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《我们爱科学》

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弹簧秤,称大象

2014-02-19 10:46:54
                                             
 弹簧秤,称大象
                                                   作者:云峰科学游戏创意工场
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  嘟嘟一见到小沙就兴奋地告诉他:“你听说了吗?高博士正在组织一个很酷的比赛——用弹簧秤称出大象的重量。”
  “比赛规定使用的弹簧秤最多只能称5千克的东西,怎么能称几吨重的大象呢?”小沙有点怀疑,“你猜他们会不会用曹冲称象的方法?”
  嘟嘟叫道:“走吧,还是让我们去比赛现场看看吧。”

出师不利的巨秤
  参加比赛的大象名叫阿莲,它还会表演杂技呢。
  比赛首先出场的是艺术学院队,选手们制造了一个巨大的秤。这个巨秤全长6米多,用从建筑工地借来的实心钢管做成。高博士画了个草图介绍道:“巨秤头部A处的S形挂钩与装大象的铁笼相连,B处有套环可挂在吊车上,C处放瓶装纯净水当砝码。两端平衡后,数出纯净水的数量,用弹簧秤称出一瓶水的重量,就可以算出大象的重量了。巨秤的尺寸是:AB长5厘米,BC长6米。”
 
  比赛开始后,队员们把巨秤挂在吊车上。吊车启动后,装大象的铁笼还没离开地面,巨秤A处的S形挂钩就断了。这个方案失败了。
  “他们失败有两个重要原因:一是采用了实心钢管,二是加工S形挂钩的方法不当。”高博士给小沙和嘟嘟解释,“与实心钢管相比,相同粗细的空心钢管强度更高,不容易折断,而且重量轻。自行车用空心钢管做成,很多植物如麦秆都长成中空的,都是这个道理。”
  “大家都觉得用实心钢管做巨秤比较结实,想不到错了。” 小沙说。
  高博士继续说:“另外,S形挂钩由较粗的钢筋做成。物体弯曲时外表会发生变形,直径越粗变形越严重。钢筋一弯曲就容易出现裂纹,如果不加处理地直接弯曲钢筋,做出来的挂钩很容易断裂,正确方法是在加热的情况下加工挂钩。艺术学院队的方案还有很多细节需要改进。” 
  

把杠杆串联起来
  第二个上场的是家庭队,由来自深圳的一家三口组成。他们的装置看起来比较简单,像个台子一样。台子的一端有个小秤盘,只要把物体放在秤盘里,就能称出重量。
  “我观察了一下,这个装置是由串联的杠杆组成。”嘟嘟发现了其中的秘密。
  “串联?”小沙有点奇怪,“杠杆就可以把力放大,为什么要串联呢?”
  高博士画了一个示意图,解释道:“这个秤是这样的:ABC是第一级杠杆,可把力放大10倍;CDE是第二级杠杆,也可以把力放大10倍。两个杠杆合在一起可以把力放大100倍。在E处安装弹簧秤来称量。最后整个装置封装在一个平台中,平台的大小正好可以让大象站在上面。”
 
   “我还是不理解串联杠杆有什么好处。”小沙说。
  高博士说:“如果直接做一个杠杆,一边是大象,一边是狗。假设大象重2000千克,狗重20千克,要想达到两端平衡,那么杠杆两段的长度比就要是1﹕100。我们管其中短的那段叫短力臂,长的叫长力臂。如果短力臂为5厘米,那长力臂必须是500厘米,整个杠杆就要有5米多长。这么长的杠杆很容易折断。”
  “短力臂不能更短些吗?这样整个杠杆不就可以短些了嘛。”嘟嘟说。
  “再短误差就大了。”高博士又画了张示意图解释说,“如果采用串联杠杆,AOB是一个杠杆,BCD是另一个杠杆,两杠杆在B点连接在一起。设BO是AO的10倍,DC是BC的10倍,这样总的放大倍数仍是100倍。如果短力臂AO和BC仍是5厘米,则BO和DC分别为50厘米,则整个杠杆长只有1.1米。这样一来,整个装置就短多啦。”
  “哦,原来是这样!”嘟嘟明白了其中的奥秘。
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只称两条腿的奇特称重法
  “我又发现了一个问题!台子的大小足够大象站在上面,但是称重用的秤盘却不大,怎么够大象站呀。那么,他们是怎样称大象的呢?”小沙问。
  只见家庭队先让大象的一只前脚站在托盘上,测出读数;然后再让大象掉转身,把一只后脚站在托盘上,测出另一个读数。两次读数加在一起再乘以二就是大象的重量。
  小沙怀疑地问:“这样称准不准呀?”
  高博士回答:“大象静止站立时,它受到的重力就分散在4条腿上。而两条前腿对称,受力一样;同样,两条后腿也对称,受力也一样。所以,只要称出一前一后两条腿的受力大小,就能得出半头大象的重量了。家庭队的测量方法很巧妙。”
   大象的标准重量为2100千克,最终家庭队称出的重量为2080千克,误差只有20千克,家庭队获得胜利。
  高博士总结说:“家庭队采用串联杠杆的方法测大象重量,设置巧妙。通过称两条腿得出大象重量的方法也很有创意。平台的高度大约只有20厘米,测量时,大象可轻松把脚踩在装置上,不会害怕,这也是家庭队最后取得成功的重要保证。”
  家庭队的招很妙,但还是能看到“秤”。那么,有没有办法让人看不到“秤”也可以称出大象的重量呢?高博士又产生了更疯狂的想法。








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