朱捍東　邢海根

眾所周知,力的作用效果與力的三要素有關(guān),力的大小、力的方向和力的作用點(diǎn)不同力的效果就可能不同.在研究壓力作用的效果時(shí),發(fā)現(xiàn)作用效果與壓力大小有關(guān),還與受力面積大小有關(guān).為了表示壓力作用效果的明顯程度,物理學(xué)上引入了壓強(qiáng)的概念.用壓強(qiáng)表示壓力作用的效果,壓強(qiáng)越大,壓力作用效果就明顯,壓強(qiáng)越小,壓力作用效果就越不明顯.而實(shí)際上,相同的壓強(qiáng),壓在不同的材料上,卻表現(xiàn)出不同的效果,那么壓力作用效果是否與受壓面的材料有關(guān)呢?本文從以下幾個(gè)方面來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題.

一、力的作用效果的表現(xiàn)形式

力的作用效果主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面,第一個(gè)方面是使物體形變;第二個(gè)方面是使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化.在研究力的效果時(shí),引進(jìn)了力的三要素,即力的大小、方向和作用點(diǎn).教材在研究力的效果與力的大小關(guān)系時(shí),主要是通過(guò)觀察相同條件下力的大小不同,使彈簧片形變的程度不同,得出力的作用效果與力的大小有關(guān)的結(jié)論;在研究力的作用效果與力的作用點(diǎn)有關(guān)時(shí),用同一彈簧片、同樣大小和方向的力,作用在不同的位[HJ2.3mm]置,發(fā)現(xiàn)形變的程度不同,從而得出力的作用效果與力的作用點(diǎn)有關(guān).在研究力的作用效果與力的方向有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中,彈簧片的形變程度是相同的,只不過(guò)是形變的方向不同,最后得出力的作用效果與力的方向有關(guān)的結(jié)論.可見(jiàn)同一個(gè)物體形變的程度不同,形變的方向不同,我們就說(shuō)力的作用效果不同.很顯然,不同的力作用在不同的物體上,僅從形變大小或方向上觀察是無(wú)法說(shuō)明力的效果是否相同.這是因?yàn)椴煌奈矬w的彈性大小不同、機(jī)械強(qiáng)度也不同,顯然形變程度可能不同.即使是同樣大小和方向相同的兩力作用在不同的物體上,由于不同物體的彈性系數(shù)可能不同,這兩個(gè)力使物體的形變程度往往是不同的;再?gòu)牧κ刮矬w運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的角度來(lái)看,兩個(gè)物體的質(zhì)量可能不同,引起物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化往往也是不同.所以說(shuō),大小和方向相同的力作用在不同材料的物體上,產(chǎn)生的效果一般是不同的.可見(jiàn),只有力的三要素完全相同時(shí),力使物體形變這一效果才是相同的;力的三要素完全相同且作用在同一物體上時(shí),力使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化這一效果才是相同的.

二、從能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的角度看物體間力的作用效果

力是物體之間的作用,一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體施加力的作用時(shí),實(shí)際上是能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過(guò)程.力使物體形變的過(guò)程中施力物體的能量一部分轉(zhuǎn)化為彈性物

體的彈性勢(shì)能和內(nèi)能.力使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的過(guò)程中,施力物體的能量轉(zhuǎn)移為受力物體的機(jī)械能或轉(zhuǎn)化為受力物體的內(nèi)能.不同的材料的彈性系數(shù)和摩擦系數(shù)不同,相同大小的力施加在不同的物體上損失相同的能量,不同的受力物體產(chǎn)生的形變或獲得的機(jī)械能也就不同,這樣相同大小的力,作用在不同材料的物體上,產(chǎn)生的效果也就不同.反過(guò)來(lái)說(shuō),相同大小和方向的力所表現(xiàn)出的效果與受力物體的材料有關(guān).也正是因?yàn)槿绱?在研究力的作用效果時(shí),總是控制受力物體的材料不變,即用相同的受力物體.

