在力學里,典型(xing)的滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(pulley)是(shi)可以(yi)(yi)繞(rao)著(zhu)中(zhong)心(xin)軸旋轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)的圓(yuan)輪(lun)(lun)(lun)(lun)。在圓(yuan)輪(lun)(lun)(lun)(lun)的圓(yuan)周面(mian)具(ju)有凹槽,將(jiang)繩索纏(chan)繞(rao)于凹槽,用力牽(qian)拉繩索兩端的任(ren)一(yi)端,則繩索與圓(yuan)輪(lun)(lun)(lun)(lun)之間的摩擦(ca)力會促使(shi)圓(yuan)輪(lun)(lun)(lun)(lun)繞(rao)著(zhu)中(zhong)心(xin)軸旋轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)。滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)實(shi)際上是(shi)變(bian)形的、能轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)的杠桿。滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)主(zhu)要的功能是(shi)牽(qian)拉負載、改變(bian)施力方向、傳輸(shu)功率(lv)等等。多(duo)個(ge)(ge)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)共同組(zu)成(cheng)的機(ji)械(xie)稱為(wei)“滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)組(zu)”,或“復式滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)”。滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)組(zu)的機(ji)械(xie)利益較大,可以(yi)(yi)牽(qian)拉較重的負載。滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)也可以(yi)(yi)成(cheng)為(wei)鏈傳動(dong)或帶傳動(dong)的組(zu)件,將(jiang)功率(lv)從一(yi)個(ge)(ge)旋轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)軸傳輸(shu)到另(ling)一(yi)個(ge)(ge)旋轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)軸。
按滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)中(zhong)心軸(zhou)的(de)位置(zhi)是否移(yi)動(dong)(dong)(dong),可(ke)將滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)分為“定(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)”、“動(dong)(dong)(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)”;定(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)的(de)中(zhong)心軸(zhou)固(gu)定(ding)不(bu)動(dong)(dong)(dong),動(dong)(dong)(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)的(de)中(zhong)心軸(zhou)可(ke)以(yi)移(yi)動(dong)(dong)(dong),各(ge)(ge)有各(ge)(ge)的(de)優勢和(he)劣勢。而(er)將定(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)和(he)動(dong)(dong)(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)組裝在(zai)一起可(ke)構成滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)組,滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)組不(bu)但省(sheng)力(li)(li)而(er)且還可(ke)以(yi)改變力(li)(li)的(de)方向(xiang)。
滑輪在初中(zhong)物理教(jiao)材中(zhong)以(yi)知識點(dian)的(de)形式出現(xian),要(yao)求對力的(de)方(fang)向(xiang)、繩端移(yi)動距離、做功情況(kuang)等問題作出解(jie)答。
定滑(hua)輪(lun)(lun)、動滑(hua)輪(lun)(lun)、滑(hua)輪(lun)(lun)組(或分為(wei)單滑(hua)輪(lun)(lun)、雙滑(hua)輪(lun)(lun)、三滑(hua)輪(lun)(lun)、四滑(hua)輪(lun)(lun)以至多(duo)輪(lun)(lun)等(deng)多(duo)種(zhong))。
