省力结构与省力方法的探讨

　　引言

　　从古到今，人们创造了许许多多具有实用意义的简单工具，如：车轮，尖劈，杠杆，滑轮等，这些工具使社会的生产效率大大提高。其中车轮的出现具有划时代意义，它是人们最省力的运输工具，它将人类搬运物体的效率大大提高了，人力车、马车、汽车，火车就是例子。另外，要使物体运动必须给物体施加一定的力，施力点，施力角度及施力工具不同，其作用效果就大不一样。

　　杠杆是人类最早使用的工具之一，杠杆原理表现在被人们广泛应用的桔槔，踏舂和衡器上。桔槔是一种取水机械，古籍上又称之为桥衡，槔，桥等[1]。人们在搬运一个物体时，总是想找到一种最省力的办法，以提高劳动效率，从实际经验可知，在平面或斜面上拉物体要比推物体省力。当拉力角 θ(拉力与物体水平方向的夹角)的大小改变时，拉力的大小也随着改变。当拉力角改变到某一个值时，对应的拉力 F会出现一个最小值，这就是最省力的拉力角。计算此施力角度，对提高劳动效率，减轻劳动强度是很有意义的。

　　1.常见的省力工具

　　1.1 杠杆

　　阿基米德在《论平面图形的平衡》一书中最早提出了杠杆原理。他首先把杠杆实际应用中的一些经验知识当作“不证自明的公理”，然后从这些公理出发，运用几何学通过严密的逻辑论证，得出了杠杆原理。这些公理是：(1)在无重量的杆的两端离支点相等的距离处挂上相等的重量，它们将平衡;(2)在无重量的杆的两端离支点相等的距离处挂上不相等的重量，重的一端将下倾;(3)在无重量的杆的两端离支点不相等距离处挂上相等重量，距离远的一端将下倾;(4)一个重物的作用可以用几个均匀分布的重物的作用来代替，只要重心的位置保持不变。相反，几个均匀分布的重物可以用一个悬挂在它们的重心处的重物来代替;似图形的重心以相似的方式分布……正是从这些公理出发，在“重心”理论的基础上，阿基米德又发现了杠杆原理[2]，即“二重物平衡时，它们离支点的距离与重量成反比。”

　　阿基米德对杠杆的研究不仅仅停留在理论方面，而且据此原理还进了一系列的发明创造。据说，他曾经借助杠杆和滑轮组，使停放在沙滩上的桅船顺利下水。在保卫叙拉古免受罗马海军袭击的战斗中，阿基米德利用杠杆原理制造了远、近距离的投石器，利用它射出各种飞弹和巨石攻击敌人，曾把罗马人阻于叙拉古城外达三年之久。

　　这里还要提及的是，在我国历史上也早有关于杠杆的记载。战国时代的墨家曾经总结过这方面的规律，在《墨经》中就有两条专门记载杠杆原理的。这两条原理对杠杆的平衡说得很全面。里面有等臂的，有不等臂的;有改变两端重量使它偏动的，也有改变两臂长度使它偏动的。这样的记载，在世界物理学史上也是非常有价值的。