淺議刀具中的力學(xué)知識(shí)

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(山東省泰安第一中學(xué)〈青年路校區(qū)〉)

一、刀具的常見(jiàn)種類及特點(diǎn)

市場(chǎng)上提供的刀具種類繁多，通過(guò)走訪刀具市場(chǎng)、五金店等處，初步了解到與我們生活密切聯(lián)系且使用頻率較高的刀具主要有一下幾種：普通菜刀、水果刀、帶鋸條的鋸齒刀、剁骨刀等。這些刀具的外觀、材料、用途、重量、長(zhǎng)短都各不相同。列表統(tǒng)計(jì)如表1和表2(僅作粗略統(tǒng)計(jì))。

二、刀具的外形及所涉及力學(xué)知識(shí)

了解到這些信息之后，又對(duì)刀具的外形進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了如下表所示的力學(xué)知識(shí)：

可見(jiàn)，這些力學(xué)知識(shí)主要涉及以下內(nèi)容：

1.力的合成與分解。力的合成與分解滿足平行四邊形定則：如果用表示兩個(gè)共點(diǎn)力F1和F2的線段為鄰邊作平行四邊形，那么合力F的大小和方向就可以用F1、F2所夾的角的度數(shù)以及大小來(lái)表示。

2.壓強(qiáng)的計(jì)算。物體所受的壓力與受力面積之比叫做壓強(qiáng)，壓強(qiáng)用來(lái)比較壓力產(chǎn)生的效果，壓強(qiáng)越大，壓力的作用效果越明顯。壓強(qiáng)的計(jì)算公式是：p=F/S，壓強(qiáng)的單位是帕斯卡，符號(hào)是Pa。

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，于是我們又做了以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)：

(一)研究刀刃厚度與用途的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)一：使用各種刀具切土豆

實(shí)驗(yàn)二：用同樣大小的力去劃同一本書

綜合兩表以及刀具的規(guī)格，刀越鋒利，劃切物體越容易，即刀口越薄，越容易切物體。為什么呢？

我們想到力在面積上的反映——壓強(qiáng)。由P=F/S，F(xiàn)一定，S越小，P越大；S一定，F(xiàn)越大，P越大。因此，刀的鋒利程度與刀刃厚薄有關(guān)。

(二)研究刀口的楔形程度與用途的關(guān)系

后經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，刀口的楔形程度和刀身的扁平程度直接影響著人們對(duì)刀的使用。因此，我們對(duì)剁骨刀、裁紙刀、普通菜刀、水果刀進(jìn)行了研究，并做了幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)略)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得，用剁骨刀砍的兩塊骨頭深度大，用普通菜刀砍的那根骨頭的切口深度小，還有一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)——普通菜刀刀口有點(diǎn)兒卷。

再仔細(xì)觀察兩種刀具，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較小，容易在受到強(qiáng)烈沖擊后卷起來(lái)；剁骨刀刀身厚且不平整，因而它所能承受的外力要大一些。

這也使我們認(rèn)識(shí)到刀身較薄的刀(如普通菜刀)不能用來(lái)砍骨頭這一類的硬東西，而應(yīng)該選刀身較厚的刀(如剁骨刀)來(lái)砍，否則容易將刀口砍缺或砍卷，影響刀的使用壽命，當(dāng)然，砍硬物品的刀還與刀刃的硬度有關(guān)。

(三)研究刀身寬窄與用途的關(guān)系

經(jīng)過(guò)觀察，我們發(fā)現(xiàn)為什么刀身有寬有窄呢？于是我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了刀身寬窄與用途的關(guān)系：

經(jīng)過(guò)對(duì)刀的寬窄初步認(rèn)識(shí)之后，通過(guò)用菜刀和水果刀切土豆實(shí)驗(yàn)得出：刀身越寬的刀，方便于切物體；刀身越窄的刀，方便于割物體，這是什么原因呢？我們對(duì)菜刀寬窄與用途做了具體研究(規(guī)定刀身的長(zhǎng)度、厚薄一定，且切物體時(shí)，刀與物體的接觸點(diǎn)相同)。

(四)研究了刀身質(zhì)量與用途的關(guān)系

最后，差點(diǎn)忽略了一個(gè)最基本又最容易感覺(jué)到的問(wèn)題——刀的質(zhì)量。于是，我們首先在社區(qū)里進(jìn)行了一個(gè)“刀的使用情況”調(diào)查。

質(zhì)量不同的刀究竟有何不同？我們做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：

讓三把質(zhì)量不同的刀從相同的高度自由落下，切同一個(gè)紅薯。

刀口最鋒利的水果刀切入紅薯卻最淺，這是什么原因呢？再看表中數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)：水果刀的質(zhì)量最小。經(jīng)過(guò)分析后得到刀的質(zhì)量大，慣性大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難以改變。再經(jīng)過(guò)詳細(xì)地分析，得出以下結(jié)論：

因此，在我們控制高度h和刀所受阻力f不變時(shí)，刀切入物體的深度隨刀的質(zhì)量的增大而增大。

我們得出，切相同的物體，刀的質(zhì)量越大，使用起來(lái)就越省力。

刀的質(zhì)量越大，使用越省力，但有時(shí)使用省力，切出的物體卻不能達(dá)到最好的效果。因此，人們往往會(huì)因物體不同而選擇不同質(zhì)量的刀。

三、結(jié)論

1.本文主要采用測(cè)量、調(diào)查、以及實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)探究有關(guān)于刀具的力學(xué)知識(shí)，多采用對(duì)比、控制變量法、重復(fù)操作來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)記錄，認(rèn)真分析。

2.通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，再經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，在用刀過(guò)程中，刀口厚薄、刀身寬窄、刀刃楔形程度大小以及刀的質(zhì)量等都是影響刀具使用的因素，其中也蘊(yùn)含了諸如力的合成與分解、壓強(qiáng)、加速度等力學(xué)知識(shí)，通過(guò)這次研究，受益匪淺。

3.雖然多次實(shí)驗(yàn)，但囿于實(shí)驗(yàn)器具有限且測(cè)量精度不夠高，因此對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量還存在一定的缺陷；個(gè)別數(shù)據(jù)只采用了一次測(cè)量、一組數(shù)據(jù)，難免不會(huì)有疏漏，難達(dá)盡善盡美，仍留有遺憾。