菜刀上的力学原理

菜刀是人们日常生活中不可缺少的一种工具，其用途相当广泛。人们在设计、使用和维修等方面都涉及力学知识。

一、菜刀在设计上的力学原理。

1、设计时要考虑压强问题。

任何物体能够承受的压强都有一个限度，超过这个限度物体就会被压坏或陷入其中。因此要使菜刀切入物体就必须使菜刀对物体的压强大于物体表面所能承受的最大压强。由公式P=F/S得：在用力较小的情况下，可以通过减小刀口与物体的接触面积来增大菜刀对物体的压强。从而在设计时要求刀口薄、刀刃锋利。

2、设计时要考虑力的分解原理。

如图、设刀背宽为d、侧面长为L、刀口两侧面之间的夹角为α、当用力向下压菜刀时，菜刀给菜两边的侧压力为FN、根据力的分解法则和相似性（力三角形和几何三角形）原理有：得：，由于.因此，即两刀口之间的夹角越小，刀身越窄（即刀越簿），用较小的力就可以产生较大的侧压力，将植物的纤维压断，因而菜刀的刀刃越薄越好。

3、设计时要考虑摩擦问题。

切菜时，当菜被向两侧挤压时，刀的侧面和菜的断面发生相对滑动，于是菜刀受到斜向上的滑动摩擦力，这两侧的滑动摩擦力将阻碍着刀的向下运动，因此，菜刀的侧面越光滑，动摩擦因素越小，菜刀受到斜向上的滑动摩擦力越小（阻力），切菜越容易。

4、设计时要考虑菜刀的质量和材料。

使用菜刀时，为了省力。因而要求菜刀的质量小、重量轻。结合菜刀的经济价值、机械性能(为便于打造和维护，要求制成菜刀的材料具有良好的延展性和坚韧性)以及密度和硬度等要求，通常选用金属材料铁(钢)。

二、菜刀在使用上的力学原理。

根据菜的种类和性质，菜刀有不同的用法。归纳起来不外乎有四种用法：压入式、冲击式、拉动式和转动式。从而涉及的力学知识就有所不同。

1.压入式使用方式。

如切萝卜片和打豆腐块等，使用时只需用不大的力直接将菜刀压入即可。这是由于这一类物体表面所能承受的最大压强较小的缘故。

2.冲击式使用方式。

如肉类有较好的弹性和韧性，排骨坚硬，这类物体表面所能承受的最大压强较大且不怕压坏，因而斩肉末时举刀略高，砍排骨时举刀较高，目的是让刀在接触物体时具有较大的初速度，从而使菜刀具有了较大的初动量，斩或砍后菜刀的末动量为零，因而动量的变化量较大，由于斩或砍时作用时间较短，由动量定理可知：物体对菜刀的平均作用力较大，根据牛顿第三定律得：菜刀对物体的平均作用力也较大，从而使菜刀对物体的压强大于物体表面所能承受的最大压强，因此能斩烂或砍断。这种方式，能够用较小的力通过打击获得较大的作用力(冲力)，达到省力的目的。

3.拉动式使用方式。

如剖鱼等，使用时不是直接用较大的力采用压的方式，而是用较小的力将菜刀在鱼肚上来回拉动。原因是看起来很锋利且平滑的刀口，其实却凹凸不平，实质上是一根微小的锯条，拉动的目的在于让锯条似的刀锋割断鱼肚上的上皮组织、结缔组织和肌纤维等，从而将鱼剖开。况且鱼肚有很好的弹性和韧性，能承受的最大压强较大但怕压坏，如用较大的力采用压的方式，就会将鱼肚内的许多不需要(或有害)的东西(如苦胆等)弄烂。这种方式，能够用较小的力通过拉有方式使刀做来回、切割运动，达到目的。

4.转动式使用方式。

如撬南瓜蒂等，使用时将刀尖插入南瓜蒂边缘，用手扳动刀柄使刀转动而将南瓜蒂撬掉。这

里菜刀实质上起到了杠杆（省力杠杆）的作用，由于动力臂大于阻力臂而使动力小于阻力，即用较小的动力就可以克服较大的阻力，达到省力的目的。事实上，刀把越长，相当于动力臂越大，在同样阻力的情况下动力就越小，越省力。这也是高中阶段的力臂和力矩平衡知识。

三、菜刀在维修上的力学原理。

菜刀用久后，将变得较钝，实质是刀口变厚而与物体的接触面积变大，在同样用力的情况下造成刀对物体的压强变小，超不过物体表面所能承受的最大压强而不能使刀切入。同样刀口变厚，也使刀口两侧面之间的夹角α变大，切菜时菜刀给两边的侧压力变小，也不易将物体的纤维压断；况且刀刃变厚后，相当于多根锯条重叠在一起，即使不断拉动菜刀，也难以将物体切开。

磨刀的目的是为了让刀口变薄，既减小刀口的接触面积而增大刀口对物体的压强，又减小了两侧面之间的夹角，而增大菜刀对菜两边的侧压力，同时也是为了把多余的重叠的锯条磨掉，以便在拉动菜刀时能够快捷地割开物体。

总之，菜刀上涉及的力学问题很多。人们日常生活中涉及的力学问题乃至物理问题更多。因此我们在学习物理时既要重视理论知识，又要重视联系生活，将书本知识应用于实践，这样才能开阔自己的视野、扩大知识面、提高自身素质和能力。