菜刀是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊环N工具，其用途相當(dāng)廣泛。人們?cè)谠O(shè)計(jì)、使用和維修等方面都涉及力學(xué)知道。

1 菜刀在設(shè)計(jì)上的力學(xué)原理。

1.1 設(shè)計(jì)時(shí)要考慮壓強(qiáng)問(wèn)題。

任何物體能夠承受的壓強(qiáng)都有一個(gè)限度，超過(guò)這個(gè)限度物體就會(huì)被壓壞或陷入其中。因此要使菜刀切入物體就必須使菜刀對(duì)物體的壓強(qiáng)大于物體表面所能承受的最大壓強(qiáng)。由公式P=F/S得：在用力較小的情況下，可以通過(guò)減小刀口與物體的接觸面積來(lái)增大菜刀對(duì)物體的壓強(qiáng)。從而在設(shè)計(jì)時(shí)要求刀口薄、刀刃鋒利。

1.2 設(shè)計(jì)時(shí)要考慮力的分解原理。

如右圖所示，設(shè)刀背寬為d、側(cè)面AO或BO長(zhǎng)為L(zhǎng)、刀口兩側(cè)面之間的夾角為α、當(dāng)用力向下壓菜刀時(shí)，菜刀給菜兩邊的側(cè)壓力為FN、其中F為兩個(gè)側(cè)壓力的合力，根據(jù)力的三角形ABO與幾何三角形OFFN相似原理有：

FFN=dL①

又因?yàn)閟ina2=d2L②

由①、②兩式得FN=F2sina2

即兩刀口之間的夾角越小，刀身越窄（即刀越溥），用較小的力就可以產(chǎn)生較大的側(cè)壓力，將植物的纖維壓斷，因而菜刀的刀刃越薄越好。

1.3 設(shè)計(jì)時(shí)要考慮摩擦問(wèn)題。

切菜時(shí)，當(dāng)?shù)侗徊说膬蓚?cè)擠壓時(shí)，刀的側(cè)面和菜的斷面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，于是菜刀受到斜向上摩擦力，這兩側(cè)的滑動(dòng)摩擦力將阻礙著刀的向下運(yùn)動(dòng)，因此，菜刀的側(cè)面越光滑，動(dòng)摩擦因素越小，采刀受到斜向上的滑動(dòng)摩擦力（阻力）越小，切菜越容易。

1.4 設(shè)計(jì)時(shí)要考慮菜刀的質(zhì)量和材料。

使用菜刀時(shí)，為了省力。因而要求菜刀的質(zhì)量小、重量輕。結(jié)合菜刀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、機(jī)械性能（為便于打造和維護(hù)，要求制成菜刀的材料具有良好的延展性和堅(jiān)韌性）以及密度和硬度等要求，通常選用金屬材料鐵（鋼）。

2 菜刀在使用上的力學(xué)原理。

根據(jù)菜的種類(lèi)和性質(zhì)，菜刀有不同的用法。歸納起來(lái)不外乎有四種用法：壓入式、沖擊式、拉動(dòng)式和轉(zhuǎn)動(dòng)式。從而涉及的力學(xué)知識(shí)就有所不同。

2.1 壓入式使用方式

如切蘿卜片和打豆腐塊等，使用時(shí)只要用不大的力直接將菜刀壓入即可。這是由于這類(lèi)物體表面所能承受的最大壓強(qiáng)較小的緣故。

2.2 沖擊式使用方式。

如肉類(lèi)有較好的彈性和韌性，排骨堅(jiān)硬，這類(lèi)物體表面所能承受的最大壓強(qiáng)較大且不怕壓壞，因而斬肉末時(shí)舉刀略高，砍排骨時(shí)舉刀更高，目的是讓刀在接觸物體時(shí)具有較大的初速度，從而使菜刀具有了較大的初動(dòng)量，斬或砍后菜刀的末動(dòng)量為零，因而動(dòng)量的變化量較大，由于斬或砍時(shí)作用時(shí)間較短，由動(dòng)量定理可知：物體對(duì)菜刀的平均作用力較大，根據(jù)牛頓第三定律得：菜刀對(duì)物體的平均作用力也較大，從而使菜刀對(duì)物體的壓強(qiáng)大于物體表面所能承受的最大壓強(qiáng)，因此能斬爛或砍斷。這種方式，能夠用較小的力通過(guò)打擊獲得較大的作用力（沖力），達(dá)到省力的目的。

2.3 拉動(dòng)式使用方式。

如剖魚(yú)等，使用時(shí)不是直接用較大的力采用壓的方式，而是用較小的力將菜刀在魚(yú)肚上來(lái)回拉動(dòng)。原因是看起來(lái)很鋒利且平滑的刀口其實(shí)卻凹凸不平，實(shí)質(zhì)上是一根微小的鋸條，拉動(dòng)的目的在于讓鋸條似的刀鋒割斷魚(yú)肚上的上皮組織、結(jié)締組織和肌纖維等，從而將魚(yú)剖開(kāi)。況且魚(yú)肚有很好的彈性和韌性，能承受的最大壓強(qiáng)較大但怕壓壞，如用較大的力采用壓的方式，就會(huì)將魚(yú)肚內(nèi)的許多不需要（或有害）的東西（如苦膽等）弄爛。這種方式，能夠用較小的力通過(guò)拉動(dòng)方式使刀做來(lái)回切割運(yùn)動(dòng)，達(dá)到目的。

2.4 轉(zhuǎn)動(dòng)式使用方式。

如撬南瓜蒂等，使用時(shí)將刀尖插入南瓜蒂邊緣，用手板動(dòng)刀柄使刀轉(zhuǎn)動(dòng)而將南瓜蒂撬掉。這里菜刀實(shí)質(zhì)上起了杠桿（省力杠桿）的作用，由于動(dòng)力臂大于阻力臂而使動(dòng)力小于阻力，即用較小的動(dòng)力就可以克服較大的阻力，達(dá)到省力的目的。事實(shí)上，刀把越長(zhǎng)，相當(dāng)于動(dòng)力臂越大，在同樣阻力的情況下動(dòng)力就越小，越省力。

3 菜刀在維修上的力學(xué)原理。

菜刀用久后，將變得較鈍，實(shí)質(zhì)是刀口變厚而與物體的接觸面積變大，在同樣用力的情況下造成刀對(duì)物體的壓強(qiáng)變小，超不過(guò)物體表面所能承受的最大壓強(qiáng)而不能使刀切入。同時(shí)刀口變厚，也使刀口兩側(cè)面之間的夾角α變大，切菜時(shí)菜刀給兩邊的側(cè)壓力變小，也不易將物體的纖維壓斷；況且刀刃變厚后，相當(dāng)于多根鋸條重疊在一起，即使不斷拉動(dòng)菜刀，也難以將物體切開(kāi)。

磨刀的目的是為了讓刀口變薄，既減小刀口的接觸面積從而增大刀口對(duì)物體的壓強(qiáng)，又減小了兩側(cè)面之間的夾角，而增大菜刀對(duì)菜兩邊的側(cè)壓力，同時(shí)也是為了把多余的重疊的鋸條磨掉，以便在拉動(dòng)菜刀時(shí)能夠快捷地割開(kāi)物體。

總之，菜刀上涉及的力學(xué)問(wèn)題很多。人們?nèi)粘Ｉ钪猩婕暗牧W(xué)問(wèn)題乃至物理問(wèn)題更多。因此我們?cè)趯W(xué)習(xí)物理時(shí)既要重視理論知識(shí)，又要重視聯(lián)系生活，將書(shū)本知識(shí)應(yīng)用于日常生活中。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。