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第42章 功量天地,功率时代(1 / 1)

光幕亮起,物理课继续。孟川没有直接翻开新章节,而是站在讲台前,目光扫过教室,仿佛在寻找与学生们日常经验的连接点。

“同学们,在开始今天的新内容之前,我们先来环顾一下四周,想想我们每天的生活。”孟川的声音平和地引导著,“早晨醒来,电灯带来光明,电磁炉或燃气灶加热食物;我们吃下早餐,获得活动所需的能量;乘坐汽车、地铁或骑自行车上学,交通工具在消耗燃料或电力;太阳照耀大地,提供光和热,驱动着天气循环,也被太阳能电池板收集利用;更广阔的,还有核电站中释放的庞大能量等等。”

他一边说,一边在黑板上列出这些能量的名称:“看,能量无处不在,它以各种形式存在,并且可以相互转化。它是我们一切活动、一切技术、乃至生命本身的基础。那么,我们如何定量地描述能量的多少?如何精确地计算一个过程消耗或产生了多少能量?又如何衡量能量被利用或转化的快慢?”

他停顿了一下,让学生们思考,也让光幕外正在努力消化“宇宙大爆炸”和“恒星生死”等宏大概念的古人,将注意力拉回到更贴近他们理解范围的“地上”事务。

“要解决这些问题,我们需要一个新的物理概念和工具。”孟川转身,在黑板上用力写下两个大字:

功与功率

“今天,我们就来学习功和功率。”他解释道,“功,是能量转化的量度。 做功的过程,必然伴随着能量的转化或转移。而功率,则描述做功的快慢。”

他举了一个古人立刻就能理解的例子:“想象一下,一匹马拉着车在平直的路上前进。”他在黑板上画了一匹简笔画的马,拉着一辆车,车受到向前的拉力f,在水平路面上移动了一段位移s。

“马拉车,车从静止开始运动,车的动能增加了。这个过程,马对车做了功,消耗了马的化学能,转化为车的动能和克服地面摩擦消耗的内能等。”孟川一边说,一边标注着力f、位移s,“那么,马对车做了多少功呢?直觉告诉我们,拉力越大,车被拉得越远,做的功应该越多。但还有一点:如果马用力的方向,和车运动的方向不一致呢?比如,马不是水平拉,而是斜向上拉?”

他在原来的图上,画了一个与水平方向成θ角的拉力f&39;。使车水平前进的,是拉力f&39;在水平方向的分力f&39;? = f&39; sθ。垂直方向的分力只是让车对地面的压力变化,并不直接贡献于水平运动。”

“所以,在物理学中,我们这样定义功。”

“其中,w 表示功,f 表示力的大小,s 表示物体在力的方向上发生的位移的大小,θ 是力f的方向与位移s方向之间的夹角。”

他逐一解释:

“功是标量,只有大小,没有方向。但正负表示是动力功还是阻力功。”孟川强调,“它的单位是焦耳(j),1焦耳 = 1牛·米。”

光幕外,从帝王将相到工匠力夫,几乎所有与“用力”、“劳作”有关的古人,都瞪大了眼睛,竖起了耳朵。

“功,力与位移,还要乘上一个夹角余弦?” 一位正在监督河工搬运土石的官员,下意识地比划着。他以往只知道催促民夫多出力、快干活,却从未想过可以将“出力”、“移动距离”以及“用力方向”用一个如此简洁的公式联系起来,定量计算到底做了多少“工”!这简直是管理工程、核算工效的神器!

“马拉车原来斜著拉,真正用于前进的力会打折扣!” 车夫和马夫们恍然大悟,他们凭经验知道斜拉费力,却不知具体折扣就是那个“sθ”。

“力垂直位移时,竟不做功?” 许多正在推动沉重石磨、或摇动辘轳提水的人,看着自己消耗气力却似乎没有让物体在力的方向移动很远,隐约触摸到了“劳而无功”的某种原理。

孟川接着讲解功率。

“功只告诉我们总共转化了多少能量,但没有告诉我们转化的快慢。同样是搬一万块砖上城墙,一百个人一天搬完,和一个人搬一百天,做的总功一样,但显然前者快得多。这就需要功率来描述。”

他在黑板上写下功率的定义:

“p 表示功率,w 是时间t内所做的功。功率表示做功的快慢。

“功率一定,力与速度成反比。” 各朝负责漕运、驿传、乃至军队后勤的官员,脑中灵光一闪!这解释了为什么纤夫拉重船必须慢行,而轻车快马可以疾驰。若能精确计算所需功率,是否能更合理地调配人力和畜力,甚至设计更省力高效的机械?

