杠杆平衡的秘密：左偏右调，右偏左调

小时候玩跷跷板，你肯定遇到过这种情况：你跟小伙伴一高一低，怎么都压不下去。这时候你妈会告诉你：“往重的那边使劲压，或者轻的那边往后挪挪。”其实你妈无意中掌握了杠杆平衡的诀窍。

杠杆的平衡条件是动力乘以动力臂等于阻力乘以阻力臂，写成公式就是：

\[F_1 L_1 = F_2 L_2\]

但考试时，你记得最熟的口诀可能是“左偏右调，右偏左调”。这个口诀不仅适用于天平，也适用于杠杆。怎么理解？想象你面前有一个天平，左边下沉，说明左边重。你需要在右边加砝码或者把游码往右调，才能让天平恢复平衡。这个“往右调”的动作，对应的是“左偏右调”。同理，右边下沉就向左调。

那杠杆不水平的时候，能不能平衡？当然可以。只要杠杆受到的两个力满足平衡条件，它就能静止在任意角度。只是我们平时用天平的时候，为了保证测量准确，才要求杠杆在水平位置平衡。因为水平时力臂可以直接用杆上的刻度读出来，方便计算。

定滑轮和动滑轮：一个省力，一个省距离

升国旗的时候，旗手站在地上往下拉绳子，国旗就缓缓上升。这里用的就是定滑轮。定滑轮的轴固定不动，它只能改变力的方向，不能省力。你要出多大的力，绳子另一端的重物就有多重。

动滑轮就不一样了。它的轴会跟着重物一起移动。用动滑轮提升重物，你只需要用重力一半的力就能拉起来。但代价是，绳子需要拉动两倍的长度。省力就得费距离，这是自然界不变的道理。

要注意区分：动滑轮是省力杠杆，定滑轮是等臂杠杆。省力杠杆的动力臂大于阻力臂，比如我们平时用钳子剪铁丝，就是动力臂长、阻力臂短的省力杠杆。费力杠杆正好相反，比如钓鱼竿，你手握住的地方离支点近，鱼线离支点远，这样鱼竿就能翘起很远的鱼，但你要费更大的力。

做功的两个条件：力和沿力方向的距离

物理里“做功”这个词跟我们日常说的“做工”不一样。你搬一箱书上楼，你做了功；但你扛着书站在原地不动，你虽然很累，但物理上没做功。做功必须同时满足两个条件：有力作用在物体上，并且物体在这个力的方向上移动了一段距离。

公式很简单：

\[W = F s\]

其中F是力，s是物体在力的方向上移动的距离。注意是“沿力方向”的距离，不是随便什么方向。比如你提着水桶水平向前走，你对水桶的力是竖直向上的，而水平方向移动的距离跟这个力垂直，所以你对水桶没做功。

功是表示做功多少的物理量，功率是表示做功快慢的物理量。功率的定义是单位时间内做的功：

\[P = \frac{W}{t}\]

所以“功率大的机械做功一定快”这句话完全正确。一台拖拉机功率100千瓦，另一台50千瓦，同样时间，100千瓦的拖拉机做的功更多，做功更快。

动能的大小：质量越大，速度越快

飞来的足球能砸疼人，是因为它有动能。动能跟两个因素有关：质量和速度。质量越大，速度越快，动能就越大。公式是：

\[E_k = \frac{1}{2} m v^2\]

注意速度是平方关系，所以速度对动能的影响更大。一辆卡车以30公里每小时的速度行驶，动能可能还不如一辆小轿车以80公里每小时的速度行驶。高速公路上超速危险，就是这个道理。

重力势能跟质量和高度有关：

\[E_p = m g h\]

质量越大，高度越高，重力势能越大。从十楼掉下一个花盆，哪怕只有一斤重，也能砸坏车顶。因为高度带来了巨大的势能。

弹性势能则跟形变有关。在弹性限度内，形变量越大，弹性势能越大。拉满的弓能把箭射得远，压缩的弹簧能弹飞小球，都是弹性势能转化为动能。

机械能守恒：只有动能和势能相互转化

机械能等于动能和势能的总和：

\[E = E_k + E_p\]

如果没有摩擦力和空气阻力，机械能是守恒的。过山车从最高点滑下，重力势能逐渐转化为动能，速度越来越快；到了最低点，动能最大，势能最小；再冲上另一个坡，动能又转化为势能。整个过程如果忽略摩擦，机械能总量不变。

但现实中总有阻力。比如降落伞匀速下降时，动能不变（匀速，速度不变），重力势能减少（高度降低），所以机械能减少。这话有些同学会搞错，以为匀速下落机械能就不变。实际上机械能减少了，减少的部分转化为空气的内能（摩擦生热）。所以跳到水里还要注意避开水流。

常见陷阱：杠杆不水平也能平衡，但天平一定要水平

很多同学做实验时，看到杠杆倾斜着静止了，就以为它不平衡。错！只要它静止不转动，就是平衡。但天平为什么非要调水平？因为天平的本质是等臂杠杆，只有当横梁水平时，左右两边的力臂才相等。如果倾斜，力臂就不相等了，称出来的质量就会有误差。

把以上知识串起来，你会发现物理很有趣。杠杆、滑轮、动能势能，都是日常生活中随处可见的现象。下次去游乐场坐海盗船，想想它的能量转化；回家帮妈妈抬重物，想想用滑轮省力的原理。考试时就不会再忘记了。