為何用手就能轻易地將图钉钉入木板?

本文透過將書包背带與細線提起的对比实验,引入了物理學中的压力概念。文中解釋道,由於圖钉尖端與木板的接觸面積远小於圖钉頭部與手掌的接觸面積,木板承受的压力远大於手掌承受的压力,因此人們可以轻易地將圖钉按入木板中。

為何用手就能轻易地將图钉钉入木板?

我们可以做一個小實驗:在自己的書包里放些書,大約 2 千克就行了。首先,用手抓住書包带,把書包提在空中不動,停留一兩分鐘感受一下;然後,用一根細一点的牢固绳子系在書包上,再用手提着細绳子讓書包也在空中停留一兩分鐘。我们會發現,與提書包带相比,提細绳子時手會感覺很痛。在上述兩種情況下,雖然提起的是同樣重量的物體,手所承受的力是一樣大的,但我们的感覺不同,其原因在于我们的感覺(或說力的作用效果)不僅與力的大小有關,还與受力面積有關。在物理學中,我们用「壓力」這個概念來描述這種效果,簡單地說,壓力等于力除以受力面積。在提起書包時,虽然手所承受的力是一樣大的,但提細绳子時手的受力面積比提書包带時小,因此壓力也大,力的作用效果更強,提細绳子時感覺會很痛。

觀察一下圖钉會發現,圖钉和手接觸的那一端(钉帽)面積比较大,而和木板接觸的那一端是钉尖,面積很小。用手按圖钉時,手所用的力和木板所受的力是一樣大的,但由于圖钉帽和手的接觸面積是圖钉和木板接觸面積的几百倍,因此從力的效果來看,木板感受到的压力是手感受到的压力的几百倍。所以,我們能夠輕鬆地用手將圖钉按進木板里。