孟川开始布置一些简单的计算例题:计算水平推箱子、斜面上拉物体、起重机提升重物等情景中的功和功率。学生们在练习中逐渐熟悉公式的应用。

而光幕之外,一场静默却激烈的“头脑风暴”正在各朝,特别是在那些已有一定“力学”和“运动学”基础的“格物”者、工匠、务实官员中展开。

他们结合刚刚学到的“功”和“功率”,串联起之前学过的“力”、“速度”、“位移”、“简单机械”(杠杆、滑轮、斜面)等知识,许多原本模糊的经验和巧思,突然被点亮,并指向了可能的量化改进!

秦,骊山陵工地。

一名负责石料运输的工头,看着民夫们用滚木拖拽巨石上斜坡。他以前只知道斜面比直接抬升省力,但省多少却全凭感觉。现在,他脑中闪过“功”。将巨石提升同样高度h,直接抬升,需力f1 ≈ 巨石重力g,位移s1 = h,功 w1 = g h。,但提升高度仍是h。!斜面越长越缓,所需拉力f2越小! 他立刻想到,是否可以通过精确测量和计算,设计出更优的斜面坡度与长度组合,在保证安全的前提下,最大限度地节省人力?他甚至开始模糊地思考,实际有摩擦时,额外要做多少功克服摩擦?这能不能也算出来?

汉,关中粮仓。

一位管理粮食入库的仓曹,正为翻晒、入库粮食时,民夫用箩筐背负上下楼梯效率低下且费力而发愁。他想到之前光幕提过的“滑轮”。如果能在仓廪高处安装固定的滑轮,用绳索提升装满粮食的箩筐呢?根据“功”的原理,理想滑轮不省功,但可以改变力的方向,方便施力。如果用一个动滑轮呢?是不是可以省力一半?”来理解:提升重物g到高度h,需做功 g h。如果用一个动滑轮,人拉动绳索的力f可能是g的一半,但需要拉动的绳索长度s是2h,功 f 2h = (g/2)2h = g h,果然相等!省力费距离。那么,如果用多个滑轮组成滑轮组呢?是否可以设计出更省力或更适合不同场景的提升装置?他兴奋地找来懂木工的匠人,开始在地上画图。

唐,将作监。

几位参与了“力学所”研究的工匠和算学博士,正在讨论改良水车,用于驱动碾坊。他们已知水流冲击水车叶片产生力f,水车旋转带动碾轮。之前他们只关注力够不够大。现在,他们开始思考“功率”。。这个功率,是否等于水车输出用来碾磨的功率?如果能估算出碾磨一定粮食所需的功(w)和时间(t),就能反推需要的最小输出功率p_,进而指导水车叶片大小、形状、水流速度的设计,使其功率匹配需求,避免浪费或不足。他们甚至开始模糊地触及“能量转化效率”的概念。

明,沿海盐场。

晒盐的盐丁们,每日需用木耙翻动盐池中的卤水,劳动强度极大。一位老盐丁看着潮汐起落,忽然想到:潮水蕴含巨大的能量。能否利用潮汐的规律性涨落,像水车利用河流一样,设计一种机械,让潮汐的力量来带动翻耙?潮汐力是周期性的,但做功是实在的。关键在于如何将潮汐缓慢但巨大的位移和力量,通过某种机构转化为翻耙所需的功和合适的功率。这个想法看似天方夜谭,但“功”和“功率”的概念,给了他一个思考的起点:先估算潮汐一次涨落能做多少功,再计算翻耙需要多少功和功率,看是否可能匹配,以及需要怎样的传动机构。

功与功率,这两个看似基础的概念,如同一把钥匙,为古代那些最敏锐的实践者们,打开了一扇从定性经验迈向定量分析、从知其然迈向尝试设计计算其所以然的大门。虽然他们的计算会漏洞百出,他们的设想大多简陋甚至谬误,但那种试图用统一、定量的物理语言去理解和改造劳作世界的思维转变,已经悄然发生。

孟川的课堂在例题讲解中接近尾声。他最后总结道:“功和功率,是我们定量分析能量转化、评价机械效率、设计动力系统的基石。从古老的畜力、水力、风力,到现代的蒸汽机、内燃机、电动机,人类对更大功率、更高效率的追求,从未停止。而这一切的起点,就在于我们今天学习的这两个简洁的公式。”

光幕暗下,但“功量天地,功率时代”的思维火花,已在千古时空的诸多角落被点燃。古人开始明白,推动世界前进的,不仅是力气,更是对“功”的算计和对“功率”的追求。

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