为什么杠杆省力? 请用分子 原子 电子 的微观角度解答

如题所述

既然你要从微观角度回答这个问题,那也就没有必要例举杠杆公式了。你的疑问可能是用杠杆翘起一块大石头要容易得多,而用手去搬的话根本就搬不动。杠杆貌似可以让你更有力量,还可以更节省体能,这似乎不符合“能量守恒定律”对吧?

如果真的是这样,那首先你要明白力和能量的区别,以及“用杠杆撬动石头”之类的过程中你需要将什么转换成什么。

先说能量,能量应该不难理解。能量守恒定律也说了,能量不会凭空消失,也不会凭空产生。它只会从一种形式转换成另一种形式。

但你要明白力是什么,简单的说。能量是能量,能量与力有着本质的区别就是能量是有限的,因为它遵循能量守恒定律。而从我们目前的认识来看,“力”仿佛是无尽的,四大基本力(最突出的是引力)仿佛可以永远存在,也可以凭空产生。

当然这里没有必要讨论这么深奥的问题,只说力往往起着什么样的作用。力相当于能量传递的“通道”,只有力才可以使能量从一种形式转成另一种形式,而能量本身是无法凭空转化形式的。这一过程中能量的总和始终保持不变,遵循能量守恒定律。

另外,你还需要了解能量转化的趋势,一种能量会从什么形式转换成另一种形式并不是人类本身能够控制得了的。要想把一种能量转换成另一种你想要的形式,你就需要对它施加特殊形式的力,或者借助某些工具的力量。
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现在回到撬石头的例子中,假设你要把一个石头从A点搬运到5米之外的B点的话,那你需要赋予石头什么呢?简单的说,就是你需要赋予石头动能,并且石头的运动方向必须是向着B点的。如果石头具有的动能是垂直向上的,那么地心引力只会把它吸回原地。

这看起来当然很简单,但是之前也说了,能量的形式转化并不是完全由人决定的。你现在试图去搬起那块大石头,但是你发现你耗费了体能,石头却纹丝不动。

你的体能白白流失了,但石头却没有获得动能,这似乎并不符合能量守恒定律。其实不然,当你搬动石头的力度不够时,你就不会把你的体能转换成石头的动能。你的体能高速代谢,被转换成热能从你的身体内流失了。你的手与石头紧紧挤压,部分体能则被转换成了分子势能。分子势能会在你的手与石头松开的刹那流失,转换成空气的动能。总之就是,你的体能都被转换成了你不需要的能量形式被白白浪费了。

要想搬动石头,你需要对石头施加更大的力量,如果这种力量超出了人体能的极限的话,无论你耗费多少体能,你都完成不了你想要的工作。因此这就是为什么杠杆省力的关系,杠杆可以效率的将你的体能转换成石头的动能,也就是你想要的形式。

借助杠杆,你可以更效率的将你的体能转换成石头的动能,因为杠杆装置可以抵消石头一部分的重力的影响,减小石头的静摩擦力。在此基础上,你只需要施加远远小于原来的力,就可以将你的体能转换成石头的动能。而在这一过程中,你只有很小的一部分力会被浪费成热能和其它你不需要的能量,这就是杠杆省力的原理。

杠杆虽然更省力,但能量在此过程中依旧保持守恒,所以它仍然遵循能量守恒定律。希望你能够看得明白。
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