成年人站立时对地面的压强及其影响

2006年9月，湖南卫视《谁是英雄》节目，表演者蔡东生躺在钉有300多颗钉子的木板上，身上还站在一个背着一个壮汉的壮汉，半分钟后，蔡东生站起来，背上只有一些小印痕。

这么多钉子并没有刺穿他的后背，这是为什么呢？

这除了他长期练就的过硬的功夫外，他还用到了压强的知识，学习了这一节的内容后我们就清楚了。

图3.1.1　钉床

表3.1.1　分层学习要求

做一做

力是物体对物体的作用。如图3.1.2所示，将物体分别放在桌面上、斜面上以及压在墙面时，物体对桌面、斜面、墙面都有压力吗？你能画出物体对它们的压力吗？

图3.1.2　放置在不同位置的物体

1.复习：力的作用效果是什么？

2.还记得怎么画力的示意图吗？

压力

在物理学上，把垂直作用在物体表面的力叫压力。

压力的方向总是垂直于受力面。

3.“垂直”与“竖直”一样吗？

力的分类

按性质分可分为：万有引力（重力）、弹力、摩擦力、分子力、电磁力、核力等。

按效果分：压力、支持力、动力、阻力、向心力、回复力等。

同种性质的力可产生不同的效果；同种效果可由不同性质的力产生。

按作用方式分：场力、接触力。万有引力（重力）、电磁力均属于场力；弹力、摩擦力均属于接触力。

按研究对象分：外力和内力。

●压力与重力的区别

通过分析观察图3.1.2，我们发现压力并不一定由重力产生，大小也不一定相等，方向也不一定相同，只有静止放在水平地面上的物体对地面的压力大小才等于重力大小。除此之外，压力和重力还有区别吗？

4.能从力的三要素对压力和重力加以区别吗？

压力的作用效果

如图3.1.3所示，用两手指顶在铅笔两端保持静止，手指对铅笔左右两端的压力相同吗？两端手指凹陷程度、感觉相同吗？

图3.1.3　手指压铅笔

当你更用力的挤压铅笔，你手指的感觉又会怎样？

用手挤压铅笔两端的力是压力，压力是弹力的一种。当铅笔保持静止时，两手指对铅笔的压力大小相同，手指的凹陷程度、感觉不同，说明压力对不同接触面的作用效果与受力面积有关；更用力时，右手指会感觉疼痛，笔尖会陷得更深，说明压力的大小也影响压力对接触面的作用效果。

做一做

在图3.1.4中，把小桌放到海绵上，海绵有略微的凹陷；再在小桌上放一个砝码，以增大对海绵的压力，发现海绵的凹陷程度明显变大；若将小桌桌面朝下颠倒放置在海绵上，放上相同的一个砝码，海绵的凹陷程度明显变小。

图3.1.4　将小桌放置在海绵上

比较甲、乙两图中海绵的形变量，我们发现当受力面积相同时，压力越大，压力的作用效果越显著；比较乙丙两图中海绵的形变量，我们发现当压力相同时，受力面积越小压力的作用效果越显著。

压强

如果受力面积和压力都不相同时，该如何比较压力的作用效果呢？可以用单位面积上受到的压力大小来比较，即压强。若FN是作用于接触面上的正压力，S是接触面积，p是压强。则

5.在前面哪一章节还学到过“比值定义法”？

在国际单位制中，力的单位符号是N，面积的单位符号是m2，压强的单位符号是N/m2，读作“牛每平方米”。为了纪念法国科学家帕斯卡，压强的单位也叫做帕斯卡，简称帕，用符号Pa表示。1 Pa=1 N/m2。常用的压强单位还有百帕（hPa）、千帕（kPa）、兆帕（MPa）。

小资料

帕斯卡是一个很小的单位，一颗西瓜籽平放在手上，对手的压强约20 Pa。当一只蚊子叮咬皮肤，它的口器对皮肤产生的压强大约是1010Pa。成年人站立时对地面的压强约1.5×104Pa。

想一想

你还能由推导出柱形固体对地面压强的其他表达式吗？

图3.1.5　柱体

6.均匀直柱体的压强公式什么？它有什么适用条件？

当柱体静止于水平面时柱体所受的重力G=_____________

质量m=_________再根据柱体体积的计算公式可推导得出G=ρgSh最后将其代入压强的计算公式可得自由静止于水平地面的柱体的压强推导公式。

例题1：如图3.1.6所示，一名同学的质量为57 kg，静坐在一把四条腿的椅子上，椅子的质量为13 kg，每只椅子腿与地面的接触面积为3.5 cm2。重力加速度g取9.8 N/kg。

图3.1.6　椅子(www.xing528.com)

