第1节杠杆

在远古时期，没有现代大型工具，人们在需要搬动大块石头的，往往使用杠杆来撬动，如右图。

三角部分是支点，黑色是木棒。在右边的向下箭头处，是人用力的地方，左边向上箭头处，就是木棒撬动石块的位置。可以用较小的力，撬动左边的大石块。整个杠杆，有两个用力点和一个支撑点。（在以后的叙述中，箭头向下的位置，都表示人用力的地方，箭头向上的位置，都表示物体受力点地方。）

这就是典型的杠杆，是置放连结在一个支撑点上的硬棒，这硬棒可以绕着支撑点旋转。

在中国战国年代，墨子曾提到应用杠杆与其操作机制的机械。古希腊时期，阿基米德和亚里斯托德，都讨论过杠杆原理。其中，阿基米德最著名的言论：“给我一个支点，我就可以举起整个地球。

最开始的杠杆是为了省力，可以使用较小的力来产生较大的力。但在使用中，可以任意调整支撑点和用力的位置，这样就产生不同的应用。

最基本的杠杆如图2.A，比如跷跷板。图2.B的杠杆，比如镊子。图2.C的杠杆，比如核桃夹子。

选读：『『杠杆的作用效果计算：

如图3.A，支点右边木棒长4米，左边1米，在右边放100斤重的物品，则左边可以撬起400斤的物品。实际上，左右两边的（重量×长度）是相等的。当杠杆如图3.B时，支撑点在最左端，右边有100斤放置的长度是5米，则需要500斤向上的力气作用在长度1米的位置。也满足（重量×长度）相等。

杠杆效果可以累加，比如图3.B，在4米的位置放置125斤的物品。则在1米的位置需要1000斤的力气才能撑住。也就是（1000斤×1米）=（125斤×4米）+（100斤×5米）

使用杠杆的结果：如图3A，右边的木棒向下移动0.4米，左边的木棒才向上移动0.1米。虽然可以用100斤的力气撬动400斤物品，但是400斤物品的移动距离却是实际用力移动距离的1/4。』』

事实上说明了一点，天下没有免费的午餐，总是要付出代价。用小的力来移动大重量的物体，代价就是移动距离小。用大的力来移动小重量的物体，效果就是可以移动更大的距离。

生活中的杠杆：

确定以下工具的支撑点和两个用力点

1.啤酒开瓶器，

2.剪刀

3.菜市场里面老式的秤。（包括台秤）

4.筷子

观察家里面的各种工具，确定有哪些是使用杠杆原理。并找出支撑点和用力点，并分类为图2.ABC中的哪一种。

古代的军事应用：

1.美洲人使用的标枪投掷器，阿塔阿塔。

由一根木棒和绳索组成，类似于老式赶马车的鞭子。使用时，人握住木棒的下端，标枪卡在绳索末端的卡子中，用力向前挥动木棒，标枪在最高速时脱离卡子。3万年前的猎人就使用这种方式狩猎。500年以前，在现墨西哥曾存在古代文明阿兹特克，这种投掷器就是其武器之一，标枪可投掷250米。

在体育比赛中，标枪投掷时，运动员的胳膊就相当于标枪投掷器的绳索，躯干相当于木棒。这种情况下的投掷记录可达100米。

比较可发现，使用投掷器，杠杆效果很明显，投掷距离增加了1.5倍。

2.配重式投石器，回回炮

右边是配重，一般是大量石块。左边是待投掷东西，可以是大型石块（破坏防守工事，城墙）、燃烧物、毒药、污染物（动物尸体，用于制造瘟疫，14世纪蒙古人使用这种方法导致鼠疫流行）。由欧洲经伊斯兰地区传入中国，故称之为回回炮。蒙古人在灭亡中国时，使用这种武器进行攻城。攻击距离一般和杠杆长度成正比，大型的攻击距离可以到300米以上。

思考：

1.在什么情况下杠杆无法使用？【当木棒断裂时，杠杆就无法使用。所以木棒要足够结实。支撑点也必须有足够承受能力。】

2.木棒在那个地方的受力是最大的？【杠杆在使用时，木棒不同区域的受力不同，当支撑点在木棒内部区域时，支撑点处的受力最大。当支撑点在木棒端点时，木棒内部的受力点处受力最大。】