三、壓強(qiáng)表示壓力的作用效果的條件

力的作用點(diǎn)是物理學(xué)上的一種理想模型,實(shí)際上,力的作用并不在某一個(gè)點(diǎn).對(duì)于壓力而言,它的方向是確定的,即與受壓面垂直.但它的大小是可變的,作用點(diǎn)其實(shí)是個(gè)“作用面”.從力的三要素來(lái)講,壓力的方向就不必考慮了,壓力的效果只與它的大小和作用面積大小有關(guān).如果同一個(gè)物體,質(zhì)地不均勻,不同位置其彈性大小、機(jī)械強(qiáng)度大小都不同,即使是相同大小的壓力作用在相同大小的面積上,其形變的程度是不同的.在物理學(xué)上研究力的作用效果時(shí),總是從力的三要素上來(lái)研究的,壓強(qiáng)是單位面積上的壓力,實(shí)際上它包含了力的三要素.在研究力的作用效果時(shí),如果用不同材料的物體進(jìn)行研究,同樣大小和方向的力,作用于不同材料的兩個(gè)物體上,很顯然產(chǎn)生的形變不同,實(shí)際上,大小和方向相同的力,作用于兩個(gè)物體上,由于作用點(diǎn)不同,應(yīng)該把它們看成兩個(gè)不同的力,也就是說(shuō)“力的三要素”已經(jīng)不同,力的效果也就可能不同了,只不過(guò)這兩個(gè)力產(chǎn)生的壓強(qiáng)是相等的.而同一個(gè)質(zhì)地均勻的物體,在大小和方向相同力的作用下,雖然作用點(diǎn)不同,但產(chǎn)生的形變程度相同.可見(jiàn)同一質(zhì)地均勻的材料,它的不同位置,相同大小的壓力對(duì)它們產(chǎn)生的效果是等同的.這樣單位面積上的壓力大小相同時(shí),產(chǎn)生的效果也是相同的,或者說(shuō)受壓物的形變量是相同的.也就是說(shuō)相同的材料,在相同的壓強(qiáng)下,產(chǎn)生相同的形變量,當(dāng)壓強(qiáng)越大時(shí),產(chǎn)生的形變量也越大.這樣相同的受壓材料,便可用壓強(qiáng)的“大”或“小”來(lái)代替壓力作用效果的“強(qiáng)”或“弱”.正因?yàn)槿绱?在研究壓力作用效果時(shí),必須用“相同的受壓物體”才能比較出哪種情況下壓力作用的效果“明顯”或“不明顯”.可見(jiàn)用壓強(qiáng)的大小來(lái)表示壓力的作用效果的條件是“相同的受壓物體”.

四、壓力使物體的形變程度與材料的彈性和硬度有關(guān)

從壓力的性質(zhì)來(lái)講,壓力屬于彈力,在彈性限度范圍內(nèi),它使物體形變的程度與材料的彈性系數(shù)有關(guān),還與壓力的大小有關(guān),而受力面積的大小實(shí)際上是影響彈性系數(shù)的大小.這一問(wèn)題胡克定律已解釋得很明確.在彈性限度范圍以外,壓力仍可使物體形變,我們說(shuō)材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度.課本上比較兩種材料的硬度時(shí),除用硬度計(jì)來(lái)測(cè)量外,就是用相同的鋼釘從同樣高處自由下落,來(lái)撞擊不同的材料,最后比較材料的形變程度.其實(shí)用相同的鋼釘從同一高度自由落下,目的是對(duì)材料產(chǎn)生相同的壓力(沖力),同一鋼釘打擊不同的材料時(shí)的受力面積是相同的,實(shí)際上就是產(chǎn)生的壓強(qiáng)是相同的.這說(shuō)明物體的形變程度不僅與硬度有關(guān),而且與壓強(qiáng)有關(guān).如果是同種材料,由于它們的“彈性”和“硬度”相同,在相同的壓強(qiáng)下形變是相同的,只有在不同的壓強(qiáng)下,形變才不同.但是相同的壓強(qiáng),作用在不同“彈性”和“硬度”的物體上,明顯表現(xiàn)出不同效果.

力的作用效果與力的大小、方向和作用點(diǎn)有關(guān),力的作用點(diǎn)不同時(shí),力的作用效果往往不同.壓力也是有大小、方向和作用點(diǎn)的,由于它的方向是確定的,即垂直作用在受壓物體的表面上,所以研究壓力的效果時(shí),不必考慮方向,只考慮大小和作用點(diǎn),而實(shí)際上,它的作用點(diǎn)是一個(gè)面上,只有這個(gè)面上的每個(gè)點(diǎn)可以相互替代,才能說(shuō)明單位面積上相同壓力的作用效果是相同的.如果不是相同的受壓材料,在大小和方向相同的力作用下,其效果是不同的,或者說(shuō)壓強(qiáng)相同時(shí),受壓材料不同,壓力的效果可能不同.在不考慮物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化時(shí),不同的壓力,作用在相同的受壓物體上,物體產(chǎn)生的形變程度不同,我們說(shuō)壓力的效果不同.同理,相同的壓力(壓強(qiáng))作用在不同的材料上,產(chǎn)生的形變程度也是不同的,我們說(shuō)壓力的效果也是不同的.總而言之,壓力作用的效果與接觸面的材料有關(guān).

(責(zé)任編輯:易志毅)