木滑(hua)輪(lun)、鋼滑(hua)輪(lun)和工程塑料滑(hua)輪(lun),可根據實際使用要求有各種材質(zhi)。
牽(qian)拉(la)負載(zai)、改變(bian)施力方向、傳(chuan)輸(shu)功率等。
吊鉤式(shi)(shi)、鏈環(huan)式(shi)(shi)、輪(lun)材式(shi)(shi)、吊環(huan)式(shi)(shi)和吊鏈式(shi)(shi),斜拉式(shi)(shi)等。
承受(shou)載荷不(bu)大的小尺寸滑(hua)輪(lun)(D<350mm)一般制成實體(ti)的滑(hua)輪(lun),采用15、Q235或鑄鐵(如(ru)HT200)。
受(shou)大(da)載(zai)荷的滑輪(lun)(lun)一般采用球鐵或(huo)鑄(zhu)鋼(如ZG270-500),鑄(zhu)成帶(dai)筋(jin)和(he)孔或(huo)帶(dai)輪(lun)(lun)輻的結(jie)構
大型滑輪(D>800mm)一般用(yong)型鋼和(he)鋼板焊接結構。
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(jing)模。在(zai)《墨(mo)經(jing)》里(li)也有記載關于滑(hua)輪的(de)論述。
古希臘人(ren)將(jiang)滑輪歸類為簡單(dan)機(ji)械(xie)(xie)。早在(zai)西(xi)元(yuan)前(qian)400年,古希臘人(ren)就已經知道如何使用復(fu)(fu)式(shi)滑輪了(le)。大約(yue)在(zai)西(xi)元(yuan)前(qian)330年,亞里(li)士多德(de)在(zai)著作《機(ji)械(xie)(xie)問題》(《Mechanical Problems》)里(li)的(de)第十八(ba)個問題,專門研(yan)討“復(fu)(fu)式(shi)滑輪”系(xi)統阿(a)基米德(de)貢獻出很多關于(yu)簡單(dan)機(ji)械(xie)(xie)的(de)知識,詳細地解釋滑輪的(de)運動學理(li)(li)(li)論。據說阿(a)基米德(de)曾經獨自使用復(fu)(fu)式(shi)滑輪拉(la)動一艘(sou)裝(zhuang)滿了(le)貨(huo)物與(yu)乘客的(de)大海船(chuan),西(xi)元(yuan)一世紀,亞歷山卓的(de)希羅分析并且寫出關于(yu)復(fu)(fu)式(shi)滑輪的(de)理(li)(li)(li)論,證明了(le)負載(zai)與(yu)施力的(de)比例等于(yu)承擔負載(zai)的(de)繩索段(duan)的(de)數目,即“滑輪原(yuan)理(li)(li)(li)”。
1608年(nian),在著作《數學紀要》(《Mathematical Collection》)里(li),荷蘭物理學者西蒙·斯(si)特(te)芬表明,滑輪(lun)系統的(de)施力與負載之間移(yi)動路徑的(de)長度比率(lv),等于施力與負載之間的(de)反比率(lv)。這是雛型的(de)虛(xu)功(gong)原理。
1788年,法國(guo)物理(li)(li)學(xue)者約(yue)瑟夫·拉格(ge)朗日在巨(ju)著《分析(xi)力學(xue)》(《Mécanique analytique》)里,使用滑輪原(yuan)理(li)(li)推(tui)導(dao)出虛功原(yuan)理(li)(li),從(cong)而揭起了拉格(ge)朗日力學(xue)的序(xu)幕(mu)。
使用滑輪(lun)(lun)時,軸的(de)位置固(gu)定不動(dong)的(de)滑輪(lun)(lun)稱之為定滑輪(lun)(lun)。
使用(yong)時(shi),滑輪(lun)的(de)位置固定不(bu)(bu)變(bian)(bian);定滑輪(lun)實質是等臂(bei)杠桿(gan),不(bu)(bu)省力(li)(li)也不(bu)(bu)費(fei)力(li)(li),但(dan)可以改變(bian)(bian)作用(yong)力(li)(li)方向.杠桿(gan)的(de)動力(li)(li)臂(bei)和阻力(li)(li)臂(bei)分別是滑輪(lun)的(de)半(ban)徑,由于半(ban)徑相等,所以動力(li)(li)臂(bei)等于阻力(li)(li)臂(bei),杠桿(gan)既不(bu)(bu)省力(li)(li)也不(bu)(bu)費(fei)力(li)(li)。利用(yong)杠桿(gan)原(yuan)理,用(yong)公式推導就(jiu)是(F是拉力(li)(li),G是物體的(de)重力(li)(li),L1L2在(zai)圖中有(you)):
定滑輪不(bu)能省力,而且在繩重及繩與輪之間(jian)的(de)(de)摩擦不(bu)計的(de)(de)情況下,細繩的(de)(de)受(shou)力方向無論向何(he)處,吊起重物所用的(de)(de)力都相等,因為動力臂和阻(zu)力臂都相等且等于滑輪的(de)(de)半(ban)徑。
定義1:使用滑(hua)(hua)輪時,軸(zhou)的位置隨(sui)被拉物體(ti)一起(qi)運動的滑(hua)(hua)輪稱為動滑(hua)(hua)輪。
定(ding)義2:若將(jiang)重物直(zhi)接掛在(zai)滑(hua)(hua)輪(lun)上,在(zai)提升(sheng)重物時(shi)滑(hua)(hua)輪(lun)也(ye)一(yi)起上升(sheng),這樣的(de)滑(hua)(hua)輪(lun)叫(jiao)動滑(hua)(hua)輪(lun).
