杠杆原理的历史

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槓杆存在的历史具有相当久远的历史,从我们的身体的骨骼运作,就是充满著许多槓杆原理的作用。槓杆原理是力学之中最基本的原理,从中国的秤,利用一根杆子两边装上重物与砝码,中间利用吊绳当支点来秤出物体的重量,以及跷跷板、开关、开罐器等都是在生活上应用的一种槓杆原理。古希腊物理学家阿基米德也曾经说过,他可以用极大的槓杆在某个之点将地球移动,更指的是利用槓杆原理用最少的力举起地球。槓杆作用充斥在我们日常生活应用或是机械的作用的应用,甚至童军活动所搭设的罗马炮也是应用槓杆原理。槓杆原理:槓杆的基本结构是由以一根棍材当成杆子,以及三个著力点所组成。在整体的棍材(槓杆)上有一个支撑点,这是可以让槓杆转动的点。 另一边为负荷点,就是要使物体运动的力点。 相反的另一边就是施力点,这就是我们要施力的点。 槓杆应用存在相反的形式:
槓杆原理在应用上主要分有两种不同的形式产生,一种为施力放大,主要是增加施力的力量的应用;另一种为力矩放大,此为让负荷端产生较大距离的移动。A.施力放大:就是支撑点与施力点间的距离,这距离要大於支撑点与负荷点的距离。 这是一般我们最常见的槓杆应用方式,这方式利用较长的力臂,增加施力所产生的力量输出到负荷端,是可以放大力量的槓杆,这是一种省力的装置应用,其优点是可以用较少的力量使负荷端移动。在我们的生活动很多工具都是施力放大的槓杆作用,例如,剪刀、老虎钳、开罐器等。B.力矩放大:就是支撑点与施力点间的距离,这距离要小於支撑点与负荷点的距离。力矩放大作用其优点是负荷端以较长的力臂,在施力点上利用较大的力量,使负荷端增加物体的速度与移动的距离。这种施力方式在一般常用的工具较少见,但是在自然界上最常见,像是在肌肉与骨骼连结运动方式,例如昆虫从的翅膀利用较短的肌肉产生高速度,驱动较长的翅膀摆动,或是罗马炮或重力式的投石器(Ballista),利用重力瞬间产生极大的动力,让施力点移动较少的距离,使负荷端产生较大的移动距离,以增加物体加速的距离。这是另一种力矩放大的样式,常见於投石器(catapult),在施力点上利用绳索绞紧时所产生的反作用力,或是挥动高尔夫球杆或是棒球杆时的动作,放开後产生的动力将负荷端的物体投射出去。让施力点用较高的力量,移动较少的距离,使负荷端产生较大的移动距离,使物体增加加速的距离。
槓杆原理在应用上几项重点:1.力臂越长投掷距离越远:A>B>C
相同的投射物品重量与施力大小,力臂越长投掷距离越远。2.施力越大投掷距离越远:A>B>C
相同的投射物品重量与相同的力臂,施力越大投掷距离越远。3.重量越轻投掷距离越远:A>B>C
相同的施力大小与相同的力臂,物体越轻投掷距离越远。

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杠杆原理亦称“杠杆平衡条件”。要使杠杆平衡,作用在杠杆上的两个力(用力点、支点和阻力点)的大小跟它们的力臂成反比。动力×动力臂=阻力×阻力臂,用代数式表示为F1�6�1 L1=F2�6�1L2。式中,F1表示动力,L1表示动力臂,F2表示阻力,L2表示阻力臂。从上式可看出,欲使杠杆达到平衡,动力臂是阻力臂的几倍,动力就是阻力的几分之一。
  古希腊科学家阿基米德有这样一句流传千古的名言:“给我一个支点,我就能撬起地球!”这句话有着严格的科学根据.
  阿基米德在《论平面图形的平衡》一书中最早提出了杠杆原理。他首先把杠杆实际应用中的一些经验知识当作“不证自明的公理”,然后从这些公理出发,运用几何学通过严密的逻辑论证,得出了杠杆原理。这些公理是:(1)在无重量的杆的两端离支点相等的距离处挂上相等的重量,它们将平衡;(2)在无重量的杆的两端离支点相等的距离处挂上不相等的重量,重的一端将下倾;(3)在无重量的杆的两端离支点不相等距离处挂上相等重量,距离远的一端将下倾;(4)一个重物的作用可以用几个均匀分布的重物的作用来代替,只要重心的位置保持不变。相反,几个均匀分布的重物可以用一个悬挂在它们的重心处的重物来代替(5)相似图形的重心以相似的方式分布……
  正是从这些公理出发,在“重心”理论的基础上,阿基米德发现了杠杆原理,即“二重物平衡时,它们离支点的距离与重量成反比。”阿基米德对杠杆的研究不仅仅停留在理论方面,而且据此原理还进行了一系列的发明创造。据说,他曾经借助杠杆和滑轮组,使停放在沙滩上的桅般顺利下水,在保卫叙拉古免受罗马海军袭击的战斗中,阿基米德利用杠杆原理制造了远、近距离的投石器,利用它射出各种飞弹和巨石攻击敌人,曾把罗马人阻于叙拉古城外达3年之久。

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