淺議刀具中的力學知識

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(山東省泰安第一中學〈青年路校區(qū)〉)

一、刀具的常見種類及特點

市場上提供的刀具種類繁多，通過走訪刀具市場、五金店等處，初步了解到與我們生活密切聯系且使用頻率較高的刀具主要有一下幾種：普通菜刀、水果刀、帶鋸條的鋸齒刀、剁骨刀等。這些刀具的外觀、材料、用途、重量、長短都各不相同。列表統計如表1和表2(僅作粗略統計)。

二、刀具的外形及所涉及力學知識

了解到這些信息之后，又對刀具的外形進行研究，發(fā)現了如下表所示的力學知識：

可見，這些力學知識主要涉及以下內容：

1.力的合成與分解。力的合成與分解滿足平行四邊形定則：如果用表示兩個共點力F1和F2的線段為鄰邊作平行四邊形，那么合力F的大小和方向就可以用F1、F2所夾的角的度數以及大小來表示。

2.壓強的計算。物體所受的壓力與受力面積之比叫做壓強，壓強用來比較壓力產生的效果，壓強越大，壓力的作用效果越明顯。壓強的計算公式是：p=F/S，壓強的單位是帕斯卡，符號是Pa。

實踐是檢驗真理的唯一標準，于是我們又做了以下幾個實驗：

(一)研究刀刃厚度與用途的關系

實驗一：使用各種刀具切土豆

實驗二：用同樣大小的力去劃同一本書

綜合兩表以及刀具的規(guī)格，刀越鋒利，劃切物體越容易，即刀口越薄，越容易切物體。為什么呢？

我們想到力在面積上的反映——壓強。由P=F/S，F一定，S越小，P越大；S一定，F越大，P越大。因此，刀的鋒利程度與刀刃厚薄有關。

(二)研究刀口的楔形程度與用途的關系

后經過觀察發(fā)現，刀口的楔形程度和刀身的扁平程度直接影響著人們對刀的使用。因此，我們對剁骨刀、裁紙刀、普通菜刀、水果刀進行了研究，并做了幾項實驗(實驗略)。

通過實驗可得，用剁骨刀砍的兩塊骨頭深度大，用普通菜刀砍的那根骨頭的切口深度小，還有一個重大發(fā)現——普通菜刀刀口有點兒卷。

再仔細觀察兩種刀具，普通菜刀的刀身要比剁骨刀扁而且平，因而它所能承受的外力較小，容易在受到強烈沖擊后卷起來；剁骨刀刀身厚且不平整，因而它所能承受的外力要大一些。

這也使我們認識到刀身較薄的刀(如普通菜刀)不能用來砍骨頭這一類的硬東西，而應該選刀身較厚的刀(如剁骨刀)來砍，否則容易將刀口砍缺或砍卷，影響刀的使用壽命，當然，砍硬物品的刀還與刀刃的硬度有關。

(三)研究刀身寬窄與用途的關系

經過觀察，我們發(fā)現為什么刀身有寬有窄呢？于是我們通過實驗研究了刀身寬窄與用途的關系：

經過對刀的寬窄初步認識之后，通過用菜刀和水果刀切土豆實驗得出：刀身越寬的刀，方便于切物體；刀身越窄的刀，方便于割物體，這是什么原因呢？我們對菜刀寬窄與用途做了具體研究(規(guī)定刀身的長度、厚薄一定，且切物體時，刀與物體的接觸點相同)。

(四)研究了刀身質量與用途的關系

最后，差點忽略了一個最基本又最容易感覺到的問題——刀的質量。于是，我們首先在社區(qū)里進行了一個“刀的使用情況”調查。

質量不同的刀究竟有何不同？我們做了一個實驗：

讓三把質量不同的刀從相同的高度自由落下，切同一個紅薯。

刀口最鋒利的水果刀切入紅薯卻最淺，這是什么原因呢？再看表中數據，我們發(fā)現：水果刀的質量最小。經過分析后得到刀的質量大，慣性大，運動狀態(tài)難以改變。再經過詳細地分析，得出以下結論：

因此，在我們控制高度h和刀所受阻力f不變時，刀切入物體的深度隨刀的質量的增大而增大。

我們得出，切相同的物體，刀的質量越大，使用起來就越省力。

刀的質量越大，使用越省力，但有時使用省力，切出的物體卻不能達到最好的效果。因此，人們往往會因物體不同而選擇不同質量的刀。

三、結論

1.本文主要采用測量、調查、以及實驗的方法來探究有關于刀具的力學知識，多采用對比、控制變量法、重復操作來進行實驗，對實驗數據嚴謹記錄，認真分析。

2.通過多次實驗，再經過仔細分析，在用刀過程中，刀口厚薄、刀身寬窄、刀刃楔形程度大小以及刀的質量等都是影響刀具使用的因素，其中也蘊含了諸如力的合成與分解、壓強、加速度等力學知識，通過這次研究，受益匪淺。

3.雖然多次實驗，但囿于實驗器具有限且測量精度不夠高，因此對于實驗數據的測量還存在一定的缺陷；個別數據只采用了一次測量、一組數據，難免不會有疏漏，難達盡善盡美，仍留有遺憾。