观察：

1．在有条件的情况下，观察老式的秤。看秤杆的粗细有什么变化，并思考为什么。

2．用一次性筷子夹物品，每次都比上一次物品重，当筷子断裂时，观察筷子在何处断裂。

3．在有条件的情况下，观察载重卡车车厢下面的承重梁是什么形状，思考为什么。

4.乒乓球和羽毛球，需要发力时都是手腕用力，这样打出去的球速度才快。

5.人的身体充满了各种杠杆。仰卧起坐，腹肌带动上半躯干运动，组成杠杆系统。后蹬跑，跟腱和脚掌、大腿肌肉和膝盖都组成了杠杆系统。咀嚼时，感受下颌的杠杆系统。仔细观察身体，究竟有多少杠杆系统。

6.双截棍，和长棍、阿塔阿塔相比较，看看区别。少年大卫的武器，牧羊人投石子的装置，和赶马车人的鞭子的区别。

全书读完后，尝试一下问题：

1.在杠杆计算时，忽略的木棒的重量。实际计算时，木棒的重量也要考虑在内，在图3.A中，木棒每米重10斤，左边放置400斤物品，右边要放置多少斤才能撬动？

2.如果支撑点支撑不住会发生什么情况？比如在图3.A中，支撑点为大块的干土。左边放置400斤物品（忽略木棒重量），在右边开始慢慢增加物品重量，当物品重量增加到50斤时，支撑的干土开始破碎。此刻，杠杆效果由图2.A变成了图2.B的模式，那么干土受力为多少？

3.杠杆的组合，如何使用2个杠杆，使用100斤向上支撑力来撑住2500斤的物品？

4.图3.A和3.B中，支撑点受力分别为多少？（有条件的情况下，观察老式秤使用情况，并观察支撑点的使用状况）

5.考虑木棒重量，每米10斤。那么问题3中的组合杠杆，需要多少斤支撑力才能撑住2500斤？

梅乐芝经理的科普文章（二）

第2节弹性

橡皮筋比较常见，拉开就能感觉到它的收缩力，拉得越开，收缩力越大。弹簧，是另外一种使用很频繁的工具，也有同样效果。

物体形状发生变化，有一种恢复原形状的趋势，而这种趋势的表现就是弹性。衡量弹性的大小就是弹性力。

英国人胡可给出了以他名字命名关于弹性的定理，弹性力的大小和形变成比例关系。

日常生活中，大量存在着弹性的使用。从玩具到乐器，无所不在。因为物体的形变可以有很多形式，对应弹性也表现为很多种形式。以弹簧为例，沿着弹簧的纵向，拉伸或压缩，就产生相应的拉力或弹力。将弹簧扳成弓形，则产生侧向的弯力。像开锁一样扭弹簧，则产生扭力。这些力，都是以恢复原形状的作用方向命名，都可以统一命名为弹性力。

特别的弹簧：空气，可以大幅度压缩在密闭的空间。当气体压缩后，产生弹力。

生活中出现的弹性：

1.简易弹簧秤

2.席梦思床垫

3.锁

4.发卡

观察生活中出现的各种弹性，并分析对应的弹力是何种情况。

有条件的情况下，尝试使用细铁丝制作弹簧。在一根圆棒上（比如擀面杖、竹竿，最好是一端稍粗，一端稍细，方便取下铁丝），用细铁丝均匀缠绕，固定较长时间后取下。检验这个弹簧，在什么情况下，可以有效产生弹力，在什么情况下，失去弹性。

