用了数千年的杆秤渐渐离开了实用具的舞台,但作为力学训练题的模型还是会存在很长很长一段时间。比如问个问题,秤杆为什么一头粗来一头细?
当然有人会说,这是制秤艺人为了让秤杆看起来有美感。然而,艺人费劲巴拉地将秤杆刨成这样形状,仅仅就是为了看起来漂亮。其实这里面至少有三个力学点。
一、三个力学点
图1是杆秤受力分析图。
利用这个图,上一篇文章(杆秤渐渐逝去,但力学题还会有)导出了杆秤最重要的性质
这里涉及到定盘星(零点)位置LZ。
由秤杆平衡可知定盘星与秤杆质心必须在提纽的两侧。如果秤杆的质心离秤尾不足够远(比如图2中均匀秤杆),那么定盘星就跑到提纽左侧,这有两个不方便。
第一个不方便是称重找平衡过程时,秤砣需要从秤杆上取下来才能跨过提纽。第二个不方便是,若称重质量正好对应提纽处的刻度,那么就很难称量准确了。
另外,秤杆的质心C越靠近秤尾,则定盘星也就越靠近秤尾,而秤头到定盘星这段距离是无法标刻度的“浪费段”(要标可就是对应“负”质量啦)。“浪费段”越长,有效的刻度段就越短。当然若用特别重秤砣也可以把定盘星和提纽向秤头推,但是秤砣太大也不是什么好事情,携带不方便呀,影响分辨力呀。
制秤艺人在秤头和秤尾会各包上一个铜管,这当然增加了美观和结实度。不仅如此,秤头的铜管往往比秤尾的铜管大得多。这也让秤杆的质心靠近秤头,相当于把秤尾弄细的效果。
第二个力学点是,远离提纽的秤杆越细,那么秤杆对提纽处的转动惯量就小,这样对相同不平衡的力矩的角加速度就越大,反应就越敏捷,从而方便称量。
在不削弱称量性能前提下,秤尾变细,其重量就会降下来,携带就方便啦。
物理老师对第三个力学点不会太敏感,物理训练题、竞赛题一般不会触及此点。然而, 学习过材料力学的人,还是要扯一下,这就是下面一节内容。
二、抗弯的视角
式(4)的推导没有考虑秤杆的变形。在杆秤正常工况下,其变形的确很小,小到可以忽略不计。然而,杆秤确实可以被撅折,即力大到一定程度,秤杆肯定会在发生显著变形后断掉。这也就是为什么称重东西时要用粗大的秤杆,而称量中药则用很细的秤杆。
杆秤工作的时候,容易发生那种破坏呢?若把秤杆脑补成比较软的杆,那么在提纽附近杆将发生向上凸起的变形,而秤头和秤尾将向下延展,如图3(a)的所示曲线。
弯曲曲率越大地方,变形越厉害,也就越危险(想象一下撅筷子)。一般来说,提纽那个地方的曲率最大,也最危险。为了抵抗此危险,提纽这个地方会做的更粗一些。如果仔细再看看秤杆,其实并不是“一头粗”,而是最粗地方在提纽附近,秤杆的头端较提纽处也细一点,因此“一头粗、一头细”只是大体的说法。
秤杆某截面处的曲率究竟与啥有关呢?材料力学的研究表明它与该截面处的弯矩(弯矩也是力偶的矩,但为了突出弯曲的力学意义,就加了“弯”字;扭矩是为了突出“扭”)成正比。如何求某截面弯矩呢?我们截下一段杆秤,如图3(c)所示,由此分离体的平衡就可以得到截面D处的弯矩了。
注意在图3(b)和(c)中,杆秤的重力是按分布力画的,而图1则把重力集中到了质心C。其原因在于研究杆秤曲率时要假设杆秤能变形(最终也是变形决定了破坏),这时就不能把分布力简化为集中力(分布力作用下的变形不同于集中力作用下的),这也是反复强调“力的作用点和作用线不能随便动的”具体案例。
在图1的语境下,杆秤是刚体,把分布重力简化到质心,不影响刚体所能揭示的各种力学性质。总之,力学词汇也是有语境的,不同的语境要求和目的不同。表达要注意准确,但绝对准确的表达不存在。
跑遍杆秤的所有截面,得到弯矩分布如图3(d)。弯矩图在提纽处最大。弯矩越大,相应的截面尺寸就要大一些。材料力学会给出具体的关系。如果杆秤各截面尺寸保证他们抵抗破坏的能力(或裕量)相等,则这种设计叫等强度设计。
等强度设计用的材料最少,但是设计过程太麻烦,所以重量不是特别关键的构件,会考虑弯矩的分布,以近似实现等强度。手工制作的秤杆艺人,既没有系统工程力学知识,也更没必要“刻意”的精准—这就是工程。
另外,图3(b)的不等截面杆的分布重力的集度也不是常数。即便训练有素的工程师也会觉得按变化的分布力做起来很麻烦,所以就用等截面均匀分布的来近似(误差不大)。理论上绝对优化的截面,需要递归设计。然而,即便优化截面找到了,如何能经济地加工出来呢?而且,秤杆还会有其他受力状况呢。所以现实的制造,不同于解数学题和物理题。
哦,还得补一句,双提纽称的刻度线是两条,秤杆的侧面和顶面各有一条,各有各自的定盘星。