動(dong)(dong)滑(hua)輪省1/2力(li)(li)多(duo)費1倍距離,這是(shi)(shi)因為(wei)使(shi)用(yong)動(dong)(dong)滑(hua)輪時(shi),鉤(gou)碼由兩段繩子吊著,每段繩子只(zhi)承擔(dan)鉤(gou)碼重的一半,而且不(bu)能改變力(li)(li)的方(fang)向。實質是(shi)(shi)個動(dong)(dong)力(li)(li)臂(bei)(bei)(L1)為(wei)阻力(li)(li)臂(bei)(bei)(L2)二倍的杠桿:圖中,O是(shi)(shi)支點(dian),F1是(shi)(shi)提升物體(ti)的動(dong)(dong)力(li)(li),F2是(shi)(shi)物體(ti)的重力(li)(li)(也可理(li)解為(wei)不(bu)用(yong)機械時(shi)提升物體(ti)用(yong)的力(li)(li)),我們有(l1是(shi)(shi)動(dong)(dong)力(li)(li)臂(bei)(bei),l2是(shi)(shi)阻力(li)(li)臂(bei)(bei)):
根據任(ren)何(he)機械(xie)都不省功(gong)的原理(li),我(wo)們有(s1是(shi)繩子自由端(duan)移動的距(ju)離,s2是(shi)物體(ti)(ti)移動的距(ju)離,也可理(li)解為不用機械(xie)時物體(ti)(ti)提升(sheng)的距(ju)離):
動滑(hua)輪(lun)(lun)省1/2力(li)(li)(li)多費1倍距離,而且(qie)僅(jin)限(xian)于豎直向上用力(li)(li)(li)時(shi),用力(li)(li)(li)傾斜(xie)的(de)(de)角度越(yue)大(da),用的(de)(de)力(li)(li)(li)越(yue)多。而且(qie)使用動滑(hua)輪(lun)(lun)時(shi)滑(hua)輪(lun)(lun)的(de)(de)重量對用的(de)(de)力(li)(li)(li)也有影響。不忽略滑(hua)輪(lun)(lun)重力(li)(li)(li)且(qie)豎直向上用力(li)(li)(li)時(shi),我們有:F=(G輪(lun)(lun)+G物)/2
滑輪(lun)組(zu):由(you)定滑輪(lun)和動滑輪(lun)組(zu)成(cheng)的滑輪(lun)裝置。既省力又可改變力的方向.
