别嘴硬，你还真离不开这六个工具！

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今天我们将送出三本由图灵新知提供的优质科普书籍《隐匿的宇宙：用基本粒子揭开宇宙之谜》。

本书为著名基本粒子物理学家村山齐教授关于“宇宙是什么”的畅销科普读物。书中以回答“宇宙由什么组成”以及“我们为什么存在”这两个人类最为原始、朴素的疑问为线索，通过结合最新的基本粒子物理和天体物理研究，用风趣幽默的语言和比喻，从全新的视角讲述了“宇宙的本原结构”和“自然的本原法则”，清晰描绘出了当前人类研究体系下的宇宙整体图景，并讲解了宇宙中“暗物质”“暗能量”等神秘组成部分，是了解自然和宇宙黑暗秘密的科普佳作。

如何才能得到这本《隐匿的宇宙：用基本粒子揭开宇宙之谜》呢？参与的方式非常简单！只要你认真阅读下面的这篇文章，思考文末提出的问题，严格按照［互动：你的答案］的格式在评论区留言，就有机会获得奖品！（PS：格式不符合要求者无效）截止到本周四中午12点，点赞数前三名的朋友将获得一本《隐匿的宇宙：用基本粒子揭开宇宙之谜》。

【互动问答示例】

互动：这里就可以自由发挥你的答案啦~

作者：Jim Lucas

翻译：山寺小沙弥

审校：Alex Yuan

纵观历史，聪明的人类已经发明了许许多多的工具，使得我们在许多工作上能变得更加轻松。

其中最著名的就是“六大简单机械”：轮轴，杠杆，斜面，滑轮，螺旋还有楔子，尽管后三者是前三者的扩展、组合，但这并不妨碍它们“六大简单机械”的其中三个。

因为功定义为力对位移的积累的物理量，所以根据杰斐逊实验室的说法，机械通过完成以下一项或者多项就可以使做功变得更加轻松：

1. 将力由某个地方转移到另一个地方

2. 改变力的方向

3. 增大力的量级

4. 增加力作用于物体的距离或者使物体的运动速度变快

简单机械拥有很少甚至可能没有可以移动的零部件。根据科罗拉多大学博尔德分校的数据，当今许多复杂的工具只是这六种简单机械的组合或者在此基础上的一些复杂设计。例如，用一根长手柄和一个主轴可以构成锚机的主体部分；使用滑轮和斜面将重物拉上斜坡。尽管这些机器看起来很简单，但它们正是有了这些机械，使得我们能完成很多人类根本完成不了的事。

轮轴

车轮是世界历史上最重要的发明之一。Natalie Wolchover曾写道：在公元前3500年车轮被发明之前，由于条件限制，人们能运送货物量的能力有限，运送距离也非常有限。轮式推车运输货物可以实现货物较快地往返市场，从而减轻了人们远距离跋涉的负担，促进了农业和商业的发展。

当物体在表面上移动时，轮子大大减少了摩擦。 “如果你把你的文件柜放在一个带有轮子的小推车上，你只需要很小的力，就可以让它较快地移动。”来自田纳西大学的Charlie Samuels说道。

Charlie Samuels在他的著作《古代科学：公元前500年》中写到：“在世界上的某些地区，重物如岩石和船只等重物只能使用原木滚筒移动。当物体向前移动时，辊子被从后面移走，并在前面替换。”这是车轮发展的第一步。

不过更加伟大的发明是在车轴上安装一个车轮。车轮可以连接到由轴承支撑的轴上，或者可以绕轴自由转动。这直接导致了车、马车和战车的出现。根据Charlie Samuels的说法，考古学家利用在轴上旋转的轮子作为一个相对先进的文明的指标，根据现有的证据，轮轴最早出现在公元前3200年左右，由苏美尔人发明，中国最早的轮轴可以追溯到公元前2800年。

力量放大器

根据威利出版社的《科学探索》，除了减少摩擦力之外，车轮和车轴也可以作为力量放大器。将一根长手柄连接到轴上也能实现相同的效果。

其他五种机械可以帮助人类增加或者改变作用在物体上的力。Janet L. Kolodner和她的合作者在他们的书《搬动大物体》中写到：“机器通过独特的机械优势来帮助人们移动物体。机械优势就是合理的选取力和距离。”在下文中，关于将力放大的简单机械中，我们不考虑摩擦力的效应，因为在大多数情况下，与原始的力和经过简单机械作用后产生的力相比，摩擦力非常小。

