人们从远古时代起就使用杠杆,并且懂得巧妙地运用杠杆 。在埃及建造金字塔的时候,奴隶们就用杠杆把沉重的石块往上撬 。造船工人用杠杆在船上架设桅杆 。人们使用汲水吊杆(一种带平衡锤的杠杆)从井里取水 。罗马人把货物挂在精工制造的杠杆秤(杆秤)上称量重量 。另外,古时候的船都是用桨来划动的,并且用舵来操纵,而桨和舵都是杠杆 。
古代的工匠知道,凭借这些简单的机械,可以用很小的力量推动很大的重量 。但是杠杆为什么能做到这一点,却没有人能解释 。至于哲学家们在谈起这个问题的时候,就一口咬定说,省力的关键就在于圆的“魔性”上,因为杠杆的两端在工作的时候是沿着圆弧运动的 。
阿基米德不乱说什么圆的“魔性” 。他懂得自然界里的种种现象,都可以用自然原理来解释 。杠杆的作用也有它的自然原因,他想解释这一现象 。
最简单的杠杆是一条金属的或木质的直棍 。如果在中点把它支持起来,它就能保持平衡 。当我们在杠杆的两端挂上同样重的物体时,平衡仍旧保持不变 。
但是,假如在杠杆的一端挂上一个较重的物体,而在另一端挂上一个较轻的物体,那么杠杆就要失去平衡:它的一个臂下沉,另一个臂上升 。想要恢复平衡,就必须把支点向较重的物体移动 。
阿基米德懂得,两个物体的总重量好像集中在杠杆的某一点上似的 。如果把杠杆在这一点上支起来,杠杆就能保持平衡 。阿基米德把这一点叫作重心 。
后来,阿基米德确立了杠杆的平衡定律:“力臂和力(重量)成反比例” 。按句话说,小重量是大重量的多少分之一重,长力臂就应当是短力臂的多少倍长 。
假设杠杆的一个力臂是20厘米长,另一个力臂有它的五倍长,即100厘米长 。那么,在短力臂上挂上5千克,在长力臂上只要挂上1千克,杠杆就能保持平衡 。
这个规则也可以用另外一种说法来表达:“每边的力臂的长度和力臂所受的力的乘积是相等的 。”
【阿基米德 撬动地球 阿基米德:想撬动地球的人】另一方面,如果我们用手握着杠杆的长臂向下按,那么我们的手在空中画出的路径,却比短力臂的末端所画出的路径长 。杠杆的两端所走过的路径,也是和力成反比例的 。假如长力臂的末端走过了半米的距离,那么,短力臂的末端就只走10厘米的距离 。在用力方面省五倍,在所走的距离上就反过来长五倍 。
阿基米德确立了杠杆定律以后,就推断说.只要能够取得适当的杠杆长度,任何重量都可以用很小的力量举起来 。据说他曾经说过这样的豪言壮话:“给我一个支点,我就能撬起地球!”这句话,成为代表着阿基米德的性格和自信心的一句名言,伴随着阿基米德的名字,一直流传到今天 。
【科学小链接】
杠杆原理的运用
杠杆原理亦称“杠杆平衡条件” 。杠杆原理在日常生产、生活中运用广泛,如剪刀、启瓶器、撬棒、天平(平衡)、跷跷板(平衡),还有人的骨骼、羊角锤、镊子(费力)、钓鱼竿(费力)、指甲刀等物品都利用了杠杆原理 。
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