压力作用的效果与接触面关系浅探

众所周知,力的作用效果与力的三要素有关,力的大小、力的方向和力的作用点不同力的效果就可能不同.在研究压力作用的效果时,发现作用效果与压力大小有关,还与受力面积大小有关.为了表示压力作用效果的明显程度,物理学上引入了压强的概念.用压强表示压力作用的效果,压强越大,压力作用效果就明显,压强越小,压力作用效果就越不明显.而实际上,相同的压强,压在不同的材料上,却表现出不同的效果,那么压力作用效果是否与受压面的材料有关呢?本文从以下几个方面来讨论这个问题.

一、力的作用效果的表现形式

力的作用效果主要表现在两个方面,第一个方面是使物体形变;第二个方面是使物体的运动状态发生变化.在研究力的效果时,引进了力的三要素,即力的大小、方向和作用点.教材在研究力的效果与力的大小关系时,主要是通过观察相同条件下力的大小不同,使弹簧片形变的程度不同,得出力的作用效果与力的大小有关的结论;在研究力的作用效果与力的作用点有关时,用同一弹簧片、同样大小和方向的力,作用在不同的位[HJ2.3mm]置,发现形变的程度不同,从而得出力的作用效果与力的作用点有关.在研究力的作用效果与力的方向有关的实验中,弹簧片的形变程度是相同的,只不过是形变的方向不同,最后得出力的作用效果与力的方向有关的结论.可见同一个物体形变的程度不同,形变的方向不同,我们就说力的作用效果不同.很显然,不同的力作用在不同的物体上,仅从形变大小或方向上观察是无法说明力的效果是否相同.这是因为不同的物体的弹性大小不同、机械强度也不同,显然形变程度可能不同.即使是同样大小和方向相同的两力作用在不同的物体上,由于不同物体的弹性系数可能不同,这两个力使物体的形变程度往往是不同的;再从力使物体运动状态发生变化的角度来看,两个物体的质量可能不同,引起物体运动状态的变化往往也是不同.所以说,大小和方向相同的力作用在不同材料的物体上,产生的效果一般是不同的.可见,只有力的三要素完全相同时,力使物体形变这一效果才是相同的;力的三要素完全相同且作用在同一物体上时,力使物体运动状态变化这一效果才是相同的.

二、从能量转移和转化的角度看物体间力的作用效果

力是物体之间的作用,一个物体对另一个物体施加力的作用时,实际上是能量转移和转化的过程.力使物体形变的过程中施力物体的能量一部分转化为弹性物

体的弹性势能和内能.力使物体运动状态变化的过程中,施力物体的能量转移为受力物体的机械能或转化为受力物体的内能.不同的材料的弹性系数和摩擦系数不同,相同大小的力施加在不同的物体上损失相同的能量,不同的受力物体产生的形变或获得的机械能也就不同,这样相同大小的力,作用在不同材料的物体上,产生的效果也就不同.反过来说,相同大小和方向的力所表现出的效果与受力物体的材料有关.也正是因为如此,在研究力的作用效果时,总是控制受力物体的材料不变,即用相同的受力物体.

三、压强表示压力的作用效果的条件

力的作用点是物理学上的一种理想模型,实际上,力的作用并不在某一个点.对于压力而言,它的方向是确定的,即与受压面垂直.但它的大小是可变的,作用点其实是个“作用面”.从力的三要素来讲,压力的方向就不必考虑了,压力的效果只与它的大小和作用面积大小有关.如果同一个物体,质地不均匀,不同位置其弹性大小、机械强度大小都不同,即使是相同大小的压力作用在相同大小的面积上,其形变的程度是不同的.在物理学上研究力的作用效果时,总是从力的三要素上来研究的,压强是单位面积上的压力,实际上它包含了力的三要素.在研究力的作用效果时,如果用不同材料的物体进行研究,同样大小和方向的力,作用于不同材料的两个物体上,很显然产生的形变不同,实际上,大小和方向相同的力,作用于两个物体上,由于作用点不同,应该把它们看成两个不同的力,也就是说“力的三要素”已经不同,力的效果也就可能不同了,只不过这两个力产生的压强是相等的.而同一个质地均匀的物体,在大小和方向相同力的作用下,虽然作用点不同,但产生的形变程度相同.可见同一质地均匀的材料,它的不同位置,相同大小的压力对它们产生的效果是等同的.这样单位面积上的压力大小相同时,产生的效果也是相同的,或者说受压物的形变量是相同的.也就是说相同的材料,在相同的压强下,产生相同的形变量,当压强越大时,产生的形变量也越大.这样相同的受压材料,便可用压强的“大”或“小”来代替压力作用效果的“强”或“弱”.正因为如此,在研究压力作用效果时,必须用“相同的受压物体”才能比较出哪种情况下压力作用的效果“明显”或“不明显”.可见用压强的大小来表示压力的作用效果的条件是“相同的受压物体”.

四、压力使物体的形变程度与材料的弹性和硬度有关

从压力的性质来讲,压力属于弹力,在弹性限度范围内,它使物体形变的程度与材料的弹性系数有关,还与压力的大小有关,而受力面积的大小实际上是影响弹性系数的大小.这一问题胡克定律已解释得很明确.在弹性限度范围以外,压力仍可使物体形变,我们说材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度.课本上比较两种材料的硬度时,除用硬度计来测量外,就是用相同的钢钉从同样高处自由下落,来撞击不同的材料,最后比较材料的形变程度.其实用相同的钢钉从同一高度自由落下,目的是对材料产生相同的压力(冲力),同一钢钉打击不同的材料时的受力面积是相同的,实际上就是产生的压强是相同的.这说明物体的形变程度不仅与硬度有关,而且与压强有关.如果是同种材料,由于它们的“弹性”和“硬度”相同,在相同的压强下形变是相同的,只有在不同的压强下,形变才不同.但是相同的压强,作用在不同“弹性”和“硬度”的物体上,明显表现出不同效果.

力的作用效果与力的大小、方向和作用点有关,力的作用点不同时,力的作用效果往往不同.压力也是有大小、方向和作用点的,由于它的方向是确定的,即垂直作用在受压物体的表面上,所以研究压力的效果时,不必考虑方向,只考虑大小和作用点,而实际上,它的作用点是一个面上,只有这个面上的每个点可以相互替代,才能说明单位面积上相同压力的作用效果是相同的.如果不是相同的受压材料,在大小和方向相同的力作用下,其效果是不同的,或者说压强相同时,受压材料不同,压力的效果可能不同.在不考虑物体运动状态的变化时,不同的压力,作用在相同的受压物体上,物体产生的形变程度不同,我们说压力的效果不同.同理,相同的压力(压强)作用在不同的材料上,产生的形变程度也是不同的,我们说压力的效果也是不同的.总而言之,压力作用的效果与接触面的材料有关.

(责任编辑:易志毅)

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