但不可(ke)以省(sheng)功,因為(wei)滑輪(lun)組省(sheng)了力,但費了距離。為(wei)了既節省(sheng)又(you)能(neng)改變動(dong)力的方向,可(ke)以把定滑輪(lun)和動(dong)滑輪(lun)組合成滑輪(lun)組。
滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)組(zu)(zu)是由若干(gan)個(ge)定(ding)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)和(he)(he)動(dong)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)匹配而(er)成,可(ke)(ke)以達到既省(sheng)力(li)又(you)改變(bian)力(li)作用方向(xiang)的(de)(de)目的(de)(de)。使用中,省(sheng)力(li)多少和(he)(he)繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)繞法(fa),決定(ding)于(yu)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)組(zu)(zu)的(de)(de)使用效果。繞繩(sheng)(sheng)的(de)(de)原(yuan)則是:當(dang)(dang)定(ding)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)和(he)(he)動(dong)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)數量相等時,繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)自(zi)由端(duan)(duan)(duan)可(ke)(ke)以從(cong)(cong)(cong)(cong)動(dong)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)出(chu)來(lai),也可(ke)(ke)以從(cong)(cong)(cong)(cong)定(ding)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)出(chu)來(lai),而(er)且從(cong)(cong)(cong)(cong)定(ding)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)出(chu)來(lai)時,繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)固(gu)定(ding)端(duan)(duan)(duan)掛(gua)(gua)(gua)在(zai)定(ding)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)上;從(cong)(cong)(cong)(cong)動(dong)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)出(chu)來(lai)時,繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)固(gu)定(ding)端(duan)(duan)(duan)掛(gua)(gua)(gua)在(zai)動(dong)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)上。定(ding)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)和(he)(he)動(dong)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)數量差(cha)不(bu)會超(chao)過1。他(ta)們數量不(bu)相等時,繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)自(zi)由端(duan)(duan)(duan)從(cong)(cong)(cong)(cong)多的(de)(de)那一(yi)邊(bian)出(chu)來(lai),繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)固(gu)定(ding)端(duan)(duan)(duan)掛(gua)(gua)(gua)在(zai)少的(de)(de)那一(yi)邊(bian)。動(dong)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)一(yi)定(ding)時,當(dang)(dang)繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)固(gu)定(ding)端(duan)(duan)(duan)掛(gua)(gua)(gua)在(zai)動(dong)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)上時,滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)組(zu)(zu)要比繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)的(de)(de)固(gu)定(ding)端(duan)(duan)(duan)掛(gua)(gua)(gua)在(zai)定(ding)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)時省(sheng)力(li)(因為有更多段繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)承擔物(wu)重)。
設n為(wei)承受物重的繩(sheng)子(zi)(zi)段(duan)(duan)數(如上面左邊的滑(hua)輪(lun)(lun)組n=5,右邊n=4),則n段(duan)(duan)繩(sheng)子(zi)(zi)能配n或n-1個滑(hua)輪(lun)(lun),配n個輪(lun)(lun)子(zi)(zi)時,動(dong)(dong)滑(hua)輪(lun)(lun)和定(ding)滑(hua)輪(lun)(lun)數量相等(deng),且(qie)(qie)繩(sheng)子(zi)(zi)固定(ding)端在定(ding)滑(hua)輪(lun)(lun)上;配n-1個滑(hua)輪(lun)(lun)時,n為(wei)奇(qi)數,且(qie)(qie)繩(sheng)子(zi)(zi)固定(ding)端在動(dong)(dong)滑(hua)輪(lun)(lun)。
使用(yong)滑輪組時,重(zhong)物有幾條繩索(suo)承受,提起物體所用(yong)的(de)力就是物重(zhong)的(de)幾分之一。
滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)組用幾段繩(sheng)子吊著物體,提起物體所(suo)用的(de)(de)(de)力就是總(zong)重的(de)(de)(de)幾分之一.繩(sheng)子的(de)(de)(de)自(zi)由端繞過(guo)動(dong)(dong)滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)算(suan)一段,而繞過(guo)定滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)就不算(suan)了(le)。使用滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)組雖然省了(le)力,但費(fei)了(le)距(ju)(ju)離(li)(li)(li),動(dong)(dong)力移動(dong)(dong)的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)(li)(li)大于重物移動(dong)(dong)的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)(li)(li).費(fei)距(ju)(ju)離(li)(li)(li)的(de)(de)(de)多少主要看(kan)定滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)饒繩(sheng)子的(de)(de)(de)段數,用滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)組做實驗,很(hen)容易看(kan)出,使用滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)組雖然省了(le)力,但是費(fei)了(le)距(ju)(ju)離(li)(li)(li)——動(dong)(dong)力移動(dong)(dong)的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)(li)(li)大于貨物升高的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)(li)(li)。
幾個關系(滑輪組豎直放置時,不算摩擦):
其中 s是(shi)繩(sheng)端移(yi)動的(de)(de)距離,h是(shi)物(wu)體上升的(de)(de)高度,G1:物(wu)體重力。G2:動滑輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)重力(注意,是(shi)動滑輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)重力,不是(shi)全(quan)部滑輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)重力)F:繩(sheng)端所施加的(de)(de)力 n:拉重物(wu)的(de)(de)繩(sheng)子的(de)(de)段數。