淺議刀具中的力學知識

孫偉哲

【摘要】從日常生活出發(fā)，了解生活中普遍用到的工具。刀是生活中必不可少的用具，也是人們使用最頻繁的工具之一。因此，一方面，從各種刀具的外觀出發(fā)，發(fā)現(xiàn)其形狀、結構上的特點；另一方面，則是結合刀具的功能和用途，對刀具使用過程中的情況進行分析，從動力學的角度去研究；動力學是理論力學的一個分支學科，它主要研究作用于物體的力與物體運動的關系。后基于這個角度建立了物理模型。然后根據(jù)各種刀具的受力情況進行分析，綜合比較，最后得出結論。

【關鍵詞】刀規(guī)格力切割控制變量

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(lián)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(tǒng)計如表1和表2（僅作粗略統(tǒng)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(xiàn)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(nèi)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(shù)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(chǎn)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(xiàn)一定，S越小，P越大；S一定，F(xiàn)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(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)——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(jīng)過觀察，我們發(fā)現(xiàn)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(jīng)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(zhì)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(zhì)量。于是，我們首先在社區(qū)里進行了一個“刀的使用情況”調(diào)查。

質(zhì)量不同的刀究竟有何不同？我們做了一個實驗：

讓三把質(zhì)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(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)：水果刀的質(zhì)量最小。經(jīng)過分析后得到刀的質(zhì)量大，慣性大，運動狀態(tài)難以改變。再經(jīng)過詳細地分析，得出以下結論：

當?shù)稄南嗤呖兆杂陕湎聲r，刀以重力加速度g加速運動，它接觸到物體時的瞬時速度為V=2gh，當?shù)督佑|物體后合力F合=f-mg，這段時間內(nèi)刀的加速度a=F合/m=（f-mg）/m=f/m-g，則刀在物體中的位移S=V2/2a=2gh/（f/m-g）。

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(zhì)量的增大而增大。

我們得出，切相同的物體，刀的質(zhì)量越大，使用起來就越省力。

刀的質(zhì)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(zhì)量的刀。

三、結論

1.本文主要采用測量、調(diào)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(shù)據(jù)嚴謹記錄，認真分析。

2.通過多次實驗，再經(jīng)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(zhì)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(shù)據(jù)的測量還存在一定的缺陷；個別數(shù)據(jù)只采用了一次測量、一組數(shù)據(jù)，難免不會有疏漏，難達盡善盡美，仍留有遺憾。

參考文獻：

[1]趙偉良.動力學問題的整體分析法.數(shù)理化學習，2003，（16）.

[2]常興艷.解決動力學問題的思維方法.數(shù)理化學習，2004，（07）.

[3]程嗣，程首憲.高考物理中的動力學問題歸類和解析.現(xiàn)代物理知識，2006，（06）.