关于‘绳子的力学’

说明：不是科普投稿

作者：劳柯[平静幸福]

首先力不是使物体运动，而是使物体的运动状态发生变化。如果没有外力，宏观的物体将保持原来的运动状态。要研究一个物体的运动状况，就要先对它进行受力分析，只有明白了它的受力，它的运动状态的改变就不难给出。

日常生活中的绳子给人的感觉是只抗拉，而不抗扭和弯。其实这种感觉是不确切的，举个例子：我们生活中都有这样的经历，给毛巾拧水的时候，到一定的程度就扭不动了，这是因为毛巾作用到你手上的力和你作用到毛巾上的力相等了，如果我们这时把毛巾看成一根绳子的话，在这种情况下，绳子是有抗扭能力的。

绳子的抗扭能力和绳子的材料有关，一根尼龙绳很容易被扭转，而一根钢丝绳却要费很大力气。在设计斜拉索大桥时，当然主要考虑索的抗拉性，索的抗扭和抗弯性也是要考虑的因素。想想在风的吹动下，索会被弯曲和扭曲，如果没有抗弯和抗扭性，索绳就不会回到原来的位置，这样的设计是很危险的。事实上不是这样子，只要选择了适当的材料，任何斜拉索大桥的索都有一定的抗扭和抗弯性。

绳子抗拉是生活的直观。比如我们用绳子提着东西，绳子就会被拉得直直的，但是如果提着的东西超过一定的程度，绳子就会被拉断，也就是说绳子的抗拉性是有限度的。在绳子断的瞬间，提着东西的手为什么会突然向上运动呢？其实只要分析一下手的受力，答案就很清楚了。在没有断的时候，手受到人肌肉的拉力和通过绳子传送来的物体的重力，绳子一旦断了，在瞬间手也就只受肌肉的拉力，在这种情况，手的运动状态被这个拉力改变了，手也就往上运动。但有一点必须指出，在绳断的瞬间，手的运动速度为零，而速度的改变却不为零，这也说明作用力不是使物体运动，而是使物体的运动状态发生变化。

再举一个日常生活的例子，比如在拔河比赛的时候，如果绳子突然断了，拔河双方的人都会往后倒，也是这个道理。在绳子没有断的时候，人受地面的磨擦力和对手的拉力，绳子一旦断了。对手的拉力在瞬间消失，在地面摩擦力的作用下，拔河的人的运动状态被改变了，所以大家都往后倒。绳子断的瞬间，人不是不受力，而是本来受两个力，这两个力开始的时候可能是平衡的，在一个力突然消失以后，人也就失去了平衡。

这种拔河和用绳子提东西绳子断了情况和用扁担挑东西绳子断了情况有所不同，后者还有个力矩的问题。假如一根绳子突然断了，在瞬间人的肩是承受什么样的力呢？只要我们对对肩进行受力分析，我们就可以得到答案。在没有断的时候，肩受到扁担两端物体的重力，扁担两端的力矩平衡。但是当一端绳子断了以后，这一端的力矩和力也就在瞬间消失，这个时候人的肩对扁担的作用力和物体对扁担的作用力不是一对平衡力，因为它们在瞬间虽然大小相等，方向相反但不在一条直线，在这一对不平衡力的作用下，扁担的运动状态被改变，产生了一个围绕人肩的圆周运动的加速度，人肩这使也会承受一个离心力，这也是也可以解释一端断了以后，人的身体就会朝断的一端倾斜。

再让我们看看电线和电线杆的力学。为什么水泥电线杆的下端总比上端粗呢？一个原因是因为这样电线杆的中心会低，增加它的稳定性。另外一个原因就是和电线有关了。电线在重力的作用下会下垂，它作用到电线杆顶端的力就会和下垂形成曲线的切线方向相同，也就是说不是垂直向下的。我们可以把这个力分解成一个水平力和一个垂直向下的力，这样电线杆不但要受压力，而且要受一个因水平力产生的力矩，越往下这个力矩越大，为了增加抗弯性，下面要比上面做的粗一点。

假定电线杆的间距一样，所有的电线都一样，在最为理想的状态下水平力就会为零。但是只要有风，水平力就会存在。

力学是个非常有实用价值科学，我们生活中的一切都和力学有关，比如人的走，跑，上楼，放东西，吃饭，等等。现代航天事业也都是建立在力学基础上的，比如：飞机，导弹，宇宙飞船，空间站。在建这些东西的时候都要经过严格的力学分析。当然，我们吃饭，睡觉也就不必要经过力学分析了。

致谢和说明：很多例子都是从JFF的文章里来的，JFF的文章非常有趣而且行文流畅，是我学些的榜样。 我写这篇短文只希望 JFF先生能够重新考虑一下他的某些观点。