弹性的应用非常早，在狩猎时代，标枪和弓箭是史前时代的最强有力工具，人类借助这些工具配合陷阱，可以战胜力量和速度远胜人类的猛兽。

古代的军事应用：

1.弓箭

弓臂是由弹性好的材料制作，弓拉开后弓臂产生极大的弹力，由弓弦将力传至箭上，使箭获得很大的发射速度。

弩是弓的变形，有箭的导向板和弦的卡座，由扳机决定发射与否。

弓的优点：在单位时间内，弓可以射出更多的箭，弓的个头可以做的较小（反曲弓），便于携带，操作便利、灵活，对箭的要求低。更适合地形复杂的丛林、快速移动的骑兵。

弓的缺陷：弓全凭操作者的臂力，在持续发射30只左右后，弓箭手力气基本耗尽。射击的准确度完全依赖操作者的感觉，要对弓箭手进行长期训练才能合格。

整体而言，对器具的要求低，对操作者的要求高，适合游牧部落使用。

弩的优点：操作人员稍做培训即可使用，可以使用腰部力量和腿部力量增加上弦，精度高，威力大。可以小型化作为一次性攻击武器，大型化可以攻击工事、营地。（秦-明.蹶张弩、腰开弩，三国.连弩，唐.床弩，宋.神臂弓）。

弩的缺点：射速慢，对箭的加工精度要求高。本身较大，运输条件要求高，后勤压力大。对器具的要求很高，对操作者的要求低，从制作到维护，文明程度高才能大规模制作使用。（特例：连弩可以持续发射，是古代版的冲锋枪。但威力相对小，对箭的加工精度要求很高。）

2.投石器

原理和捕鼠器相同。通常的捕鼠器是由扭力弹簧组成，诱饵触动扳机。投石器依靠扭绞绳索产生力量弹射。弹射杆平时是直立的，杆的顶端是装弹丸的开口容器，杆的下端插在一根扭绞得很紧的水平绳索里。弹射时，先用绞盘将弹射杆拉至接近水平的位置，容器内放进弹丸。松开绞盘绳索时，弹射杆恢复到垂直位置将弹丸射出。

类似装置有：古希腊投石车、三国霹雳车、北宋旋风炮。自宋开始，火药开始进入军事领域，于是投掷火药包，称之为霹雳炮。并且开始出现原始的火、枪，由火药产生推动力来发生弹丸，称之为突火、枪。砲逐渐过渡到炮。在明时期，神机营就是专业火器营。

思考：

1.物体形变后，什么情况下，不产生弹性？【当物体形变后，无恢复原形状的趋势时，将不产生弹性。比如土块。】

2.铁丝和钢丝的成分主要都是钢，但钢弹性比铁好，实际使用的弹簧都是各种钢制品。【铁丝形变后恢复能力差，也就是说形变稍大，就无法恢复原形状。而钢丝则在形变很大时，还可以保证恢复能力。。】

3.固体产生弹性，比如弹簧，气体产生弹性，比如气、枪。液体能产生弹性吗？【液体和气体都没有固定形状，在密闭空间中（比如玩具水枪和自行车内胎），液体很难压缩，气体很容易压缩。所以通常情况下，液体无弹性。特殊情况：在物体高速与液体相碰，因为时间非常短，液体来不及移走，并且很难压缩，此刻液体就像固体一样坚硬。高空跳入水中，对人而言，水面就和水泥地面一样效果。高速水流可以切割金属，效果等同于工具钢刀。】

观察：

1.如果有高压锅，比较高压锅放气和和气球放气的异同。

2.检查自制的铁丝弹簧，观察何时有弹性，何时无弹性。

3.给自行车车胎打气，检查满、半满情况下，骑车的感觉。路况较差的道路上更易体会。

4.F1赛道内侧，尤其是弯道附近，放满了轮胎外胎。为什么？

5.体育中的蹦床比赛，观察比赛中运动员的动作和最后结束时动作的差别。

　　　　　　　　　　　　　　　　我们的1654外传：吴厂长的船

作者为VIP读者吴杰

吴厂长的船（1）第一款纵帆战船

随着安江船厂双桅纵帆船的热、卖，海安队员们感觉压力不小：在强劲侧顺风时，他们的机帆船有时候甚至没有纵帆商船跑得快！

基于汉唐众普遍存在的危机感，汉江造船厂适时推出了双桅纵帆战舰－－其实这款战船是与双桅纵帆船同期开发的，只不过船厂对军工产品的性能精益求精（或者说吹毛求疵），导致了产品严重滞后于需求。

