据说,最早发现杠杆原理的是古希腊的阿基米德(前287~前212)。他曾经说过:“给我一个支点,我就能撬起整个地球。”阿基米德应是十分中意于这种用途广泛的杠杆原理,利用它可以轻松地移动重物。
在杠杆原理中,我们把杠杆固定的旋转点称为“支点”。要想举起重物,就要把支点置于尽量靠近物体的地方。例如,下图中,假设人施加力的点(动力点)与支点之间的距离达到支点与使物体移动的点(阻力点)之间距离的5倍。那么,要想撬起地球仪,只需要用地球仪1/5重量的力按压木板即可。
剪刀、起子、镊子、筷子、钳子、杆秤这些工具都用到了“杠杆原理”。利用杠杆原理,我们可以用很小的力量撬起很重的物体,也可以把短距离移动放大为长距离移动。正因如此,杠杆原理在我们生活中的应用十分广泛。
你可能觉得通过杠杆原理就能用轻微的力气撬起物体,不会吃什么亏,只有好处而没有坏处。但其实并非如此。如果你想靠施加很小的力就撬起重物,那么相应地,持续施力的距离就要加大。在上图的例子中,你就不得不用地球仪移动距离的5倍幅度来按压木板。
反过来说,把支点置于动力点的附近,结果又会如何(见下图)?虽说撬起物体花费了很大的力,但是物体移动的距离就能比按压木板的距离长。换言之,如果此时迅速地按压木板,物体的移动速度也就可以随之迅速增加。古代战争中使用的投石机就利用了这个性质,将石块投到了很远的地方。
将杠杆原理看作以支点为中心的旋转运动,就比较容易理解了。动力点或阻力点的移动距离是由以支点为中心的圆的半径决定的。半径越长,这个点移动的距离就越长,因为这个点就得沿半径更长的圆移动了。
距离变化的同时,也伴随着力的增减。这是因为单纯的杠杆原理是通过以下公式成立的:作用于动力点的力×动力点移动的距离=作用于阻力点的力×阻力点移动的距离。(力×力作用的距离)在物理学中叫做“功”,即人做的功和物体被做的功是相等的(能量守恒定律)。换言之,利用杠杆原理撬起重物,或使物体发生长距离移动,人花费的能量跟直接使其移动所需的能量是相同的。