從物理角度探討安全問題

【摘 要】物理中的力學知識對安全出行、安全運動、安全生產等眾多方面具有重要的指導意義。作為中學生，我們應該做到理論與實踐相結合，學以致用，讓生活更美好。

【關鍵詞】物理角度；力學；安全

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】1671-8437（2019）04-0245-02

我國先賢們在理論與實踐的關系問題上提出了“讀千卷書，行萬里路”的主張，就是要強調把所學知識運用于生活實踐之中。作為一名喜歡物理學科的學生，對力學尤其興味盎然，結合力學知識，筆者對運動中的安全問題有一些自己的見解，下面就以力學為例談一談我們日常生活中的安全問題。

1 直線運動中的安全問題

眾所周知，如今交通發達的同時交通事故也逐年增多，究其原因大都是司機違規駕駛、超載、超速造成的，為此，很多路段都進行汽車限速。雖然如此，一些司機開車時，對高速駕駛的危害重視程度依然不夠，駕駛的速度往往比較高，造成危害的幾率也就會大大提高。下面通過一道例題來探討緊急情況下汽車剎車的安全距離。

如為了安全起見，在公路上行駛的汽車之間應保持必要的距離。已知某高速公路的最高限速為120 km/h。

假設前方車輛突然停止，后車司機從發現這一情況，經操縱剎車到汽車開始減速所經歷的時間（即反應時間）為0.50 s。剎車時汽車受到的阻力大小為汽車重力的0.40倍。該高速公路上汽車間的距離至少應為多少？（取g=10 m/s2）

解：在反應時間內，汽車做勻速運動，運動的距離為

s116.7m

設汽車質量為m，在剎車時間內由牛頓第二定律得

即剎車時加速度=4 m/s2

則剎車距離s2138.9 m

因此所求距離s=s1+s2=155.6 m

通過上述計算，我們可以知道，限速120 km/h的高速公路上的行車安全距離將近160 m。由以上的計算我們得知，汽車行駛的速度越大，需要的安全距離也越大，而實際上駕駛員在高速公路上駕駛時，很多司機并沒有嚴格保持這個距離，所以存在著安全隱患。同時我們可以推知，越是在能見度較底的濃霧天氣或人群密集的鬧市區，給司機的剎車距離越小，汽車行駛的速度就應該越小，所以，駕駛員必須養成遵守交通規則的好習慣。

2 曲線運動中的安全問題

我們學過離心運動的知識。曾經在網絡上看到過這樣一例交通事故：一段時間內，在四川省某縣山區的一段道路上，在同一彎道處連續發生了幾起交通事故，事故都發生在雨天、傍晚，且都是墜落山崖。這個典型案例牽涉到曲線運動知識。以下題為例：

如汽車在水平的公路上轉彎，設彎道半徑為100 m，車輪與干燥路面間的摩擦因數是0.5，若汽車的行駛速度為16 m/s，汽車會發生側滑嗎？若下雨后汽車與濕路面間的摩擦因數為0.1，汽車仍按原速行駛，會側滑嗎？要使汽車不側滑，汽車的最大行駛速度為多少？取g=10 m/s2

解：設汽車質量為m，在干燥路面以速度v行駛時剛好不側滑，由牛頓第二定律

得22.3 m/s>16 m/s

∴汽車不發生側滑

若 由上式得10 m/s<16 m/s

∴汽車發生側滑

要使汽車不側滑，最大行駛速度10 m/s

由以上定量的計算，我們明白了事故的原因是：雨天汽車與地面間摩擦因數減小，傍晚司機趕路行駛速度較快，在彎道上摩擦力不足以提供足夠大的向心力，導致汽車側滑而墜落山崖。因此，雨雪天氣行車速度要慢。當然曲線運動涉及安全問題的例子還有很多，如在行人較多的生活區，馬路上有時會設置減速帶，即圓弧形的拱形路障。針對這一現象，可以根據圓周運動知識做如下分析。

設汽車質量為m，以速度v運行，減速帶半徑為R，汽車所受支持力為FN，由牛頓第二定律得

得

當汽車運動速度v越大時，汽車所受支持力FN越小；當v=時，FN=0；若汽車速度過大，則汽車將離開路面，增加不安全系數，因此汽車過減速帶時的速度不能

超過；減速帶半徑越小，限制的速度就越小，我們可以通過調節減速帶的半徑，在不同的路段將汽車的速度限制在不同的范圍內，從而提高安全系數；而人們開車或騎車經過減速帶時更應該自動減速。

3 體育運動中的安全問題

如今，我們的課外活動比較豐富，運動項目逐漸增多，隨之，在運動過程中受到傷害的現象也在增多。雖然經驗可以讓人們遠離一些傷害，如太高的地方很多人不敢往下跳；但如果必須跳時，如何避免或減小傷害呢？

如一般成人脛骨的極限抗壓力強度約為

1.5×107 N/m2，脛骨的最小橫截面積一般為3.2 cm2。假若一質量為50 kg的人從一定高度雙足落地，落地下蹲時其重心又下降15 cm，是計算下落高度超過多大時就會導致脛骨骨折。

解：雙腳脛骨橫截面所能承受的最大沖擊力為 9.6×103 N

設人的質量為m，安全下落的極限高度為h1，觸地后重心下降的高度為h2，觸地時人的速度為v，由動能定理 得

設人從觸地到靜止做勻變速直線運動，時間為t，地

面對人的支持力為F，由動量定理得

由運動學公式

解得2.7 m

由上式可知：落地后重心下落的高度越大，人安全下落的極限高度就越高。那么人從高處跳下，落地后應雙腿彎曲使重心繼續下降，這樣可以避免腿部脛骨因承受壓力過大而導致的骨折。

4 平衡時的安全問題

我們都知道物體放在斜坡上時，斜坡傾角越大物體越不容易放穩。那么怎樣使物體在這樣的斜坡上放穩呢？學完重心知識后，有這樣一道例題。

如運輸貨車的制造標準是：當汽車側立在傾角為300的斜坡上時仍不致于翻倒，也就是說，貨車所受的重力的作用線仍落在貨車的支持面（以車輪為頂點構成的平面范圍）內。如果車輪間距離為2.0 m，車身的重心不能高出地面多少米？（設車的重心在車底面的中軸線上）

解：連接貨車的重心O點和前車輪與地面的接觸點A，要使汽車不翻倒，則應，

則汽車重心離地面的高度

因此，我們要讓物體在斜面上安全放置，應盡量使物體的重心降低或使物體與地面接觸的面積增大。這個知識在貨物運輸與較重物體搬移的過程中意義重大，只要引起足夠的注意，就可以指導我們避免安全事故的

發生。

綜上所述，我們可以發現，物理知識對安全出行、安全運動、安全生產等眾多方面具有重要的指導意義。作為中學生，我們應該關注現實，用心思考，做到理論與實踐相結合，把所學知識運用到實際生活中，讓生活更

美好。

【作者簡介】

許梓琛（2001～），男，河南洛陽人，漢沽第一中學2019屆學生。