趣味力學(xué)現(xiàn)象

走路的力學(xué)

活動離不開走路，但學(xué)會走路并不容易。原始人類從絲足爬行進(jìn)化到雙足直立行走，經(jīng)歷了10000多萬年漫長的歷程。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，因此每個時刻都處于靜力學(xué)平衡狀態(tài)。

而雙足步行只有一個支點(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)。人在走路時重心總是位于支點(diǎn)的上方，相當(dāng)于一個倒置的復(fù)擺。簡單的動力學(xué)分析可以證明，倒擺的運(yùn)動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。

在實際步行運(yùn)動中，經(jīng)過訓(xùn)練的人會要求人體重心在支點(diǎn)后方時，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，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)動員身體前傾、步長增大時仍能保證步行的穩(wěn)定性。

秦陵銅車的力學(xué)原理

1980年從秦始皇陵西側(cè)出土的兩乘銅馬車，是仿照秦始皇生前出游的儀仗車制作的，約為真實馬車的二分之一大小。銅馬車結(jié)構(gòu)設(shè)計之合理，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雙的設(shè)計杰作和工藝精品，更是秦代機(jī)械的典型代表。在兩千多年前的秦代，中國機(jī)械設(shè)計的先驅(qū)們已經(jīng)能靈活巧妙的應(yīng)用力學(xué)知識和原理進(jìn)行機(jī)械設(shè)計了，這無可置疑的證明了，當(dāng)時我國的科學(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)動來形象、生動地比喻和描述遠(yuǎn)行在外之人的行跡和旅途。

流動顯示是求不改變流體運(yùn)動性質(zhì)的前提下，用圖像顯示流體運(yùn)動的方法，其任務(wù)是將流體不可見的流動特征成為可見的。俗話說“百聞不如一見”，人們通過流動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)動規(guī)律?，F(xiàn)在以“云”來顯示大氣的流動，人們已很常見。如每天在中央電視臺的氣象預(yù)報節(jié)目中，人們能從電視屏幕上看到由云形成的千姿百態(tài)的流動圖案，顯示出在大氣中所發(fā)生的動力過程。

流動顯示是了解流體運(yùn)動特性，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)新的流動現(xiàn)象，如層流和湍流兩種流動狀態(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，流動顯示技術(shù)己在許多實際問題的研究中,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。”是南唐詞人馮延巳的詞作《謁金門·風(fēng)乍起》中的首句，作者用一個“皺”字將春風(fēng)吹拂而過，水面蕩漾起細(xì)微波紋的畫面從靜景變?yōu)閯泳?，從力學(xué)角度來看，是一幅流動不穩(wěn)定性的畫面，即“風(fēng)生波”問題，觀察海面由風(fēng)吹起的波浪，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到76.4m/s時，碎浪和蒸發(fā)率都突然增加，當(dāng)風(fēng)速增大到88.8m/s時，波浪的波長可增大到6cm。由于海洋開發(fā)利用的需要，風(fēng)浪的發(fā)生機(jī)制問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。