论文部分内容阅读
生活中处处存在杠杆,小到螺丝刀、门把手,大到道路指示牌、起重机臂等。在人体中也有许多杠杆模型,其中大多数是费力杠杆,也有小部分是省力杠杆。
一、费力杠杆
人体中的费力杠杆很多,如抬起头、抬起手臂、举起哑铃等。抬起头这一杠杆模型的支点在脊柱之顶,支点前后各有肌肉,动力为颈椎上肌肉拉伸与收缩产生的力,阻力为人的头颅重力,当抬头(或仰头)时形成费力杠杆;当低头时动力与阻力互换,形成省力杠杆。当抬起手臂或举起哑铃时,手臂也是一种费力杠杆,当举起一定重量的物体时,肌肉产生的动力大约是物体重力的6倍,虽然费力,但是可以省距离,这也是费力杠杆的优点。
例1 从地面上搬起重物,我们的常见做法是弯腰(如图1甲)或下蹲弯曲膝盖(如图1乙)把它搬起来,这两种方法哪种更好呢?下面就建立模型说明这个问题。把脊柱简化为杠杆,如图1丙所示,脊柱可绕骶骨(轴)O转动,腰背部复杂肌肉的等效拉力F1作用在A点,其实际作用方向与脊柱夹角为12°且保持不变,搬箱子拉力F2作用在肩关节B点,在B点挂一重物代替箱子。用测力计沿F1方向拉,使模型静止,可测出腰背部复杂肌肉拉力的大小。接着改变脊柱与水平面的夹角即可改变杠杆与水平面的夹角α,多次实验得出结论。
<e:\mxj\2021pb\cz21-15 初中生8期 提升版\cz21-15 8期pb\dt\2108期物理第5篇:人体中的杠杆-AB97\image2.png><e:\mxj\2021pb\cz21-15 初中生8期 提升版\cz21-15 8期pb\dt\2108期物理第5篇:人体中的杠杆-AB97\image2.png> [腰背肌等效作用點][肩关节][B][A][A][B][α][O][F1][F2] [12°] [丙][乙][甲][图1]
(1)在丙图中画出F2的力臂l2。
(2)当α角增大时,l2 (填“变大”、“变小”或“不变”,下同),F1 。
(3)如果考虑到人上半身的重力,那么腰背部肌肉的实际拉力将比图1丙中的F1要 (填“大”或“小”)。
(4)对比甲、乙两种姿势所对应丙图中的两种状态,分析可得, (填“甲”或“乙”)图中的姿势比较正确。
解析:(1)作力臂需要延长阻力F2的作用线,由支点作F2作用线的垂线,如图2所示,l2是其力臂。
(2)由文中描述可知:当α角增大时,阻力臂l2变小,阻力不变,又因为拉力F1的方向与脊柱夹角始终为12°,支点O到动力F1作用线的距离不变,即动力臂l1不变,根据杠杆平衡条件[F1l1=F2l2],即F1 = [l2l1]F2可知,F1变小。
(3)如果考虑到人上半身的重力,由于上半身的重力(即阻力)会阻碍杠杆的转动,根据杠杆平衡条件可知:实际拉力将变大。
(4)比较甲、乙两种姿势可知:甲姿势脊柱与水平面的夹角明显小于乙姿势,即甲姿势阻力臂比乙姿势阻力臂长,根据杠杆平衡条件[F1l1=F2l2]可知,甲姿势需要的肌肉拉力明显大于乙姿势,即甲姿势不正确,乙姿势比较正确。因此,在弯腰搬运重物时,正确的姿势是尽量使重物离身体近一些,以免肌肉被拉伤。
答案:(1)如图2 (2)变小 变小 (3)大 (4)乙
二、省力杠杆
人体中的杠杆也有小部分是省力杠杆,如图3是踮起脚尖的过程。当踮起脚尖时,支点O在脚尖,脚后跟的肌肉拉力为动力,人本身重力为阻力,动力臂大于阻力臂,因此踮起脚尖属于省力杠杆,肌肉拉力比人本身重力小。其实人走路的过程也是一种省力杠杆,人的脚越长越省力,走路也越轻松。
例2 “暴走”是一种快速的徒步运动方式。观察分析人走路情形,可以将人的脚视为一根杠杆,如图3所示,行走时人的脚掌前端O是支点,人体受到的重力是阻力,小腿肌肉施加的力是动力。已知某人的质量为80 kg,g = l0 N/kg。
(1)请画出小腿肌肉施加的拉力F的力臂l1。
(2)根据图片,估算小腿肌肉产生的拉力是 N。
(3)通过查阅资料可知,人以不同方式徒步运动半小时,消耗人体内的能量如下表所示。请你从能量角度分析“暴走”能健身的原因: 。
[运动方式 散步 快走 慢跑 快跑 消耗能量E/J 315 1165.5 1260 1764 ]
解析:(1)从支点O作拉力F作用线的垂直距离,即拉力F的力臂l1,如图4所示。
(2)由图4可知,F的力臂l1大约是G的力臂的2倍,根据杠杆平衡条件[F1l1=F2l2]可知,F1 = [12]F2 = 400 N。
(3)由表中信息可知,人运动的速度越大,单位时间内消耗的能量越多。
答案:(1)如图4 (2)400 (3)人运动的速度越大,在单位时间内消耗