新型战船被海安大队亲切地称为＂安江级驱逐舰＂，这是一款漂亮的双桅纵帆船。它体形修长优美、艏艉高挑，甲板上干净利落，除了一米多高半米来厚的胸墙，再没有任何上层建筑。

相对于商船，安江级驱逐舰加大了船壳厚度，增加了上层甲板，提高了防护能力和结构强度。它的甲板为拱形以方便排水；所有的控帆索具也全部集成到甲板下面，置于其保护之下。

由于不用追求装载空间和装载重量，它的V型船底非常廋削，水下线型严格遵守流体力学规范来设计，在水下截面积和阻力系数双双减少的情况下，其行驶阻力降低了一半还多。安江级采用水线尖舭设计，又加大了压舱重量，从而增强了稳定性和扶正力矩，使船可以配备更强劲的帆索系统：在实际海试中，安江一号取得了最高16节的成绩，孙大队长对此表示满意。但如此设计不是没有代价的：战船比同样长度级别的商船满载排水量减少了四分之一多，自重却远高于同级商船，导致齐装满员时安全载重量甚至不足50吨。

控帆索具通过若干滑轮联通到艉楼的驾驶舱，水手通过两只脚踏绞盘控制风帆。驾驶舱中有左右两个联动的舵轮，舵手可以使用上风位的舵轮控制航向，以便不被风帆遮挡视线。出于安全考虑，安江级增加了一只副舵叶，在主舵损坏时仍然可以航行。

下层甲板中段（舯部）作为作战舱，共装备了四门75mm火炮和两挺手摇加特林机枪（必要时可以加倍）。火力舱左右通透，地板上安置了六条左右方向、带齿条的滑槽导轨：中部四条导轨安装全向旋转炮架，前后各一条导轨安装活动机枪架。战时枪、炮可以全部固定到左侧或右侧炮位输出火力，也可以根据需要分别固定在左右舷侧分配火力。

左右各六囗炮窗平时用钢板遮盖，枪、炮平时均固定于中轴线附近，强侧风时可以沿导轨推到上风侧固定以平衡船体。

船用火炮防制于法国1897式75mm速射野战炮，并重新设计了旋转炮座使其可以360度回旋。在原型弹药的基础上减少发射、药量以降低膛压、增加火炮寿命。虽然炮弹初速从500m/s降到400m/s，但是其直瞄射程仍然超过5000m，在本时代足够形碾压效果。

炮弹有穿甲弹和榴霰弹两种：穿甲弹高爆弹用于攻击掩体，它使用机械延时引信，设计为剧列碰撞后百分之一秒爆炸，木船时代基本上无解。榴霰弹用于对付有生目标，它采用燃烧延时引信，装弹前根据目标距离调整好刻度，发射后在目标前10-20米爆发。它爆炸时相当于小型火炮抵近发射霰弹，对无防护生物杀伤巨大。

海安大队对新舰非常满意，正是海安级的优秀品质促使孙大队长下定决心，提前进行远洋投放训练计划。

吴厂长的船（2）汉唐需要巡洋舰

首次远洋投放训练计划圆满结束了，海安队员对安江级驱逐舰赞不绝口。

安江级的安全性和适航性得到了检验：航行期间遭遇了几次小型风暴，大部分明人船只都受到了不同程度的损伤，还沉没了两艘排水量四五百吨的广船（看来褔船的适航性确实比广船好些）而咱们满载排水量仅220吨的安江级确丝毫未损。

安江级的航行速度快、转向性能好、火力没话说，所有对咱们有敌意的船只，除了击沉的之外一艘都没跑掉。此次出航他们的两艘战舰（共四艘，台湾海峡留了两艘）就俘获了大量海盗和海盗船，以及大批物资。在经过两次实战之后，孙大队长卑鄙地让一艘战舰拖后，押着大半明人船队和俘获的夹板船躲在视线之外，自己带船混在少量明人船只里面冒充肥羊，引别人来抢，在反抢得手后再用对讲机通知船队前来接收。这一圈下来，几乎所有视线所及的武装商船都被鉴定为海盗船而被汉唐俘虏。你说那是商船？对不起他们向我们开火了，我说那就是海盗。