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在拔河比赛中,力气小反而会赢?

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《墨子·鲁问》中记载,春秋时期,楚、越两国水军交战时,鲁国的工匠公输子(鲁班)曾设计过一种被称为“钩强”的兵器,用于阻挡和钩住敌船。

受到这种兵器的启发,在荆楚一带逐渐演变出一种流行的民间活动——施钩之戏,也就是我们今天所说的拔河。通常,拔河都被认为是比试参赛双方力量的比赛,但是你知道吗,拔河比拼的却是另一个非常重要的因素——摩擦力!

为了说明这件事,我们假设学生 A 和学生 B 正在进行一场拔河比赛。其中 A 的力气比 B 的大,但是体重却稍轻。为了显示公平,他俩所穿的鞋、所站的地面状况都是一样的。那么,你认为最终谁能够胜出呢?

首先,我们来分析一下绳子的受力情况。在整个比赛中,绳子的移动速度都很缓慢,于是可以认为绳子总是处于平衡状态。此时,绳子两端受到的力就必须大小相等、方向相反。所以,每时每刻绳子对两边的人的拉力大小都是相等的。

在受力大小相同的情况下,比赛的关键就在于谁的脚下更稳。而这个“稳”字其实指的就是人脚下可以产生的最大的摩擦力,谁能拥有更大的摩擦力来对抗绳子的拉力,谁就能赢得比赛。

两个物体间的摩擦力的最大值跟接触面的粗糙程度以及接触面之间的压力大小有关。比如,同样的人站在冰面上,脚底和冰面之间能产生的摩擦力就较小;站在足球场上,脚底和草地之间能产生的摩擦力就较大。而且人越重,对地面的压力越大,相应脚底和接触面之间能产生的摩擦力也就越大。

在这场拔河比赛中,比赛双方站在一样的地面上,穿着一样的鞋子,所以接触面的粗糙程度基本相同。于是,比赛的关键就在于谁能对地面施加更大的压力。可以认为谁的体重越重,谁给地面的压力就越大,地面可以为其提供的摩擦力也就越大,也就越难被对手拉动。

在上面这个例子中,虽然学生 B 的力气小,但是由于体重有优势,很难被对手拉动,所以会最终赢得比赛。在实力相当的情况下是如此,那么如果双方的力量差距悬殊呢?

举个极端的例子,你和 1 吨重的石像进行拔河比赛。就算你的力气再大,也不可能拉动对方。相反,你还有可能被拉向石像,即便它一点儿力气也不使。所以说,拔河的输赢与力气大小无关,而与摩擦力有关。

摩擦力还有很多有趣的特点。比如,如果学生 B 在赢得比赛后拉着学生 A 继续匀速滑行,那么无论两个人滑行的速度是快还是慢,他们所用的拉力都是不变的。这是因为摩擦力的大小与相对速度无关,无论滑动的速度有多快,地面提供的摩擦力都一样大。

另外,无论他们是一只脚还是两只脚着地,摩擦力也是一样大的,因为摩擦力与接触面积的大小无关。例如,用测力计拉着水杯向前匀速运动,测力计示数等于摩擦力的大小。如果将水杯倒扣过来,只让杯子边缘的小面积与桌面接触,那么测力计示数仍然不变。

了解了摩擦力的这些特点,你是不是对赢得拔河比赛更有信心了呢?

转载自:原点阅读

文源:《物理!发现的力量

(清华附中给孩子的通识课)》

作者:蒋炜波 俞鹏

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