当力作用于物体并在沿力的方向上产生一定的距离后，就有功产生。用数学公式表示就是：W=F*D（其中F是沿运动方向的分量）。例如，要举起重物，我们就必须克服重力做功，并将物体举起来。如果要举起两倍质量的重物，并使其升高的距离一样，此时就需要两倍的功。正如数学计算那样，机器的主要优点是它们允许我们通过在更大的距离上施加较小的力量来完成相同的工作量。

杆杠

“给我一个支点，我就能撬动地球。”这句夸张的名句来自阿基米德，他是公元三世纪的希腊哲学家、数学家和发明家。虽然这句话可能有些夸张，但是它形象地用能撬动地球的比喻来体现了杠杆的力量。

阿基米德的天才之处在于他认识到，使用杠杆可以在力量和距离之间做出权衡从而完成相同的功。根据纽约大学的Chris Rorres撰写的虚拟电子书《21世纪的阿基米德》里所言，他的“杠杆原理”指出，“力与距离之间是反比关系”。

杠杆由一根长轴和一个支点或枢轴组成。杠杆的机械优势取决于支点两侧轴的长度比例。

斜面

斜面其实就是一个平坦的表面，但这个表面与地平面之间存在着一定的角度，就像一个斜坡一样。俄亥俄州立大学工程与技术学院机械工程系教授Bob Williams说道：“斜面是一种举起重物的巧妙方法，借助斜面我们可以举起一些不能竖直举起的重物。角度（倾斜平面与地面的角度）的大小决定了你需要用多少力来提升重物。”例如，如果我们要将100磅重的物体提升2英尺，如果我们使用4英尺长的斜面，我们所需的力将减少一半，只是移动的距离将翻倍；如果我们使用8英尺长的斜面，此时需要的力将减少到四分之一。

滑轮

举起100磅的重物我们也可以使用滑轮，我们可以在横梁上设计一个滑轮，用绳子穿过滑轮，并与重物绑在一起，此时我们改变的是力的方向，不改变力的大小——我们可以向下拉绳子而不是艰难的向上用力举重物。如果我们使用两个滑轮，一个安装在横梁上，一个与重物连接，也就是说，将绳子的一端穿过上面的滑轮与重物连接，再穿过一个滑轮，此时我们向上用力将变得比较轻松，只是原来的一半，而移动的距离将翻倍。我们再一次地做到了“省力费距离”。

如果我们想更加省力（这意味着更加“费距离”），我们可以使用滑轮组。滑轮组可以有效的减少提升重物所需的力，当然这是建立在牺牲距离的基础上。

虽然滑轮很简单，但是在最先进、最新的机器上仍能看到它的身影。例如，在某些能打印家具般大小物品的3D打印机上，采用了一套由电线和电脑控制的滑轮系统，分别固定在墙壁、地板和天花板上。

螺旋

根据HyperPhysics在佐治亚州立大学网站的说法：“螺旋实际上是一个长的倾斜平面包裹在一个轴上，因此它的机械优势是以斜面的方式进行嵌入。” 许多设备使用螺丝来施加力量，一般情况下，你想要施加于物体的力量，是远大于你拧动螺丝的力量的，像汽车车轮上的台虎钳和挂耳螺母，它们不仅获得了螺丝本身的机械优势，而且在很多情况下还得益于使用长柄的杠杆作用来转动螺丝。

楔子

楔子是一种简单机械工具，由两个斜面组成，用来将物件分开。原理主要是将楔子向下的力量转化成对物件水平的力量。短小而阔角度的楔子能较快分开物件，常见使用楔子的工具包括斧头及钉子等。例如，我们想切割一根木头，我们可以先放一个楔子在木头上，然后用一把锤子敲击它，这时候力的方向会发生改变：纵向的力量变成横向的力量，这样木头就比较容易断开。另一个例子是一个门挡，用来将推动门边缘下方的力量向下传递，此时就会有摩擦力产生，从而阻止门在地板上滑动。

原文链接：

https://www.livescience.com/49106-simple-machines.html

互动问题

【互动问题：抛开技术问题，你最想发明什么工具，实现什么功能？】

请大家严格按照互动：问题答案的格式在评论区留言参与互动，格式不符合要求者无效。

截止到本周四中午12点，点赞数前三名的朋友将获得我们送出的图书一本。

特别说明：由于快递原因，本期的书籍年后才会寄出，获奖的粉丝要耐心等待哦~

编辑：山寺小沙弥

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