φ淖饔?，堤壩?huì)受到一個(gè)以O(shè)為支點(diǎn)的順時(shí)針傾覆的趨勢，傾覆是力矩造成的，力矩大小等于F*H/3。然而堤壩依靠自身重力可以形成一個(gè)抗傾覆的力矩Gd。把堤壩背水一面的坡度修緩一些，這樣一來在增大自身重力的同時(shí)又可以增加力臂的長度，最終達(dá)到一個(gè)增大抗傾覆力的效果。

經(jīng)過受力分析我們可以發(fā)現(xiàn)，在用料和造價(jià)相同的情況下，將江河中的堤壩的迎水面修比背水面緩可以得到更好的穩(wěn)定性。在水庫中的堤壩，將擋水面修的比背水面陡的時(shí)候可以提高穩(wěn)定性。通過堤壩的簡單例子可以發(fā)現(xiàn)，力學(xué)的分析之后，只要簡單地改變結(jié)構(gòu)就可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2　浮力公式在潛水艇中的運(yùn)用

分析潛水艇的運(yùn)動(dòng)是我們簡化相應(yīng)的受力，就從垂直方向上分析浮力和重力的關(guān)系。潛水艇是通過改變自身的重力大小實(shí)現(xiàn)上升和下潛的。

根據(jù)浮力公式gV=mg=G中可以發(fā)現(xiàn)，物體所受液體的浮力等于這個(gè)物體在液體中時(shí)排出液體的體積。潛水艇自身的體積是不會(huì)改變的，所以浮力不變，但是潛水艇可以將水排出或吸入來改變自身的重力。當(dāng)浮力和重力相等，潛水艇懸浮在水中，當(dāng)浮力大于重力時(shí)潛水艇上浮，開始時(shí)浮力大于重力是加速上浮，但當(dāng)浮力和重力之差等于阻力的時(shí)候會(huì)勻速上升。下降的受力分析與上升剛好相反，潛水艇將水吸入自身內(nèi)部增加自己的重力，當(dāng)重力大于浮力的時(shí)候開始加速下降，最后趨于勻速。

3　結(jié)語

只要留心觀察，我們身邊就有許多的現(xiàn)象都可以用力學(xué)解釋。不使用力學(xué)的觀點(diǎn)分析大多是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)有點(diǎn)接近事實(shí)，然而有些卻與事實(shí)相悖，只有通過力學(xué)的分析給出嚴(yán)格的證明才能推出真正的結(jié)論。力學(xué)是一門要求結(jié)合理論和實(shí)際的學(xué)科，實(shí)踐是理論的基礎(chǔ)，但是理論同樣還要接受實(shí)踐的檢驗(yàn)。我們在現(xiàn)實(shí)生活中用力學(xué)的觀點(diǎn)思考就是一種無形中對力學(xué)觀點(diǎn)的檢驗(yàn)，這必然會(huì)對我們的知識有強(qiáng)化和提升的作用。

[1]楊有濤.流體力學(xué)理論在流量計(jì)量中的應(yīng)用[J].工業(yè)計(jì)量, 2008.(01).

[2]蘇長勝.流體力學(xué)在煤礦中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2007.(02).

[3]劉起霞,鄒劍峰,王海霞.實(shí)際工程中的流體力學(xué)[J].力學(xué)與實(shí)踐,2006.(06).

曹逸凡，男，河北保定市，1999年3月出生。