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滑輪
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滑輪是用來提升重物并能省力的簡單機械,關于滑輪的繪品最早出現于一幅西元前八世紀的亞述浮雕,這浮雕展示的是一種非常簡單的滑輪,只能改變施力方向,主要目的是為了方便施力,并不會給出任何機械利益。在中國,滑輪裝置的繪制最早出現于漢代的畫像磚、陶井模。現代生活中應用到滑輪的地方有很多,升旗桿的頂部,大廈的電梯中都裝有滑輪。
詳(xiang)細(xi)介紹 PROFILE +

簡介

在力學里,典型的(de)(de)(de)滑(hua)(hua)輪(lun)(pulley)是(shi)可(ke)以繞(rao)(rao)著(zhu)中心軸(zhou)旋(xuan)轉的(de)(de)(de)圓輪(lun)。在圓輪(lun)的(de)(de)(de)圓周面(mian)具有凹槽(cao),將繩(sheng)(sheng)索纏繞(rao)(rao)于(yu)凹槽(cao),用力牽拉繩(sheng)(sheng)索兩端的(de)(de)(de)任一端,則繩(sheng)(sheng)索與(yu)圓輪(lun)之間(jian)的(de)(de)(de)摩擦力會促使圓輪(lun)繞(rao)(rao)著(zhu)中心軸(zhou)旋(xuan)轉。滑(hua)(hua)輪(lun)實際(ji)上是(shi)變(bian)形的(de)(de)(de)、能(neng)轉動(dong)的(de)(de)(de)杠桿。滑(hua)(hua)輪(lun)主要的(de)(de)(de)功能(neng)是(shi)牽拉負載、改(gai)變(bian)施力方向(xiang)、傳(chuan)輸功率等(deng)等(deng)。多個滑(hua)(hua)輪(lun)共同組成(cheng)的(de)(de)(de)機械稱為(wei)“滑(hua)(hua)輪(lun)組”,或“復式(shi)滑(hua)(hua)輪(lun)”。滑(hua)(hua)輪(lun)組的(de)(de)(de)機械利(li)益較(jiao)大,可(ke)以牽拉較(jiao)重的(de)(de)(de)負載。滑(hua)(hua)輪(lun)也可(ke)以成(cheng)為(wei)鏈(lian)傳(chuan)動(dong)或帶傳(chuan)動(dong)的(de)(de)(de)組件,將功率從一個旋(xuan)轉軸(zhou)傳(chuan)輸到另一個旋(xuan)轉軸(zhou)。

按滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)中心軸的位置是否(fou)移動(dong),可將(jiang)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)分為(wei)“定(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)”、“動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)”;定(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)的中心軸固(gu)定(ding)不動(dong),動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)的中心軸可以移動(dong),各(ge)有各(ge)的優(you)勢和劣勢。而將(jiang)定(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)和動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)組裝在(zai)一起可構成滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)組,滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)組不但省力而且還可以改變力的方向(xiang)。

滑輪在初(chu)中物(wu)理教材中以知識點的(de)形式出現,要求對力的(de)方(fang)向、繩端移動距離、做功情況等問(wen)題作出解答。

基本信息

分類、數目

定滑(hua)輪(lun)、動(dong)滑(hua)輪(lun)、滑(hua)輪(lun)組(zu)(或分(fen)為單滑(hua)輪(lun)、雙滑(hua)輪(lun)、三滑(hua)輪(lun)、四滑(hua)輪(lun)以至多輪(lun)等多種(zhong))。

材質

木滑輪(lun)、鋼滑輪(lun)和工(gong)程塑料滑輪(lun),可根據實際(ji)使(shi)用要求有各(ge)種材(cai)質。

作用

牽拉負載、改(gai)變(bian)施力(li)方向、傳輸(shu)功率等。

連接方法

吊鉤式、鏈(lian)環(huan)式、輪材(cai)式、吊環(huan)式和吊鏈(lian)式,斜拉式等(deng)。

尺寸和材料

承受載荷不大的小(xiao)尺寸滑(hua)輪(lun)(D<350mm)一般制成(cheng)實體的滑(hua)輪(lun),采用15、Q235或(huo)鑄鐵(如HT200)。

