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趣味物理学
1.4.13 2.13 尖锐物体的秘密
2.13 尖锐物体的秘密

你可曾留意过这样的问题:为什么缝衣针能够轻而易举地穿透一个物体?为什么细针能轻松穿过一块布或者一块厚纸板,而钝头钉子却很难做到?难道在这两种情形下,所作用的力不相同吗?

其实,这两种情况下的力量是相同的,不相同的是两者的压力强度或者说压强。用针穿透物体的时候,所有的力量全都集中在很小很小的针尖上;相反用钝头钉子时,因钉子的钝头的面积远远大于针尖,故而相比于针尖,相同的力量分配的面积大得多;自然,针尖产生的压强要远大于比钝头钉子产生的——当然这里有一个前提,那就是我们所用的力量假定完全相同。

我们都知道,如果耙地时用一把20齿的耙,相比于用一把相同重量的60齿耙,前者耙出的沟要深得多。这是为什么呢?原因很简单,相同的力量下,20齿耙分配在20个齿上,60齿耙要分配到60个齿上,相比于每一个单独的齿,前者分配到的力量是后者的3倍。

我们比较物体所受的压强大小时,不仅要注意物体所受的力,更应注意物体承受这个力的作用面积。相同的力所产生的压强大小,取决于它的作用面积的大小,相比于一平方厘米呢,一平方毫米产生的压强要大99倍。

使用滑雪橇,在松软的雪面上,人们也能够轻松滑行;反之,如仅用双脚,不用滑雪橇,就会深陷雪中。其中的道理与前面分析的相同。因为在相同的身体重力作用下,使用滑雪橇对雪地产生的压强,要比仅用双脚产生的小得多,原因就是滑雪橇的面积远大于双脚的。我们假设两只滑雪橇的面积比我们两只鞋底大20倍,那么,相比于双脚,我们使用滑雪橇对雪面施加的压强,仅相当于前者的。这就是同样松软的雪面,用双脚行走必将深陷雪中,而用滑雪橇,却能轻松滑行的道理。

同样的道理也适用于在沼泽地里工作的马匹。这些马匹的马蹄上一般都要系着特制的“皮靴”,其目的就是增加马蹄对地面的接触面积,从而减小沼泽地面承受的压强,因此能有效地防止马蹄深陷到泥沼里去。在某些沼泽地上,人们也常这么做。

如果某人不得已要从结有薄冰的湖上通过,为了安全,他一定要匍匐前行,其目的也是有更大的面积来支撑身体的重量,以防薄冰破裂,掉进湖里。

另外,那些体型庞大、笨重的装有履带的坦克和拖拉机,即便在疏松地面行驶也不会陷下去,其原因也是于此。支撑重量的面积越大,单位面积上承受的压力就越小。一般地,装有履带的车辆,即使重达8吨甚至8吨以上,其对所受压的每一平方厘米地面的压力,其实还不到600克。如此类推,那些装有履带能自如地行驶在沼泽地带上的车辆,就更加有趣了。那些汽车装载的货物就有2吨多重,可它们对地面的压力,每平方厘米只有160克,这么点压力,不仅仅在沼泽地带,就算在泥泞地乃至沙漠地区,也能自如地行驶。

在技术上,这种作用面积大的情形,与作用面积小的,比如针尖穿透物体的情形是一样的,都可以为人类充分利用。

总体说来,尖锐的物体能轻易插进另一物体,是因为力的作用面积小。同样的道理,用锋利的刀子切割东西远比用钝刀轻松,也是因为力量集中在很小的作用面积上的缘故。

总之,尖锐的物体之所以能轻易刺穿或切断物体,原因是它们尖端或刀刃的单位面积上承受了更大的压力。