（1）该同学与椅子对地面的平均压强为多少？

（2）当该同学翘起椅子，使椅子只有两条腿与地面接触（没有其它接触力）时，认为每条腿与地面的接触面积不变，该同学和椅子对地面的平均压强变为多少？

7.书写计算题的解题过程时有哪些注意事项？

分析：以这名同学和椅子为研究对象，根据平衡条件求出该同学和椅子对地面的压力FN，明确两次椅子与地面的受力面积，利用求平均压强。

解：（1）地面对他们的支持力NF′为

该同学与椅子对地面的压力为

8.增大或减小压强的方法什么？你能各举三个例子吗？

该同学与椅子对地面的平均压强

（2）翘起椅子时，只有两条腿与地面接触时，接触面积S2=7 cm2。

与之相似，你能估计出你双脚站立时对地面的平均压强吗？

减小或增大压强的方法

超过物体能够承受的压强界限，物体就会被破坏。蚊子的口器之所以能够轻松的刺破人体的皮肤，就是因为人体的皮肤能够承受平均压强的界限为1714 Pa。

在日常生活中，我们有时需要增大压强，有时需要减小压强。例如由压强的定义公式，我们知道如果我们想增大压强，可以在受力面积一定的情况下增大压力，或者在压力一定的情况下减小受力面积，也可以在增大压力的同时减小受力面积。想一想如果我们想要减小压强呢？

在我们生活中有哪些增大和减小压强的实例？它们是如何增大和减小压强的呢？

观察图3.1.7图钉，它有什么特点？你知道这样设计的道理吗？

图3.1.7　图钉

图钉的尖端一般都很尖，用力按图钉，它就能够扎入较深的物体中，图钉尖的设计就是通过减小受力面积增大压强的方法来使图钉较易扎入物体中的。而图钉的钉帽设计得比较宽大，这就增大了受力面积，从而减小了压强，这样我们在按压图钉时，手就不会感觉到太痛。

想一想

请你和身边的同学讨论分析，如图3.1.8中哪些是增大压强？哪些是减小压强的？它们是如何增大和减小压强的呢？

图3.1.8　生活中增大减小压强的例子

自我评价

1.一个装有饮料的密闭平底瓶子，先正立放在水平桌面上，然后翻过来倒立在水平桌面上，如图3.1.9所示。则正立、倒立时饮料瓶对水平桌面的压力和压强变化情况是（　）。

图3.1.9

A．压力增大，压强增大　B．压力不变，压强增大

C．压力减小，压强不变　D．压力不变，压强不变

2．下列的四种现象，属于增大压强的是（　）。

A．书包的背带做得很宽

B．小朋友脚上宽大的滑雪板

C．水果刀做得很锋利

D．铁轨下铺设枕木

3．如图3.1.10所示，在水平放置的书架上，并列放10本完全相同的书（每本书与书架的接触面积相同），书架受到书的压力为F，压强为p；当取走右边的4本书后，其余6本书不动，则书架受到书的压力和压强分别为（　）。

图3.1.10

4．一同学双脚站立在水平地面，对地面压强最接近（　）。

A．10 Pa　B．100 Pa　C．1 000 Pa　D．10 000 Pa

5.6月26日是国际禁毒日，小明参加了本市“拒绝毒品，环湖徒步”宣传活动，小明的质量为50 kg双脚与地面的总接触面积为0.04 m2。求：

（1）小明的体积约多少立方米？（人的密度和水差不多，取小明的密度为1.0×103kg/m3）

（2）小明所受的重力大小为多少牛？

（3）小明走路时在水平地面时对地面的压强为多少帕？

从力学角度解释“胸口碎大石”

“胸口碎大石”作为杂技表演类的节目，相信大家都有听说甚至见过，那这种“神功”是怎样实现的呢？下面从两个角度来领略“胸口碎大石”的神奇。

对“胸口碎大石”的科学解释有很多，其中比较典型的有两种：惯性效应和帕斯卡效应。

惯性效应

由于石块质量很大，锤子很快砸下去时，惯性作用使得石块的加速度很小，从而对人不会产生很大冲击。该过程可通过牛顿第二定律理解：当锤子作用在石块上的冲击力F一定，石块质量m越大，石块产生的加速度a越小，给人体带来的冲击也越小，从而使人不受伤害。

帕斯卡效应

采用的石块形状一般为规整的长方体，其与人体接触的面积很大，由帕斯卡的压强公式可知：当力F一定，由于人与石块接触面积很大，故作用在人体上的压强p很小，即石块与人体接触的大面积会将锤子作用在石块上的冲击强度分散掉，进而使人受到的损伤大大减弱。