图解-简述10个生活或工程中的力学问题

2013
个生活或工程中的常见问题
Lucsam 兰州交通大学
2013/5/12
简述10个生活或工程中的
力学问题
一、工程建筑中的弯曲问题
1.工程问题
在建筑工程中,弯曲变形是结构常见的基本变形形式,比如楼房墙体外突
出的空调支撑小平台.
2.关键词:
剪力,弯矩,力偶
3.相关的力学知识分析:
如上图所示的梁段上外力只有F A ,为保证y方向上的平衡，l-l截面上必定
存在一个方向与F A 相反的力，该力有使梁产生沿截面产生剪切错动的趋
势，所以称为剪力，记为F S . F S 和F A大小相等方向相反，构成一力偶，而力偶只能与力偶平衡，因此在横截面上必定存在一个力偶M，此力偶
使横截面产生转动而引起梁的弯曲，故称为弯矩。

F S和M就是梁的的弯
曲内力。

二、指甲刀的省力问题
1.生活现象
小小的指甲刀，不用很费力，就可以轻松地剪去手上的指甲，其中
的原理，又是怎样的呢？
2.关键词：杠杆原理，省力杠杆。

3.相关的力学知识分析：
杠杆原理亦称“杠杆平衡条件”。

要使杠杆平衡，作用在杠杆上的两
个力矩（力与力臂的乘积）大小必须相等。

即：动力×动力臂=阻力
×阻力臂，用代数式表示为F1· l1=F2·l2。

式中，F1表示动力，
l1表示动力臂，F2表示阻力，l2表示阻力臂。

从上式可看出，欲使
杠杆达到平衡，动力臂是阻力臂的几倍，动力就是阻力的几分之一。

而在指甲刀中，F1就是大拇指按的那个杆，F2就是指甲给指甲刀的
力到支撑点的距离。

三、叉车起升原理
1.工程问题
分析叉车起升机构的起升原理。

2.关键词：叉车，起升原理，传动，拉力。

3.相关的力学知识分析：
提升货物时，高压油通过分配器和输油管连续不断地进入起升油缸，在
高压油的作用下把柱塞顶起上升，同时时链条拉动，产生拉力F作用于
属具架，并可以使货叉上的货物随之上下运动。

四、人乘电梯时的受力分析
1.生活现象
人在乘坐封闭式电梯时，明显能感觉到自己受到了力的作用，并且
其在不同时期身体感觉也不一样。

2.关键词：电梯，人，上升，下降，加速度。

3.相关的力学知识分析：
由上图分析可知，在加速上升和减速下降时，加速度a方向向上，
人体受到的地板给予的支持力FN大于自身重力G;减速上升和加速下
降时则相反。

这是为什么人体感觉到不舒适的原因。

五、梯子倚靠在墙体上时的受力平衡分析
1.生活现象
日常生活中，人们在使用梯子时都习惯将其倾斜地倚靠在墙上，而
梯子也能较好的保持稳定，现特别对梯子在这一状态下的受力进行
分析。

2.关键词：梯子，靠墙，平衡，受力分析。

3.相关的力学知识分析：
可见，梯子受到墙体和地面的支持力FN1和FN2，以及地面给予的
摩擦力f，三者合力可以与梯子自身重力G平衡，使梯子保持平衡。

六、蹦极的刺激与力学的联系
1.生活现象
蹦极作为一项极为刺激的极限运动，被认为是勇气的象征。

现从力
学的角度来分析蹦极这项运动的刺激之处。

2.关键词：蹦极，力学，弹力，加速度。

3.相关的力学知识分析：
人下落至最低点时，富有弹性的绳子对人产生的拉力大于人的重力G，因此迅速将人拉起抛向空中，此时，弹起后的人只受重力作用，
因此又做自由落体运动，下落至最低点，又弹起。

这就是蹦极除
了高度极高以外，令人感到极度刺激的原因所在。

七、对吊灯的力学分析
1.生活现象
生活中，在很多地方都能看到漂亮的吊灯，那么其内部的力学分析
又是怎样的呢？
2.关键词：吊灯，内力，轴力。

3.相关的力学知识分析：
取出实物图片中的一段作为分析模型，如图a。

设其容重为r，横
截面面积为A，长为l。

用截面法求任意截面l-l的内力FN1,分离体
如图b，由分离体上力平衡条件得：FN1-rAy=0,即FN1=rAy。

因r和
A均为常量，故内力FN1是y的线性函数。

FN1的变化可用轴力图
表示，如图c。

分析结束。

八、在公交车上站立时保持怎样的身体姿势才舒适且安全
1.生活现象
兰州BRT千呼万唤始出来,可是时常拥挤不堪,路途中有较多红绿灯,
站台和弯道,而且BRT要求进站时要精确定位,导致制动较急促.因此
在站立时很不舒适且感觉身体不容易保持安全稳定的状态,我特意
结合基础的物理知识探讨出自认为较为妥当的乘坐方法.
2.关键词:公交车,转弯,刹车,加速,安全,身体姿势.
3.相关的力学知识分析：
如上图所示,在车辆不同的运行状态下,保持不同的身体姿势,使身体
适应车辆的运动状态,两幅小图中,主人公分别保持相同的加速度和
向心力方向,既省力舒适又安全.
九、火车机车为什么都很重
1.工程问题
上学期上完<<列车牵引与计算>>这门课后,从机车参数表中,发现机
车的重量都明显很大,于是思考了一番,发现重量那么大也是很有道
理的样子..
机车型号机车整备重量
东风4B货运型138±3%t
DF4DJ138/150t
韶山3型138t
韶山7C型132 t
2.关键词:火车机车,重量,牵引力.
3.相关的力学知识分析：
原因倒不是因为材料和技术不允许，而是，机车一旦做的轻了，
它对后面车辆的拉力就会明显减少。

因为机车对车辆的拉力来源
于火车车轮和铁轨之间的摩擦力FNμ。

当火车前进时，车轮向后
推铁轨，铁轨反过来向前推车轮。

摩擦力的大小与两物体（车轮
与铁轨）压紧的力FN的大小有关，而FN与机车的重力G大小相
等,若是机车做的轻便了，那么这个压紧的力就减小了，机车就拉
不动后面的车辆了.
十、列车轴承阻力的产生
1.工程问题
由<<列车牵引与计算>>也同样可以知道,火车轮对滚动时,轴颈和
滑动轴承之间发生相对运动,接触面处将产生摩擦力,其值等于轴
荷重Qi与摩擦系数ψ的乘积。

2.关键词：列车，轴承，阻力。

3.相关的力学知识分析：
如上图，摩擦力Q iψ对轮轴中心所形成的力矩Q iψ*r将阻碍车轮围绕轴心旋转。

由于轴荷重Q的作用，轮轨间存在着黏着，列车运行时，车辆的轮对正是由于黏着作用才得以在轮轨上滚动，ψ阻碍车轮的旋转，试图使轮对在轨面上滑动，于是产生而力Q
i
车轮给钢轨的向前的作用力，从而引起钢轨给车轮的反作用力fi，也就是由T轴颈和轴承的摩擦作用而产生的那部分列车运行阻力。