受大載荷的(de)滑輪一(yi)般采用(yong)球鐵或鑄鋼(如ZG270-500),鑄成帶筋(jin)和孔(kong)或帶輪輻的(de)結構(gou)

大(da)型(xing)滑輪(D>800mm)一般用型(xing)鋼和鋼板焊接結構(gou)。

歷史

關于滑輪的繪品最早出現于一幅西元前八世紀的亞述浮雕。這浮雕展示的是一種非常簡單的滑輪,只能改變施力方向,主要目的是為了方便施力,并不會給出任何機械利益。在中國,滑輪裝置的(de)繪制最早出現于漢代的(de)畫像磚(zhuan)、陶井模。在《墨經》里也有記(ji)載關于滑輪的(de)論述。

古希(xi)臘人將滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)歸類為簡單機械。早(zao)在(zai)西元(yuan)前400年(nian),古希(xi)臘人就已(yi)經知(zhi)道如何使用復(fu)式(shi)(shi)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)了。大約在(zai)西元(yuan)前330年(nian),亞里(li)士多德(de)在(zai)著作《機械問(wen)題(ti)》(《Mechanical Problems》)里(li)的(de)(de)第十八個問(wen)題(ti),專門研討“復(fu)式(shi)(shi)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)”系統阿(a)基米(mi)德(de)貢(gong)獻出很(hen)多關于簡單機械的(de)(de)知(zhi)識,詳細地解釋滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)運動(dong)學(xue)理論(lun)。據說阿(a)基米(mi)德(de)曾經獨自使用復(fu)式(shi)(shi)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)拉(la)動(dong)一艘裝滿了貨物與(yu)乘客的(de)(de)大海船(chuan),西元(yuan)一世紀,亞歷山卓的(de)(de)希(xi)羅(luo)分(fen)析(xi)并(bing)且(qie)寫出關于復(fu)式(shi)(shi)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)理論(lun),證明(ming)了負(fu)載與(yu)施力的(de)(de)比例等于承擔(dan)負(fu)載的(de)(de)繩索段的(de)(de)數目,即“滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)原理”。

1608年,在(zai)著(zhu)作《數學紀要》(《Mathematical Collection》)里(li),荷(he)蘭物理學者西蒙(meng)·斯特芬(fen)表明(ming),滑輪系統的(de)(de)施力與負載之間移動路徑的(de)(de)長度比率(lv),等于(yu)施力與負載之間的(de)(de)反比率(lv)。這是雛型的(de)(de)虛功原理。

1788年,法國物理學(xue)者約瑟夫·拉(la)格朗日(ri)在巨著(zhu)《分析力學(xue)》(《Mécanique analytique》)里,使用(yong)滑輪原理推導出(chu)虛功原理,從(cong)而揭起了拉(la)格朗日(ri)力學(xue)的序幕(mu)。

定滑輪

定義

使用(yong)滑輪(lun)時(shi),軸(zhou)的(de)位置固定不動的(de)滑輪(lun)稱之為(wei)定滑輪(lun)。

原理

使用(yong)時,滑輪(lun)的(de)位置(zhi)固定不(bu)(bu)(bu)變;定滑輪(lun)實(shi)質是(shi)(shi)等(deng)臂杠(gang)桿(gan)(gan),不(bu)(bu)(bu)省力(li)也不(bu)(bu)(bu)費(fei)力(li),但可以(yi)改變作用(yong)力(li)方向.杠(gang)桿(gan)(gan)的(de)動力(li)臂和阻力(li)臂分(fen)別是(shi)(shi)滑輪(lun)的(de)半徑(jing),由于(yu)半徑(jing)相(xiang)等(deng),所以(yi)動力(li)臂等(deng)于(yu)阻力(li)臂,杠(gang)桿(gan)(gan)既不(bu)(bu)(bu)省力(li)也不(bu)(bu)(bu)費(fei)力(li)。利用(yong)杠(gang)桿(gan)(gan)原理(li),用(yong)公式推(tui)導就是(shi)(shi)(F是(shi)(shi)拉力(li),G是(shi)(shi)物體的(de)重力(li),L1L2在圖中有):

