淺議刀具中的力學(xué)知識

孫偉哲

【摘要】從日常生活出發(fā)，了解生活中普遍用到的工具。刀是生活中必不可少的用具，也是人們使用最頻繁的工具之一。因此，一方面，從各種刀具的外觀出發(fā)，發(fā)現(xiàn)其形狀、結(jié)構(gòu)上的特點；另一方面，則是結(jié)合刀具的功能和用途，對刀具使用過程中的情況進(jìn)行分析，從動力學(xué)的角度去研究；動力學(xué)是理論力學(xué)的一個分支學(xué)科，它主要研究作用于物體的力與物體運動的關(guān)系。后基于這個角度建立了物理模型。然后根據(jù)各種刀具的受力情況進(jìn)行分析，綜合比較，最后得出結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】刀規(guī)格力切割控制變量

一、刀具的常見種類及特點

市場上提供的刀具種類繁多，通過走訪刀具市場、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、長短都各不相同。列表統(tǒng)計如表1和表2（僅作粗略統(tǒng)計）。

二、刀具的外形及所涉及力學(xué)知識

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

可見，這些力學(xué)知識主要涉及以下內(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：如果用表示兩個共點力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)以及大小來表示。

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

實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，于是我們又做了以下幾個實驗：

（一）研究刀刃厚度與用途的關(guān)系

實驗一：使用各種刀具切土豆 實驗二：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。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刀的使用。因此，我們對剁骨刀、裁紙刀、普通菜刀、水果刀進(jìn)行了研究，并做了幾項實驗（實驗略）。

通過實驗可得，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，還有一個重大發(fā)現(xiàn)——普通菜刀刀口有點兒卷。

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，容易在受到強烈沖擊后卷起來；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)識到刀身較薄的刀（如普通菜刀）不能用來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)過觀察，我們發(fā)現(xiàn)為什么刀身有寬有窄呢？于是我們通過實驗研究了刀身寬窄與用途的關(guān)系：

經(jīng)過對刀的寬窄初步認(rèn)識之后，通過用菜刀和水果刀切土豆實驗得出：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？我們對菜刀寬窄與用途做了具體研究（規(guī)定刀身的長度、厚薄一定，且切物體時，刀與物體的接觸點相同）。

（四）研究了刀身質(zhì)量與用途的關(guān)系

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

質(zhì)量不同的刀究竟有何不同？我們做了一個實驗：

讓三把質(zhì)量不同的刀從相同的高度自由落下，切同一個紅薯。

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)過分析后得到刀的質(zhì)量大，慣性大，運動狀態(tài)難以改變。再經(jīng)過詳細(xì)地分析，得出以下結(jié)論：

當(dāng)?shù)稄南嗤呖兆杂陕湎聲r，刀以重力加速度g加速運動，它接觸到物體時的瞬時速度為V=2gh，當(dāng)?shù)督佑|物體后合力F合=f-mg，這段時間內(nèi)刀的加速度a=F合/m=（f-mg）/m=f/m-g，則刀在物體中的位移S=V2/2a=2gh/（f/m-g）。

因此，在我們控制高度h和刀所受阻力f不變時，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，使用起來就越省力。

刀的質(zhì)量越大，使用越省力，但有時使用省力，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.本文主要采用測量、調(diào)查、以及實驗的方法來探究有關(guān)于刀具的力學(xué)知識，多采用對比、控制變量法、重復(fù)操作來進(jìn)行實驗，對實驗數(shù)據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)記錄，認(rèn)真分析。

2.通過多次實驗，再經(jīng)過仔細(xì)分析，在用刀過程中，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，其中也蘊含了諸如力的合成與分解、壓強、加速度等力學(xué)知識，通過這次研究，受益匪淺。

3.雖然多次實驗，但囿于實驗器具有限且測量精度不夠高，因此對于實驗數(shù)據(jù)的測量還存在一定的缺陷；個別數(shù)據(jù)只采用了一次測量、一組數(shù)據(jù)，難免不會有疏漏，難達(dá)盡善盡美，仍留有遺憾。

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