的能量越多
(作者单位:江苏省苏州市相城区北桥中学)
一、费力杠杆
人体中的费力杠杆很多,如抬起头、抬起手臂、举起哑铃等。抬起头这一杠杆模型的支点在脊柱之顶,支点前后各有肌肉,动力为颈椎上肌肉拉伸与收缩产生的力,阻力为人的头颅重力,当抬头(或仰头)时形成费力杠杆;当低头时动力与阻力互换,形成省力杠杆。当抬起手臂或举起哑铃时,手臂也是一种费力杠杆,当举起一定重量的物体时,肌肉产生的动力大约是物体重力的6倍,虽然费力,但是可以省距离,这也是费力杠杆的优点。
例1 从地面上搬起重物,我们的常见做法是弯腰(如图1甲)或下蹲弯曲膝盖(如图1乙)把它搬起来,这两种方法哪种更好呢?下面就建立模型说明这个问题。把脊柱简化为杠杆,如图1丙所示,脊柱可绕骶骨(轴)O转动,腰背部复杂肌肉的等效拉力F1作用在A点,其实际作用方向与脊柱夹角为12°且保持不变,搬箱子拉力F2作用在肩关节B点,在B点挂一重物代替箱子。用测力计沿F1方向拉,使模型静止,可测出腰背部复杂肌肉拉力的大小。接着改变脊柱与水平面的夹角即可改变杠杆与水平面的夹角α,多次实验得出结论。
<e:\mxj\2021pb\cz21-15 初中生8期 提升版\cz21-15 8期pb\dt\2108期物理第5篇:人体中的杠杆-AB97\image2.png><e:\mxj\2021pb\cz21-15 初中生8期 提升版\cz21-15 8期pb\dt\2108期物理第5篇:人体中的杠杆-AB97\image2.png> [腰背肌等效作用點][肩关节][B][A][A][B][α][O][F1][F2] [12°] [丙][乙][甲][图1]
(1)在丙图中画出F2的力臂l2。
(2)当α角增大时,l2 (填“变大”、“变小”或“不变”,下同),F1 。
(3)如果考虑到人上半身的重力,那么腰背部肌肉的实际拉力将比图1丙中的F1要 (填“大”或“小”)。
(4)对比甲、乙两种姿势所对应丙图中的两种状态,分析可得, (填“甲”或“乙”)图中的姿势比较正确。
解析:(1)作力臂需要延长阻力F2的作用线,由支点作F2作用线的垂线,如图2所示,l2是其力臂。
(2)由文中描述可知:当α角增大时,阻力臂l2变小,阻力不变,又因为拉力F1的方向与脊柱夹角始终为12°,支点O到动力F1作用线的距离不变,即动力臂l1不变,根据杠杆平衡条件[F1l1=F2l2],即F1 = [l2l1]F2可知,F1变小。
(3)如果考虑到人上半身的重力,由于上半身的重力(即阻力)会阻碍杠杆的转动,根据杠杆平衡条件可知:实际拉力将变大。
(4)比较甲、乙两种姿势可知:甲姿势脊柱与水平面的夹角明显小于乙姿势,即甲姿势阻力臂比乙姿势阻力臂长,根据杠杆平衡条件[F1l1=F2l2]可知,甲姿势需要的肌肉拉力明显大于乙姿势,即甲姿势不正确,乙姿势比较正确。因此,在弯腰搬运重物时,正确的姿势是尽量使重物离身体近一些,以免肌肉被拉伤。
答案:(1)如图2 (2)变小 变小 (3)大 (4)乙
二、省力杠杆
人体中的杠杆也有小部分是省力杠杆,如图3是踮起脚尖的过程。当踮起脚尖时,支点O在脚尖,脚后跟的肌肉拉力为动力,人本身重力为阻力,动力臂大于阻力臂,因此踮起脚尖属于省力杠杆,肌肉拉力比人本身重力小。其实人走路的过程也是一种省力杠杆,人的脚越长越省力,走路也越轻松。
例2 “暴走”是一种快速的徒步运动方式。观察分析人走路情形,可以将人的脚视为一根杠杆,如图3所示,行走时人的脚掌前端O是支点,人体受到的重力是阻力,小腿肌肉施加的力是动力。已知某人的质量为80 kg,g = l0 N/kg。
(1)请画出小腿肌肉施加的拉力F的力臂l1。
(2)根据图片,估算小腿肌肉产生的拉力是 N。
(3)通过查阅资料可知,人以不同方式徒步运动半小时,消耗人体内的能量如下表所示。请你从能量角度分析“暴走”能健身的原因: 。
[运动方式 散步 快走 慢跑 快跑 消耗能量E/J 315 1165.5 1260 1764 ]
解析:(1)从支点O作拉力F作用线的垂直距离,即拉力F的力臂l1,如图4所示。
(2)由图4可知,F的力臂l1大约是G的力臂的2倍,根据杠杆平衡条件[F1l1=F2l2]可知,F1 = [12]F2 = 400 N。
(3)由表中信息可知,人运动的速度越大,单位时间内消耗的能量越多。
答案:(1)如图4 (2)400 (3)人运动的速度越大,在单位时间内消耗
的能量越多
(作者单位:江苏省苏州市相城区北桥中学)