趣味力學(xué)現(xiàn)象

走路的力學(xué)

活動(dòng)離不開(kāi)走路，但學(xué)會(huì)走路并不容易。原始人類(lèi)從絲足爬行進(jìn)化到雙足直立行走，經(jīng)歷了10000多萬(wàn)年漫長(zhǎng)的歷程。從靜力學(xué)角度分析，雙足步行與四足爬行最大的區(qū)別在于：四足爬行可以保證質(zhì)心不越出支撐足與地面的接觸點(diǎn)圍成的區(qū)域，因此每個(gè)時(shí)刻都處于靜力學(xué)平衡狀態(tài)。

而雙足步行只有一個(gè)支點(diǎn)，重心經(jīng)常越出支撐足與地面的接觸范圍，處于靜力學(xué)不平衡狀態(tài)。人在走路時(shí)重心總是位于支點(diǎn)的上方，相當(dāng)于一個(gè)倒置的復(fù)擺。簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)分析可以證明，倒擺的運(yùn)動(dòng)局限在垂直的位置附近的小范圍內(nèi)，支點(diǎn)的控制作用可使倒擺的垂直平衡位置從不穩(wěn)定轉(zhuǎn)為穩(wěn)定。

在實(shí)際步行運(yùn)動(dòng)中，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的人會(huì)要求人體重心在支點(diǎn)后方時(shí)，足底的摩擦力朝后，則隨重心的前移而減小。當(dāng)重心移到質(zhì)點(diǎn)的前方時(shí)，摩擦力變向改為朝前。穿上底部有花紋的防滑鞋可使摩擦系數(shù)增大，穩(wěn)定域也隨之?dāng)U大。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員身體前傾、步長(zhǎng)增大時(shí)仍能保證步行的穩(wěn)定性。

秦陵銅車(chē)的力學(xué)原理

1980年從秦始皇陵西側(cè)出土的兩乘銅馬車(chē)，是仿照秦始皇生前出游的儀仗車(chē)制作的，約為真實(shí)馬車(chē)的二分之一大小。銅馬車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之合理，造型之完美，工藝制作之精良，震驚中外。這一歷史文物不僅是舉世無(wú)雙的設(shè)計(jì)杰作和工藝精品，更是秦代機(jī)械的典型代表。在兩千多年前的秦代，中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)的先驅(qū)們已經(jīng)能靈活巧妙的應(yīng)用力學(xué)知識(shí)和原理進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)了，這無(wú)可置疑的證明了，當(dāng)時(shí)我國(guó)的科學(xué)技術(shù)走在世界的前列。

蹤跡隨風(fēng)葉，程途犯斗槎

“蹤跡隨風(fēng)葉，程途犯斗槎”，詩(shī)人由景入情，以景寓情，用風(fēng)葉和船只所顯示的流體運(yùn)動(dòng)來(lái)形象、生動(dòng)地比喻和描述遠(yuǎn)行在外之人的行跡和旅途。

流動(dòng)顯示是求不改變流體運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的前提下，用圖像顯示流體運(yùn)動(dòng)的方法，其任務(wù)是將流體不可見(jiàn)的流動(dòng)特征成為可見(jiàn)的。俗話(huà)說(shuō)“百聞不如一見(jiàn)”，人們通過(guò)流動(dòng)顯示看到了流體的特征，從而可進(jìn)一步研究探索和應(yīng)用流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律?，F(xiàn)在以“云”來(lái)顯示大氣的流動(dòng)，人們已很常見(jiàn)。如每天在中央電視臺(tái)的氣象預(yù)報(bào)節(jié)目中，人們能從電視屏幕上看到由云形成的千姿百態(tài)的流動(dòng)圖案，顯示出在大氣中所發(fā)生的動(dòng)力過(guò)程。

流動(dòng)顯示是了解流體運(yùn)動(dòng)特性，并深入探索其物理機(jī)制的一種直觀、有效的手段。它能發(fā)現(xiàn)新的流動(dòng)現(xiàn)象，如層流和湍流兩種流動(dòng)狀態(tài)及其轉(zhuǎn)捩、渦旋、分離、激波、邊界層、壁湍流相干結(jié)構(gòu)等；據(jù)了解，流動(dòng)顯示技術(shù)己在許多實(shí)際問(wèn)題的研究中,發(fā)揮了很大的作用，如三角翼和雙三角翼的前緣主渦、二次渦和尾渦的形成和發(fā)展，鈍物體尾跡的渦旋結(jié)構(gòu)，以及多體干擾等。

風(fēng)乍起，吹皺一池春水

“風(fēng)乍起，吹皺一池春水?！笔悄咸圃~人馮延巳的詞作《謁金門(mén)·風(fēng)乍起》中的首句，作者用一個(gè)“皺”字將春風(fēng)吹拂而過(guò)，水面蕩漾起細(xì)微波紋的畫(huà)面從靜景變?yōu)閯?dòng)景，從力學(xué)角度來(lái)看，是一幅流動(dòng)不穩(wěn)定性的畫(huà)面，即“風(fēng)生波”問(wèn)題，觀察海面由風(fēng)吹起的波浪，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到76.4m/s時(shí)，碎浪和蒸發(fā)率都突然增加，當(dāng)風(fēng)速增大到88.8m/s時(shí)，波浪的波長(zhǎng)可增大到6cm。由于海洋開(kāi)發(fā)利用的需要，風(fēng)浪的發(fā)生機(jī)制問(wèn)題至今仍是流體力學(xué)和海洋科學(xué)工作者關(guān)心和研究的課題。