教师课堂演示徒手劈砖火遍全网，原来利用的是这个科学原理
科学角度观世界2020-06-06 00:31
最近一位中学物理老师在课堂上给学生徒手劈砖的视频在网上广为传播，引起了学生的极大学习热情，同时众多网友也表示，为什么自己当初在上学的时候怎么没有遇见这么有趣的老师。这位老师用一个有趣的“绝活”向同学们活生生的演示了“知识就是力量”这个道理。
那么这位物理老师为什么能这么厉害，轻轻松松的就将砖块劈开了？其实这里面包含着一定的科学原理，利用这个原理劈开砖块并不是很困难，接下来我们就来学习徒手劈砖中的科学原理。
首先我们先了解一个物理概念——力矩
力矩是表示力对物体作用时所产生的转动效应的物理量。在生活中就会有很多地方利用到力矩，其中用得最多的就是杠杆原理。例如在我们利用杠杆原理撬一块大石头时，我们下压杠杆时会给予杆子一个力矩，力矩的大小等于力与力臂的乘积。力矩一般使用M表示，大小等于力乘以力臂：M=LxF，并且力矩是具有方向的，方向判定为可以参考下面这张图：四指从力臂(指向力的作用线)向力的方向握，那么大拇指的方向就是力矩的方向。
对于下面这个杠杆来说，用手下压的力给予杆子的力矩大小M1=L1xF1。在石头端，石头也会给予杆子一个力矩的的作用，大小M2=L2xF2。当两个力矩大小相等时，方向相反（可以通过上面所说的方法判断两个力矩的方向），两个力矩相消，总力矩等于零，杠杆则处于平衡状态。当力矩不相等时，两个力矩的差值则不为零，杠杆就会发生旋转。
通过上面的讲解，你应该明白了什么是力矩以及力矩对物体的作用，关于力矩对物体的作用，可以总结成一句话：当物体所受到的合力矩不为零时，物体的旋转状态就会发生改变。这个旋转状态的变化可能是物体越转越快，也有可能是越转越慢，这个需要看所施加的合外力矩的方向。当所施加的力矩方向与角动量方向一致时，物体的旋转会加速，当方向相反时，则会减速。
施加力矩与陀螺角动量方向一致陀螺加速
刹车时施加力矩与原转盘角动量相反减速徒手劈砖中的物理奥秘
之所以需要先讲关于力矩的知识，正是因为徒手劈砖这个过程中涉及到了力矩的作用，合力矩的大小及方向会影响物体的旋转状态，那么劈砖和旋转过程又有什么关系？这里就要谈到徒手劈开砖头的“独门秘籍”了。如果你仔细看那位老师劈开砖头的过程，你可以看到那位老师是先将砖头的一端翘起一定的角度，然后再快速往下一劈，砖头就这样瞬间就被劈断了。
劈砖时先将砖头一侧抬起之所以要将砖头部分翘起，其实是想利用砖头的旋转形成一定的角动量，利用角动量的迅速变化形成一个巨大的力矩，在这个强大力矩作用下将砖头“折”成两半。那么什么是角动量呢？
角动量任何旋转的物体都会具有一个角动量，角动量的大小与物体的转动惯量和转动速度有关。
角动量与物体的转动速度成正比转动惯量又与物体的质量分布和转动半径有关，对于砖块来说，它的质量较大，并且在劈砖的过程中是围绕砖头的一边旋转，旋转半径较大，于是砖块会具有较大的转动惯量，因此在向下快速旋转的过程中角动量也比较大。
转动惯量与物体质量分布、旋转半径关系砖头在一边抬起之后，手掌劈向砖头的一侧，砖头将会绕着与桌面的接触点快速向下旋转，在旋转到与桌面平行的水平时，会撞击到桌面，桌面会给予旋转的砖头一个力矩的作用，前面讲过，力矩作用于旋转体时，会改变物体的旋转状态（相当于改变了物体的角动量），并且力矩越大，改变的速度越快（角动量变化速度越快），这个关系与牛顿第二定律非常相似。下面这个是关于力矩与角动量和作用时间的关系。
角动量在单位时间内的改变量等于力矩如果我们将两边进行积分，就会得到下面这个公式。
在劈砖的过程中，力矩的作用时间非常短，因此，从开始撞击到撞击完所用的时间Δt=t2-t1非常小，而撞击前砖块的旋转速度为ω1，撞击桌面之后我们可以看作砖块的转动停止，转动速度ω2=0，因此从撞击前到撞击后，砖块角速度的改变量Δω=ω2-ω1= -ω1，因此，这个砖块的角动量改变量为-Jω1。
由于在撞击过程中的力矩是实时变化的，因此对于砖块的撞击，我们一般计算这个过程的平均力矩。
平均力矩与角动量的关系
桌面撞击砖块时给予砖块力的作用这个撞击的过程非常短暂，因此Δt=t2-t1的值非常小，角动量在这个非常短的时间内瞬间降为零，而角动量的改变量除以作用时间会等于力矩，作用时间小，通过计算可以得到桌面对砖块作用的力矩会非常大，这个巨大的力矩会将砖块瞬间“折”断，并且由于砖块本身是一种抗压却不抗折的材料，因此，利用这种方法劈开砖块并不是非常难的事情。
Δt越小，力矩将会越大
砖块抗折强度标准通过上面的讲解，你是否理解了徒手劈砖中的科学原理呢？在劈砖块过程中，力量稍微小一点，也没关系，可以将砖块翘的稍微高一点，这样手对砖块的作用时间将会更长，给予砖块更大的角动量。并且砖块自身重力产生的力矩也会在一定程度上增大砖块的角动量，于是砖块撞击桌面的过程中角动量的改变量将会更大，产生的力矩也会更大，劈开砖头就会稍微轻松一点。当然，上面讲的这种徒手劈开砖块的方式只是一种技巧，如果你的实力够强，直接劈开一口平铺在桌面上的砖块也不是不可能，只是这需要更加强大的力量。
以上就是关于徒手劈砖的科学原理，当我们用科学的眼光看待世界时，一定能够让你发现一片新的天地。
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