第六节  压力和支承力

一、压力与与支承力

1、大气压力的起源　

众所周知，大气压力起源于空气分子频繁而连续不断地对物体的碰撞。

2、物体间压力和支承力的起源

我们知道，碰撞在两个物体的运动过程中发生，由此而产生的力是一种动态力。把物体A放在物体B上，A对B有压力，B对A有支承力。这是一对静力。

在A、B的接触处，它们的分子会发生频繁的碰撞。A分子对B的碰撞使B受到压力。B分子对A的碰撞，使A受到支承力。这种力只有A、B靠近到分子运动所能达到的范围之内才能产生。一旦离开接触，它们之间的力就消失了。因此，宏观上的“静力”，其实是由微观粒子碰撞所引起的。

F_H =SF_iH = 0

而在NN方向上，所有分力的方向都相同，它们的合力：

F_N =S F_iN

就是A对B的向下压力。同理，B对A的碰撞产生一向上的支承力。

如接触处为曲线，则将F_i沿曲线的切向和法向分解为F_iT和F_iN，同样地，切向的合力

F_T =SF_iT = 0

而法向合力

F_N =SF_iN

就是一个物体对另一个物体的压力。显然，F_N必然是通过两物体接触曲线的共法线方向。这样就证明了力学里的一条公理。

如果在A上再放一物体，那么A与B就会更靠近一些，于是B有更多的分子来碰撞A，A受到更大的支承力。这种靠近直到B对A的支承力恰好等于A与其上物体重量总和时为止。因此，两物体之间的压力的大小，可以自动地改变两物体间的距离来进行动态平衡。

如果改变A与B放置的位置，同时改变外力的方向，例如，使得F_N的方向为水平方向，则成推力或拉力。下面加以说明。

二、推力和拉力

人推车的力是怎样产生的呢？首先，人体或物体必需尽量从外表面靠近车子，使人体或物体的分子沿着某一方向去碰撞车子，从而使车子产生这一方向上推力。如果人体或物体一旦离开车子，超过了分子运动的范围后，就再也没有分子去碰车子了，车子的推力马上就会消失。

推力的大小则是靠人体或物体接近车子的程度来调节。人越使劲，就能越靠近车子，参与碰撞的分子越多速度也越大，产生的推力也越大。很多人沿一个方向同时推一辆车子能产生更大的推力也是同一道理。

拉力和推力产生的机理是相同的，人体或物体从内向外的方向去接近车子，使得分子碰撞车子的方向向外，这就是拉力。

三、热压力

把一根铁棒的两端牢牢地顶住，不让它自由伸展。然后加热铁棒，就会发现铁棒会产生很大的膨胀力。这也是因为温度越高，分子运动越快，同时由于热胀的作用，使得两端的物体分子与铁棒的分子更加靠近，从而产生更大的碰撞力。这就是铁棒产生的巨大的膨胀力。当然，只要铁棒不变软，温度越高，铁棒产生的膨胀力也越大。

机械工程上的静配合也经常使用冷缩的方法，这就是把圆管加热到一定的温度，迅速套进一个圆钢中，冷却后，它们的分子非常靠近，产生很大的碰撞力而把它们紧紧地压在一起。

四、浮力

万吨巨轮，在水中为什么不下沉？热气球为什么能腾空而起？这些现象都与浮力有关，那什么是浮力？它的大小与哪些因素有关呢？

如果把物体放在液体中，则液体分子对A碰撞的合力就是浮力。

   要验证这种力是由液体分子对A的碰撞而产生，是非常容易的，只要使A离开液面，浮力马上就消失了。

浮力的大小由阿基米德(Archimedes)原理决定。实验表明：浸在液体里的物体受到竖直向上的浮力，浮力的大小等于被物体排开的液体受到的重力的大小，即：

F =PVG

　　式中P为所浸入的液体的密度， V为物体排开液体的体积，也就是物体浸在液体中的体积，G为重力加速度。

    物体在液体中位置只有以下三种情况：浮在液面、浸在液中和沉在液底。因为液体具有可以流动的特性，比液体密度轻的物体有一部分会浮于液体表面，浸入液体中部分排开液体的重量恰好等于物体的重量。物体放在液体中，和液体接触的地方会受到液体分子的频繁碰撞，这种碰撞力在水平方向上互相抵消，在垂直方向上碰撞力的大小等于物体的重量，也恰好等于物体排开液体的重量。因为只有这样才能把物体去掉，刚好能用排开的液体来补充，保证液面恰好是平的。其效果当然是完全一样的了。

    如果物体的密度与液体一样，也没有空腔结构，物体就会浸在液中，没有浮出液面的部分。同样地，和液体接触的地方会受到液体分子的频繁碰撞，这种碰撞力在水平方向上互相抵消，在垂直方向上碰撞力的大小也等于物体的重量。

    如果物体的密度大于液体，物体会沉在液底。此时，和液体接触的地方会受到液体分子的频繁碰撞，这种碰撞力在水平方向上互相抵消，在垂直方向上碰撞力的大小恰好等于物体排开液体的重量，液体底部的固体对物体的支承力，则等于物体的重量减去物体排开液体的重量。

　　气体与液体一样，对浸在其中的物体也具有浮力的作用。氢气球和热气球上升也是利用气体的浮力。实验证明，阿基米德原理对气体同样适用，即：浸在气体里的物体受到竖直向上的浮力，浮力的大小等于被物体排开的气体受到的重力的大小。

五、分子力

 分子之间的力，是一个非常复杂的碰撞过程，涉及到许多物质层次的运动和碰撞。分子间既存在斥力同时也存在引力。一般而言，当分子间的距离发生变化时，分子斥力的变化总比分子引力的变化来得快。在两个分子的距离为ro（几个埃）时，分子之间的斥力和引力达到平衡，从该距离开始，当分子间的距离减小时，分子间的斥力和引力都将增大，斥力的增大比引力的增大快，表现为斥力；当分子间的距离增大时，斥力和引力都将减小，但斥力减小得比引力快，表现为引力。这就是分子力的特点。