滑輪

滑輪

滑輪,依據槓桿原理設計的簡單機械。在力學裡,典型的滑輪(pulley)是可以繞著中心軸鏇轉的圓輪。在圓輪的圓周面具有凹槽,將繩索纏繞於凹槽,用力牽拉繩索兩端的任一端,則繩索與圓輪之間的摩擦力會促使圓輪繞著中心軸鏇轉。滑輪實際上是變形的、能轉動的槓桿。滑輪主要的功能是牽拉負載、改變施力方向、傳輸功率等等。多個滑輪共同組成的機械稱為“滑輪組”,或“複式滑輪”。

基本信息

歷史

滑輪滑輪

關於滑輪的繪品最早出現於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,並不會給出任何機械利益。滑輪在古代稱為滑車的繪製最早出現於漢代的畫像磚、陶井模。在《墨經》里也有記載關於滑輪的論述。

古希臘人將滑輪歸類為簡單機械。早在西元前400年,古希臘人就已經知道如何使用複式滑輪了。大約在西元前330年,亞里士多德在著作《機械問題》(《Mechanical Problems》)里的第十八個問題,專門研討“複式滑輪”系統阿基米德貢獻出很多關於簡單機械的知識,詳細地解釋滑輪的運動學理論。據說阿基米德曾經獨自使用複式滑輪拉動一艘裝滿了貨物與乘客的大海船,西元一世紀,亞歷山卓的希羅分析並且寫出關於複式滑輪的理論,證明了負載與施力的比例等於承擔負載的繩索段的數目,即“滑輪原理”。

1608年,在著作《數學紀要》(《MathematicalCollection》)里,荷蘭物理學者西蒙·斯特芬表明,滑輪系統的施力與負載之間移動路徑的長度比率,等於施力與負載之間的反比率。這是雛型的虛功原理。

1788年,法國物理學者約瑟夫·拉格朗日在巨著《分析力學》(《Mécanique analytique》)里,使用滑輪原理推導出虛功原理,從而揭起了拉格朗日力學的序幕。

相關信息

定滑輪

定義

滑輪滑輪

使用滑輪時,軸的位置固定不動的滑輪稱為定滑輪。

特點

定滑輪實質是等臂槓桿,不省力,但可改變作用力方向.

槓桿的動力臂和阻力臂分別是滑輪的半徑,由於半徑相等,所以動力臂等於阻力臂,槓桿既不省力也不費力。

原理

定滑輪實質是個等臂槓桿,動力臂(L1)、阻力臂(L2)都等於滑輪半徑。根據槓桿平衡條件也可以得出定滑輪不省力的結論。

動滑輪

定義

滑輪滑輪

定義1:軸的位置隨被拉物體一起運動的滑輪稱為動滑輪。

定義2:若將重物直接掛在滑輪上,在提升重物時滑輪也一起上升,這樣的滑輪叫動滑輪.

特點

動滑輪實質是動力臂為阻力臂二倍的槓桿,省1/2力多費1倍距離.

使用動滑輪能省一半力,費距離。這是因為使用動滑輪時,鉤碼由兩段繩子吊著,每段繩子只承擔鉤碼重的一半。使用動滑輪雖然省了力,但是動力移動的距離大於鉤碼升高的距離,即費了距離。

軸的位置隨被拉物體一起運動的滑輪,稱為動滑輪。它是變形的不等臂槓桿,能省一半力(不考慮滑輪的重力與摩擦力的情況下),但不改變用力的方向。使用動滑輪能省一半力,費距離。這是因為使用動滑輪時,鉤碼由兩段繩子吊著,每段繩子只承擔鉤碼重的一半。使用動滑輪雖然省了力,但是動力移動的距離是鉤碼升高的距離的2倍,即費了距離。不能改變力的方向。隨著物體的移動而移動。

原理

不改變力的方向,動滑輪的原動滑輪實質是個動力臂(L1)為阻力臂(L2)二倍的槓桿。(省力)

滑輪組

定義

滑輪組滑輪組

滑輪組:由定滑輪和動滑輪組成的滑輪組,既省力又可改變力的方向.但不可以省功,因為滑輪組省了力,但費了距離。

用途

為了既節省又能改變動力的方向,可以把定滑輪和動滑輪組合成滑輪組。省力的大小

使用滑輪組時,G物+G動滑輪有幾條繩索承受,提起物體所用的力就是物重的幾分之一。

特點

滑輪組用幾段繩子吊著物體,提起物體所用的力就是總重的幾分之一.繩子的自由端繞過動滑輪的算一段,而繞過定滑輪的就不算了.

使用滑輪組雖然省了力,但費了距離,動力移動的距離大於重物移動的距離.費距離的多少主要看定滑輪的饒繩子的段數.

用滑輪組做實驗,很容易看出,使用滑輪組雖然省了力,但是費了距離——動力移動的距離大於貨物升高的距離。

關係

幾個關係(滑輪組豎直放置時):(1)s=nh (2)F=G總 /n(不計摩擦)

其中 s:繩端移動的距離 h:物體上升的高度

G總:物體和動滑輪的總重力

F:繩端所施加的力 n:拉重物的繩子的段數

F=1/n×(G物+G動)

在繞時遵循:奇動(滑輪)偶定(滑輪)的原則

在進行連線滑輪組時,要一個動滑輪一個定滑輪的連,否則將連線失敗

根據F=(1/n)G可知,不考慮摩擦及滑輪重,要使2400N的力變為400N需六段繩子,再根據偶定奇動原則,有偶數段繩子,故繩子開端應從定滑輪開始,因為要六段繩子,所以需要三個並列的整體動滑輪,對應的,也需要三個並列的定滑輪,從定滑輪組底部的勾勾處繞起,順次繞過第一個動滑輪,第一個定滑輪,第二個…直到最後一段繩子繞過第三個定滑輪,此時繩子方向即向下,且會使拉力為400N(不考慮摩擦與滑輪重)

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簡單機械

機械最簡單最基本的單位就是簡單機械,即人運用力的基本機械元件。常用的機械大都是由六種簡單機械組合而成的。
槓桿 在力的作用下能夠繞支撐點轉動的堅實物體即槓桿,蹺蹺板、剪刀、扳子、撬棒等都是槓桿
輪軸 由輪和軸組成,是能夠連續鏇轉的槓桿,支點在軸線,輪軸在轉動時輪與軸有相同的轉速
滑輪 由一個周邊有溝槽的圓盤和一條跨過圓盤的繩索所組成,能達到省力或改變力的方向的作用
斜面 同水平面成一傾斜角度的平面,這個角度通常稱為升角,斜面也是一種簡單機械
楔子 由兩個斜面組成,用來將物件分開,常見使用楔子的工具包括斧頭及釘子等,和斜面有密切關係
螺鏇 表面具有凹凸不平呈螺鏇線型條紋的圓柱體或圓孔體,部分套用螺鏇機制的機械,並不一定有螺紋

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