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转帖 刀上的力学知识

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发表于 2009-2-24 20:23:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
转自 刀剑网
刀具,人们在曰常生活中都接触到,特别是平常都使用的那些,如菜刀、斧头、剪刀等。在我们使用的时候,并不一定都知道其中的奥妙,为了了解刀具上的力学,我们特地对它们进行了研究,用科学的方法进行了分析,以下就是我们研究的内容:

1、力的分解、物体压强
刀刃厚度,不管是什么样的刀柄,其设计原理都是将施加在其上的力传递给刀刃,所以外加的力F必会对刀身的两侧壁产生力F1、F2 作用。根据力的平行四边形法则可知两侧壁所受的力的大小为:F1=F2= LF/D,其中D是刀臂的厚,L是刀侧壁的长。刀薄(D小)对两侧壁产生的力就越大。
刀薄其实指的是刀的一个必要部位――刀刃,根据P=F/s,当力F一定时S越小(即刀刃越薄)则单位面积上的压力就越大,即压强越大越容易切开物体(即刀锐利)。

2、刀柄、刀身的长度
用刀切东西,又涉及到了力矩的原理。切东西时,手腕就成了转动轴。刀把的长短其实间接表明了力臂的大小。力不变,刀把长,力臂就越长,力矩就越大。而要取得同样的切割效果,刀把越长,力臂也越长,所需力也就越小。服装剪和英式铁皮剪,很容易看出铁皮难剪就需要增大力矩,刀柄做得较长,而布料易剪但要剪平整,相反把刀刃做长些,而刀柄较短。普通的单柄刀中比较斧头和片刀,一个刀柄很长而一个较短,目的也是改变动力矩的大小。F和受力面积S有关,刀刃越薄,压强越大,越容易切割,反之则不易。

3、牛顿第三定律及力矩---反震现象(刀刃使用部位)
单柄刀具,使用还有一个问题——那就是使用过程中会震手。这里涉及到的是牛顿第三定律。用刀者给刀一个作用力,力便会传递到被切物体上,而物体也会给刀继而给手一个反作用力。当刀尖与物体相接触时,力臂较长的其转动效果就更明显,因此就更震手。通过实验,我们可以发现,刀的后半部与物体接触,相对于刀的前半部来说,因其力臂较短,反震就较弱。在研究过程中我们发现有些刀的使用部位在前端(如片刀、西瓜刀等),而有些在后端(如砍肉刀,斩尖刀等),其实是为了减轻反震。当使用后端时力臂较短,反震力矩较小,反震不明显,反之则明显。用力小的刀,通常用前端锋利的刀刃,而用力大的刀(如剁骨刀)则用后端。

4、动量与能量---刀的重量
在实地观察和动手实验中发现,切割不同的物体使用的刀的重量刀身的宽窄也各有不同,这里又涉及了一个动量与动能的问题。而重量比较大的刀,一般用来切割致密物体,其自身所受重力便能增大对物体的力,有些人用刀劈物体会把刀举到一个较高的位置,目地就是得到一个较大的势能,根据机械能守恒以获得较大的动能,而有些人下刀的速度会特别快,物体也更易切割,这又包涵了动量的知识。一般砍肉刀、剁骨刀做得较厚较重,砍肉刀的质量可达3-4斤,斩尖刀的刀背厚达18mm。其实这一点也跟动能联系在一起,质量越大,动能也越大,则克服阻力能做的功也越大,越易切割。

5、摩擦力---刀的平整
刀的平整与锯齿形的现象也值得注意;锯齿形的刀口在切割时增大摩擦力,但同时也会割裂破坏被切物切口的平整,因而可看到割麦刀(即镰刀)割麦时求的是速度,即在是取短时间内割完麦子,同时麦杆是一种较韧的茎杆,因而镰刀的刀口需锯齿,而割草刀则不如此,一般的草茎杆韧度不大,而割草后求的是草面平整,因而割草刀并无锯齿。

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发表于 2009-2-26 21:01:04 | 显示全部楼层
感谢楼主分享佳帖,长了不少见识
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发表于 2009-2-27 10:26:08 | 显示全部楼层
我来看过了.飘走……
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发表于 2009-2-27 15:32:22 | 显示全部楼层
谢谢大人的分享啊!
(偶承认偶8CJ,开始看到标题还以为会看到日本刀的介绍呢~~
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发表于 2009-2-28 16:51:29 | 显示全部楼层
虽然看过原贴,但也为楼主的劳动叹服
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发表于 2009-3-2 11:34:01 | 显示全部楼层
谢谢LZ,这个有助于我补习理论,相信以后用菜刀也会更得心应手。
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发表于 2009-5-2 22:00:35 | 显示全部楼层
适合我们练剑道的人。刚好我一直都无法挥出刀煞
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发表于 2012-10-10 20:26:34 | 显示全部楼层
……可以借此找到刀上最合适用力的部分(具体哪一部分没分析出来,应该和棒球棒甜区的位置是一个原理得到的……)……
哎……不过果然分析的很有道理……学习之……
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