特點

定(ding)滑輪不(bu)能省力,而且在(zai)繩(sheng)重及繩(sheng)與輪之(zhi)間的(de)(de)摩擦不(bu)計的(de)(de)情況下,細繩(sheng)的(de)(de)受力方向(xiang)無(wu)論向(xiang)何處,吊起(qi)重物所用的(de)(de)力都相(xiang)等,因為動力臂和阻力臂都相(xiang)等且等于滑輪的(de)(de)半徑。

動滑輪

定義

定義1:使用滑輪(lun)時,軸的(de)位置隨被拉物體一起運動的(de)滑輪(lun)稱(cheng)為(wei)動滑輪(lun)。

定義(yi)2:若將重物直接掛在(zai)滑輪(lun)(lun)上(shang),在(zai)提升(sheng)(sheng)重物時滑輪(lun)(lun)也(ye)一起上(shang)升(sheng)(sheng),這樣(yang)的滑輪(lun)(lun)叫動滑輪(lun)(lun).

原理

動滑輪(lun)省(sheng)1/2力(li)多(duo)費(fei)1倍(bei)距(ju)離,這是因為使(shi)用動滑輪(lun)時,鉤(gou)碼由兩段繩子吊著,每段繩子只承擔鉤(gou)碼重的(de)(de)一半,而且不(bu)(bu)能改變(bian)力(li)的(de)(de)方向。實質是個動力(li)臂(L1)為阻力(li)臂(L2)二倍(bei)的(de)(de)杠桿(gan):圖(tu)中,O是支點,F1是提升物(wu)體的(de)(de)動力(li),F2是物(wu)體的(de)(de)重力(li)(也可理解為不(bu)(bu)用機械時提升物(wu)體用的(de)(de)力(li)),我們有(l1是動力(li)臂,l2是阻力(li)臂):

根據(ju)任何機(ji)械(xie)都不省功(gong)的(de)原理,我們有(s1是(shi)繩子自由端移(yi)動的(de)距(ju)(ju)離,s2是(shi)物(wu)體移(yi)動的(de)距(ju)(ju)離,也可理解為(wei)不用機(ji)械(xie)時物(wu)體提升的(de)距(ju)(ju)離):

注意

動滑輪(lun)省1/2力(li)(li)多費1倍(bei)距離,而且僅限于豎直(zhi)向(xiang)上用力(li)(li)時,用力(li)(li)傾(qing)斜的角度(du)越大,用的力(li)(li)越多。而且使用動滑輪(lun)時滑輪(lun)的重量對用的力(li)(li)也(ye)有影響。不(bu)忽略滑輪(lun)重力(li)(li)且豎直(zhi)向(xiang)上用力(li)(li)時,我們有:F=(G輪(lun)+G物)/2

滑輪組

定義

滑(hua)輪組(zu):由定滑(hua)輪和動滑(hua)輪組(zu)成的(de)滑(hua)輪裝置。既(ji)省力(li)又可改變力(li)的(de)方向.

但(dan)不可(ke)以(yi)(yi)省(sheng)功,因(yin)為滑輪(lun)(lun)(lun)(lun)組省(sheng)了(le)力,但(dan)費了(le)距(ju)離。為了(le)既節省(sheng)又能改變動力的方向,可(ke)以(yi)(yi)把(ba)定滑輪(lun)(lun)(lun)(lun)和動滑輪(lun)(lun)(lun)(lun)組合成滑輪(lun)(lun)(lun)(lun)組。

繞繩方法

滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)組是由若干個定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)和動(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)匹配而(er)成,可以達到既(ji)省(sheng)力(li)又改(gai)變(bian)力(li)作(zuo)用(yong)方向(xiang)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)。使用(yong)中,省(sheng)力(li)多(duo)(duo)少(shao)和繩(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)繞(rao)法,決定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)于滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)組的(de)(de)(de)使用(yong)效(xiao)果。繞(rao)繩(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)原則是:當(dang)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)和動(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)數(shu)(shu)量相等時(shi)(shi),繩(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)自由端(duan)(duan)可以從(cong)動(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)出(chu)來,也可以從(cong)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)出(chu)來,而(er)且從(cong)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)出(chu)來時(shi)(shi),繩(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)端(duan)(duan)掛(gua)在(zai)(zai)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)上(shang);從(cong)動(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)出(chu)來時(shi)(shi),繩(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)端(duan)(duan)掛(gua)在(zai)(zai)動(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)上(shang)。定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)和動(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)數(shu)(shu)量差不(bu)會(hui)超過1。他(ta)們數(shu)(shu)量不(bu)相等時(shi)(shi),繩(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)自由端(duan)(duan)從(cong)多(duo)(duo)的(de)(de)(de)那一邊(bian)(bian)出(chu)來,繩(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)端(duan)(duan)掛(gua)在(zai)(zai)少(shao)的(de)(de)(de)那一邊(bian)(bian)。動(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)一定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)時(shi)(shi),當(dang)繩(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)端(duan)(duan)掛(gua)在(zai)(zai)動(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)上(shang)時(shi)(shi),滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)組要比繩(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)端(duan)(duan)掛(gua)在(zai)(zai)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)時(shi)(shi)省(sheng)力(li)(因為(wei)有更(geng)多(duo)(duo)段繩(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)子(zi)(zi)承(cheng)擔(dan)物重)。

