壓力作用的效果與接觸面關系淺探

朱捍東　邢海根

眾所周知,力的作用效果與力的三要素有關,力的大小、力的方向和力的作用點不同力的效果就可能不同.在研究壓力作用的效果時,發現作用效果與壓力大小有關,還與受力面積大小有關.為了表示壓力作用效果的明顯程度,物理學上引入了壓強的概念.用壓強表示壓力作用的效果,壓強越大,壓力作用效果就明顯,壓強越小,壓力作用效果就越不明顯.而實際上,相同的壓強,壓在不同的材料上,卻表現出不同的效果,那么壓力作用效果是否與受壓面的材料有關呢?本文從以下幾個方面來討論這個問題.

一、力的作用效果的表現形式

力的作用效果主要表現在兩個方面,第一個方面是使物體形變;第二個方面是使物體的運動狀態發生變化.在研究力的效果時,引進了力的三要素,即力的大小、方向和作用點.教材在研究力的效果與力的大小關系時,主要是通過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的結論;在研究力的作用效果與力的作用點有關時,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,發現形變的程度不同,從而得出力的作用效果與力的作用點有關.在研究力的作用效果與力的方向有關的實驗中,彈簧片的形變程度是相同的,只不過是形變的方向不同,最后得出力的作用效果與力的方向有關的結論.可見同一個物體形變的程度不同,形變的方向不同,我們就說力的作用效果不同.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法說明力的效果是否相同.這是因為不同的物體的彈性大小不同、機械強度也不同,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可能不同,這兩個力使物體的形變程度往往是不同的;再從力使物體運動狀態發生變化的角度來看,兩個物體的質量可能不同,引起物體運動狀態的變化往往也是不同.所以說,大小和方向相同的力作用在不同材料的物體上,產生的效果一般是不同的.可見,只有力的三要素完全相同時,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,力使物體運動狀態變化這一效果才是相同的.

二、從能量轉移和轉化的角度看物體間力的作用效果

力是物體之間的作用,一個物體對另一個物體施加力的作用時,實際上是能量轉移和轉化的過程.力使物體形變的過程中施力物體的能量一部分轉化為彈性物

體的彈性勢能和內能.力使物體運動狀態變化的過程中,施力物體的能量轉移為受力物體的機械能或轉化為受力物體的內能.不同的材料的彈性系數和摩擦系數不同,相同大小的力施加在不同的物體上損失相同的能量,不同的受力物體產生的形變或獲得的機械能也就不同,這樣相同大小的力,作用在不同材料的物體上,產生的效果也就不同.反過來說,相同大小和方向的力所表現出的效果與受力物體的材料有關.也正是因為如此,在研究力的作用效果時,總是控制受力物體的材料不變,即用相同的受力物體.

三、壓強表示壓力的作用效果的條件

力的作用點是物理學上的一種理想模型,實際上,力的作用并不在某一個點.對于壓力而言,它的方向是確定的,即與受壓面垂直.但它的大小是可變的,作用點其實是個“作用面”.從力的三要素來講,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.如果同一個物體,質地不均勻,不同位置其彈性大小、機械強度大小都不同,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.在物理學上研究力的作用效果時,總是從力的三要素上來研究的,壓強是單位面積上的壓力,實際上它包含了力的三要素.在研究力的作用效果時,如果用不同材料的物體進行研究,同樣大小和方向的力,作用于不同材料的兩個物體上,很顯然產生的形變不同,實際上,大小和方向相同的力,作用于兩個物體上,由于作用點不同,應該把它們看成兩個不同的力,也就是說“力的三要素”已經不同,力的效果也就可能不同了,只不過這兩個力產生的壓強是相等的.而同一個質地均勻的物體,在大小和方向相同力的作用下,雖然作用點不同,但產生的形變程度相同.可見同一質地均勻的材料,它的不同位置,相同大小的壓力對它們產生的效果是等同的.這樣單位面積上的壓力大小相同時,產生的效果也是相同的,或者說受壓物的形變量是相同的.也就是說相同的材料,在相同的壓強下,產生相同的形變量,當壓強越大時,產生的形變量也越大.這樣相同的受壓材料,便可用壓強的“大”或“小”來代替壓力作用效果的“強”或“弱”.正因為如此,在研究壓力作用效果時,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”.可見用壓強的大小來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

從壓力的性質來講,壓力屬于彈力,在彈性限度范圍內,它使物體形變的程度與材料的彈性系數有關,還與壓力的大小有關,而受力面積的大小實際上是影響彈性系數的大小.這一問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,除用硬度計來測量外,就是用相同的鋼釘從同樣高處自由下落,來撞擊不同的材料,最后比較材料的形變程度.其實用相同的鋼釘從同一高度自由落下,目的是對材料產生相同的壓力(沖力),同一鋼釘打擊不同的材料時的受力面積是相同的,實際上就是產生的壓強是相同的.這說明物體的形變程度不僅與硬度有關,而且與壓強有關.如果是同種材料,由于它們的“彈性”和“硬度”相同,在相同的壓強下形變是相同的,只有在不同的壓強下,形變才不同.但是相同的壓強,作用在不同“彈性”和“硬度”的物體上,明顯表現出不同效果.

力的作用效果與力的大小、方向和作用點有關,力的作用點不同時,力的作用效果往往不同.壓力也是有大小、方向和作用點的,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,不必考慮方向,只考慮大小和作用點,而實際上,它的作用點是一個面上,只有這個面上的每個點可以相互替代,才能說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,或者說壓強相同時,受壓材料不同,壓力的效果可能不同.在不考慮物體運動狀態的變化時,不同的壓力,作用在相同的受壓物體上,物體產生的形變程度不同,我們說壓力的效果不同.同理,相同的壓力(壓強)作用在不同的材料上,產生的形變程度也是不同的,我們說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.

(責任編輯:易志毅)