力作用在物体上。物体放在斜面上。斜面有角度。这个角度就是倾斜角。我们研究力与倾斜角的关系。生活中很多地方有斜面。山坡是一个斜面。楼梯是一个斜面。卡车卸货的板子也是斜面。倾斜角不同,力的变化很大。
一个木块放在地上。木块受到重力。重力向下。地面给木块支持力。支持力向上。两个力大小相等。木块不动。把地面变成斜面。木块可能滑动。为什么?力的方向变了。重力可以分成两个力。一个力垂直于斜面。一个力平行于斜面。垂直斜面的力压着木块。平行斜面的力拉着木块往下滑。
倾斜角是零度。斜面是平的。平行斜面的力是零。木块不会自己滑。倾斜角慢慢变大。平行斜面的力慢慢变大。垂直斜面的力慢慢变小。木块更容易下滑。倾斜角变成九十度。斜面是竖直的。平行斜面的力等于重力。垂直斜面的力变成零。木块直接掉下去。
我们做实验。一块木板。一头架高。木板变成斜面。倾斜角可以测量。用角度尺量。放一个小车在木板上。小车有轮子。轮子减少摩擦。更容易观察力。用弹簧秤拉小车。让小车匀速向上。弹簧秤的读数就是拉力。这个拉力等于小车下滑的力。记录倾斜角的变化。记录拉力的变化。
倾斜角十度。拉力很小。倾斜角二十度。拉力变大。倾斜角三十度。拉力更大。数据记在表格里。画一个图。横坐标是倾斜角。纵坐标是拉力。点连成线。线向上走。倾斜角越大,拉力越大。拉力就是平行斜面的分力。这个分力可以用公式算。重力乘以角度的正弦。实验数据接近这个公式。
摩擦力的影响很大。木板表面光滑。小车滑动顺。数据准。木板表面粗糙。摩擦力大。弹簧秤读数变大。这个读数包括下滑力和摩擦力。要研究纯的力与倾斜角关系,先减少摩擦。用光滑木板。用轮子好的小车。也可以在木板表面撒滑石粉。
实际生活中有摩擦。卡车运货。车厢底板倾斜。货物滑动。滑动不光因为倾斜角。还因为底板的光滑程度。底板是铁皮,摩擦小。货物容易滑。底板是木板,摩擦大。货物不容易滑。工人知道这个。他们调整倾斜角。他们铺垫子改变摩擦。
斜面的角度决定需要多少力。搬货上卡车。直接抬上去,用力大。用一块斜板搭着。推货上去,用力小。斜板越长,倾斜角越小。用力越小。但是走的路更长。斜板短,倾斜角大。用力大。但是走的路短。这是省力费距离的道理。倾斜角小,省力。倾斜角大,费力。
机械里常用斜面。螺丝钉是一个例子。螺丝的螺纹是斜面绕在圆柱上。旋转螺丝。螺纹沿着斜面前进。倾斜角很小。很小的旋转力变成很大的前进力。可以压紧物体。千斤顶也是斜面原理。摇动手柄。斜面上升。顶起很重的汽车。倾斜角设计得很小。所以人能用小力顶起大车。
斜坡上山公路。公路绕山转圈。倾斜角小。汽车容易上去。直接上山,倾斜角大。汽车需要很大动力。大多数汽车动力不够。所以盘山公路是必须的。工程师计算最大倾斜角。卡车能爬的坡更缓。跑车能爬的坡可能更陡。设计公路不能超过规定倾斜角。
力分解很重要。重力像一根斜线。把它分成两个方向的线。垂直线对着斜面。平行线沿着斜面。倾斜角一变,两条线的长度就变。平行线长度等于重力乘正弦。垂直线长度等于重力乘余弦。这是数学计算。实际中,我们感觉倾斜角大时,物体更“重”地往下拉。其实重力没变。是下滑的力变大了。
安全需要考虑。桌子放东西。桌子倾斜,东西会滑落。台灯放在桌上。桌子要平。倾斜角大了,台灯可能倒。书架放书。书架要竖直。倾斜角大了,书架会翻。建筑工人盖房子。墙要垂直。墙的倾斜角是九十度。但地基必须水平。地基的倾斜角是零度。测量倾斜角用水平仪。
孩子们玩滑梯。滑梯是一个斜面。孩子坐上去。滑下来。滑梯高,倾斜角大。下滑快。滑梯缓,倾斜角小。下滑慢。有的滑梯弯弯曲曲。每一段倾斜角不同。孩子速度变化。设计师计算这些角度。保证安全又好玩。
力的研究继续深入。倾斜角影响支持力。木块在斜面上。垂直斜面的分力决定支持力。倾斜角变大。支持力变小。木块对斜面的压力变小。摩擦力和压力有关。压力小,摩擦力小。所以倾斜角变大,摩擦力也变小。但下滑力变大得更快。所以最终物体滑动。
汽车停在坡上。手刹拉住后轮。车轮不转。靠摩擦力停车。坡度小,停得稳。坡度大,可能溜车。因为下滑力超过最大静摩擦力。司机知道挂挡停车。利用发动机阻力。增加防止滑动的力。
滑雪运动。雪坡倾斜角决定速度。选手选择路线。路线陡,加速快。但控制难。路线缓,加速慢。但控制容易。选手身体前倾后倾。改变力的作用。他们控制与雪面的角度。实现转弯和刹车。
工程学计算斜坡稳定。土坡会滑坡。雨水进入土壤。摩擦力减小。倾斜角超过一定值。土就滑下来。工程师测量土壤摩擦角。设计斜坡不超过安全角。他们会砌墙加固。或者降低斜坡高度。
我们每天看到斜面。力与倾斜角的关系无处不在。开门时,门轴转动。门把手离轴远。相当于倾斜角的另一种形式。用小的力产生大的转动效果。开瓶器也是。手柄长,倾斜角设计。让我们省力打开瓶盖。
理解力和倾斜角。帮助我们认识世界。干活更省劲。设计更安全。玩得更明白。简单的道理。基础的知识。很有用。实验可以做。观察可以仔细。思考可以深入。科学就在生活里。