設n為承受物重的(de)(de)繩(sheng)子(zi)段數(shu)(shu)(如(ru)上面左邊(bian)(bian)的(de)(de)滑(hua)(hua)輪組(zu)n=5,右邊(bian)(bian)n=4),則n段繩(sheng)子(zi)能配(pei)n或n-1個滑(hua)(hua)輪,配(pei)n個輪子(zi)時,動滑(hua)(hua)輪和定滑(hua)(hua)輪數(shu)(shu)量相(xiang)等(deng),且(qie)繩(sheng)子(zi)固定端在(zai)定滑(hua)(hua)輪上;配(pei)n-1個滑(hua)(hua)輪時,n為奇數(shu)(shu),且(qie)繩(sheng)子(zi)固定端在(zai)動滑(hua)(hua)輪。

使(shi)用(yong)滑輪(lun)組時(shi),重物有幾(ji)條(tiao)繩索承受(shou),提起物體所用(yong)的力就是物重的幾(ji)分之一。

特點

滑(hua)(hua)輪組(zu)用幾(ji)段(duan)繩子(zi)吊著物(wu)(wu)體(ti)(ti),提起物(wu)(wu)體(ti)(ti)所用的(de)(de)(de)力(li)(li)就是總(zong)重的(de)(de)(de)幾(ji)分之一.繩子(zi)的(de)(de)(de)自由端繞(rao)過動(dong)(dong)滑(hua)(hua)輪的(de)(de)(de)算一段(duan),而繞(rao)過定(ding)滑(hua)(hua)輪的(de)(de)(de)就不算了。使用滑(hua)(hua)輪組(zu)雖然(ran)省(sheng)了力(li)(li),但費了距(ju)(ju)離(li),動(dong)(dong)力(li)(li)移(yi)動(dong)(dong)的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)大(da)于(yu)重物(wu)(wu)移(yi)動(dong)(dong)的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li).費距(ju)(ju)離(li)的(de)(de)(de)多少主要看(kan)定(ding)滑(hua)(hua)輪的(de)(de)(de)饒繩子(zi)的(de)(de)(de)段(duan)數,用滑(hua)(hua)輪組(zu)做實驗,很容易看(kan)出,使用滑(hua)(hua)輪組(zu)雖然(ran)省(sheng)了力(li)(li),但是費了距(ju)(ju)離(li)——動(dong)(dong)力(li)(li)移(yi)動(dong)(dong)的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)大(da)于(yu)貨物(wu)(wu)升高的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)。

關系

幾個(ge)關系(滑(hua)輪組豎直放置時(shi),不算摩擦(ca)):

其中 s是(shi)(shi)(shi)繩(sheng)端(duan)移動的(de)距離,h是(shi)(shi)(shi)物(wu)(wu)體上(shang)升的(de)高度,G1:物(wu)(wu)體重力(li)(li)。G2:動滑(hua)輪(lun)(lun)的(de)重力(li)(li)(注意,是(shi)(shi)(shi)動滑(hua)輪(lun)(lun)的(de)重力(li)(li),不是(shi)(shi)(shi)全部滑(hua)輪(lun)(lun)的(de)重力(li)(li))F:繩(sheng)端(duan)所施(shi)加的(de)力(li)(li) n:拉重物(wu)(wu)的(de)繩(sheng)子的(de)段數。

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