對大學(xué)物理理論教學(xué)中力學(xué)的研究與嘗試

摘 要：在大學(xué)學(xué)習(xí)物理有關(guān)專業(yè)的學(xué)生，開學(xué)后一般都需要先學(xué)習(xí)大學(xué)物理中的理論力學(xué)。這是一門基礎(chǔ)的專業(yè)課程，內(nèi)容是在數(shù)學(xué)和大學(xué)物理的基礎(chǔ)上延伸到材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)，也就是說它的內(nèi)容是從基礎(chǔ)課程轉(zhuǎn)換到專業(yè)課程，因此，理論力學(xué)這一門課可以作為一個過渡課程，它對于大學(xué)生在往后的專業(yè)學(xué)習(xí)中提供了很大的幫助。本文通過對臺球和滑動推拉門阻力進(jìn)行分析，對理論力學(xué)進(jìn)行簡單的研究。

關(guān)鍵詞：理論力學(xué) 臺球 推拉門滑力

一、對臺球運(yùn)動理論力學(xué)的運(yùn)用進(jìn)行簡單分析

說到臺球，大家都知道這是一項在國際上廣泛流行的高雅室內(nèi)體育運(yùn)動，是一種運(yùn)用球桿在臺上對球進(jìn)行推動讓其進(jìn)球、依靠計算進(jìn)球得分確定比賽勝負(fù)的室內(nèi)娛樂體育項目。臺球在桌上進(jìn)行運(yùn)動時是以質(zhì)點(diǎn)為中心，繞其進(jìn)行運(yùn)動。臺球桌面具有一定的粗糙程度，并且臺球在桌面上進(jìn)行運(yùn)動時，會受到摩擦開始不同向方向的運(yùn)動，桌面的摩擦力對臺球起著非常重要的作用。臺球制作標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格，它必須是一個非常勻稱的剛體小球，因此，小球的重心一定在球心的位置。當(dāng)臺球受到球桿的作用力時，如果這個推力經(jīng)過球心，根據(jù)理論力學(xué)中的質(zhì)心運(yùn)動原理我們可以知道，在這樣的情況下，臺球會在桌面上進(jìn)行平動運(yùn)動，當(dāng)涉及到平動運(yùn)動時，我們也可以利用動量定理進(jìn)行解釋，動量原理就是物體動量的增量等于它所受合外力的沖量即Ft=Δvm，或所有外力的沖量的矢量和，也就是說臺球受到球桿對其的沖量與動量的改變量相等。當(dāng)臺球受到球桿的作用力屬于偏心力，也就是球桿的作用力不經(jīng)過臺球球心時，臺球除了進(jìn)行平動運(yùn)動還會進(jìn)行轉(zhuǎn)動運(yùn)動，此時的平動運(yùn)動依然遵循動量定理，而轉(zhuǎn)動運(yùn)動則遵循轉(zhuǎn)動定理，轉(zhuǎn)動定理是指臺球所受的對于某定軸的合外力矩，其公式為：Mz=Jβ，其中Mz表示對于某定軸的合外力矩，J表示臺球繞給定軸的轉(zhuǎn)動慣量，而β表示角加速度。

要想使臺球進(jìn)行運(yùn)動就需要球桿對其進(jìn)行作用力，當(dāng)產(chǎn)生這個作用力之前必須選擇一個合適的作用點(diǎn)，因此，在臺球進(jìn)行擊球時必須要選擇一個合適的擊球區(qū)以及擊球角度。在臺球的運(yùn)動規(guī)則中，我們需要通過擊打母球來使花球，色球或者黑八進(jìn)袋，在母球上通常都有一個用來擊打的點(diǎn)叫做擊點(diǎn)，使用球桿擊打母球時，我們需要與母球進(jìn)行平視，通過平視的角度，我們可以看到圓球的一個圓面，擊點(diǎn)可以是圓面上的任意一個點(diǎn)。但球桿和球面都是一個有弧度的物體，在實(shí)際操作過程中，不可能每一桿都擊中球體的中心，當(dāng)球桿的弧形撞頭與有弧度的球體發(fā)生碰撞時，總會發(fā)生一定的偏差，這就是我們平常所說的滑桿，由此我們可以知道母球上并非每個點(diǎn)都可以作為擊打的對象，為了防止在進(jìn)行臺球比賽時出現(xiàn)滑桿的情況，我們需要對擊球的球面進(jìn)行一定的范圍控制。利用我們上文所說到的動量定理和轉(zhuǎn)動定律，列出公式進(jìn)行球面擊點(diǎn)的范圍計算。

由圖1所示我們可以知道，只有在球桿撞頭在臺球擊點(diǎn)方向的切線時受到的摩擦力不超過其最大摩擦力才能不發(fā)生滑桿現(xiàn)象。摩擦力的公式為F=μ×FN，其中μ為臺球和桌面之間的摩擦因素，F(xiàn)N為壓力大小，因為臺球的質(zhì)量是固定值，因此臺球?qū)ψ烂娴膲毫Υ笮∫矠楣潭ㄖ担@時只有臺球與桌面之間的摩擦因素作為摩擦力數(shù)值的關(guān)鍵因素。在平常的臺球比賽中，我們可以發(fā)現(xiàn)很多臺球運(yùn)動員會使用粉塊對球桿頭進(jìn)行摩擦以減少球桿與臺球之間的摩擦力。

二、推拉門滑動中理論力學(xué)的運(yùn)用進(jìn)行簡單分析

推拉門在我們生活中應(yīng)用的頻率很高，在現(xiàn)代的家居裝修當(dāng)中，很多家庭都選擇使用推拉門。隨著使用次數(shù)的增加，推拉門在推動的過程中越來越費(fèi)勁，但是如果在推拉門上把手的時候把力道用在靠近地板的位置，或者在推拉門的門下加上一層蠟，在推起來的時候就會順暢很多。所以，門與門檻之間的摩擦力決定著我們推門時使用的力道，還有一種情況就是當(dāng)我們是使用力道在推拉門離地板更近的位置時，也可以用更小的力度推動門扇。當(dāng)然，這些現(xiàn)象也可以運(yùn)用大學(xué)物理力學(xué)理論進(jìn)行解釋。

如圖2所示，在不考慮重力的情況下，摩擦力來自于門扇與地面橫梁的接觸，但是，橫梁的作用僅僅只是為了防止門扇傾倒，所以摩擦力就來自于門扇與地面。并且在推拉門上施加一個與地面平行的力，當(dāng)這個力從零開始增加到一定的力度時，門就開始滑動，因為門與地板之間存在一個與p平行且方向相反的摩擦力。因此，必須要增加到一定力度時門才開始活動。

圖3所描述的那樣，在拉門不受到p的作用力時，門扇受到的重力以及地面對門的推力屬于一個均勻分布的力系。我們把圖進(jìn)行簡單化分析，當(dāng)p力發(fā)生作用時，地面的阻力就會產(chǎn)生摩擦力，這個摩擦力與p力形成的對偶力阻止了門扇的移動。

結(jié)語

從本文對臺球以及推拉門的分析，我們可以知道在生活中有很多地方應(yīng)用到物理力學(xué)，并且很多研究對象會有大庭相徑的地方，學(xué)生可以在生活中親自動手實(shí)踐，對物理理論力學(xué)進(jìn)行研究和探討。在實(shí)踐中，對課本知識進(jìn)行深刻的了解，對理論力學(xué)的學(xué)習(xí)打下了堅固的基礎(chǔ)。

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作者簡介

韓志茶（1986.1—），男，籍貫：云南大理，碩士研究生大學(xué)講師，大理農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：理論物理。