两人前后抬箱上楼,谁更费力

来源 :中学生数理化·八年级物理人教版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:songchuans
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  读者周华问:“两人前后抬箱子上楼,谁更费力?”为了回答这个问题,我们首先要了解力矩的概念.
  力矩又称为转矩.它是一个描述物体在力的作用下绕着转动轴或支点转动的物理量.图1是一根水平放置的细杆.它的两端分别悬挂着质量为m1和m2的物体.图中的o点为支点.ml和m2距o点的距离分别为a、b.m1和m2所受的重力分别为m1g和m2g,这两个重力对支点O施加的力矩分别为m1ga和m2gb,若m1ga>m2gb,则细杆将绕着D点做顺时针方向转动:若m1ga  了解了力矩的概念,我们就很容易得出两人抬箱子上楼,究竟谁更费力的答案.
  图3是两人抬箱子上楼的示意图.假定箱子内物体的质量分布是均匀的,则箱子的重心在箱的中心处,另外抬箱两人的双手都是抬着箱底部的两端,假定前后抬箱人用力分别为.f1和f2,于是以箱重心为支点o,两人施以的力矩分别为f1a和f2b,其中a和b分别为f1和f2至箱重心(支点)O的垂直距离。由于在抬箱上楼过程中,箱子本身并未绕着支点o转动,即有f1a=f2b.且在抬箱子上楼的过程中,箱子是倾斜的,这就造成bf1,即后面抬箱的人比前面的人要更费力些.如果在平地抬箱子,显然有a=b,于是f2=f1,即前、后抬箱的两人所用的力相同.
  需要指出的是.上述结论是在下述条件下得出的:(1)箱整体的质量分布是均匀的,于是箱的中心就是它的重心.(2)两人抬箱子时都托住箱两端的底部.如果两人抬箱的作用点是箱对角线的两端,则不论箱如何倾斜,两人所费的力是相等的,
  在我们日常生活中经常会遇到力矩的概念,例如,开或关一扇门就需要对它施以力矩.图4表示一扇门.门的宽度为a,00′为它的转轴.如果外力f垂直施于该扇门的门面边缘,即f的方向与门面的垂线方向一致,则外力厂施于门的力矩为fa.若厂与门面法线方向有一个除90°夕l的夹角,此时f至门转轴OO’的垂直距离就要小于门的宽度a,外力f施于门的力距就小于faf与门面垂线方向的夹角越接近90°.力矩就越小,开或关门就越费力.若这个夹角等于90°,即外力厂的方向在门面上(如图5),则力矩为零,此时即使厂很大,也不能使门转动.由此看出,要使一扇门(或物体)转动,必须对它施以力矩,光有力是不行的!
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