在力(li)學里,典型(xing)的(de)(de)滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(pulley)是可以(yi)繞著(zhu)中心軸(zhou)旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)的(de)(de)圓輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)。在圓輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)的(de)(de)圓周面具有凹槽,將(jiang)繩(sheng)索纏繞于凹槽,用(yong)力(li)牽拉繩(sheng)索兩端(duan)(duan)的(de)(de)任一(yi)(yi)端(duan)(duan),則繩(sheng)索與圓輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)之(zhi)間的(de)(de)摩擦力(li)會(hui)促使圓輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)繞著(zhu)中心軸(zhou)旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)。滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)實際上是變形的(de)(de)、能轉(zhuan)動的(de)(de)杠桿(gan)。滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)主要的(de)(de)功(gong)能是牽拉負(fu)載(zai)、改變施力(li)方向、傳輸功(gong)率等等。多個(ge)滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)共同(tong)組成的(de)(de)機械稱為“滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)組”,或“復式滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)”。滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)組的(de)(de)機械利益較(jiao)大,可以(yi)牽拉較(jiao)重的(de)(de)負(fu)載(zai)。滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)也可以(yi)成為鏈傳動或帶傳動的(de)(de)組件(jian),將(jiang)功(gong)率從一(yi)(yi)個(ge)旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)軸(zhou)傳輸到另(ling)一(yi)(yi)個(ge)旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)軸(zhou)。
按滑(hua)輪(lun)(lun)中(zhong)心軸(zhou)的位置(zhi)是否移(yi)動(dong),可(ke)將滑(hua)輪(lun)(lun)分(fen)為(wei)“定滑(hua)輪(lun)(lun)”、“動(dong)滑(hua)輪(lun)(lun)”;定滑(hua)輪(lun)(lun)的中(zhong)心軸(zhou)固定不(bu)動(dong),動(dong)滑(hua)輪(lun)(lun)的中(zhong)心軸(zhou)可(ke)以(yi)(yi)移(yi)動(dong),各有(you)各的優勢和(he)劣(lie)勢。而將定滑(hua)輪(lun)(lun)和(he)動(dong)滑(hua)輪(lun)(lun)組(zu)裝在一(yi)起(qi)可(ke)構成(cheng)滑(hua)輪(lun)(lun)組(zu),滑(hua)輪(lun)(lun)組(zu)不(bu)但省(sheng)力而且(qie)還可(ke)以(yi)(yi)改變力的方(fang)向。
滑輪在初中(zhong)物(wu)理教材(cai)中(zhong)以(yi)知識點(dian)的形式出現,要求對(dui)力的方向(xiang)、繩端移動距(ju)離、做(zuo)功情(qing)況等問題(ti)作出解(jie)答。
定滑(hua)輪、動(dong)滑(hua)輪、滑(hua)輪組(或分為單滑(hua)輪、雙滑(hua)輪、三滑(hua)輪、四滑(hua)輪以(yi)至(zhi)多輪等多種)。
木(mu)滑輪、鋼(gang)滑輪和工程(cheng)塑料滑輪,可根據實際(ji)使用(yong)要(yao)求有各種材質。
牽(qian)拉負載、改變(bian)施力方(fang)向(xiang)、傳輸(shu)功率(lv)等。
吊鉤式(shi)(shi)、鏈(lian)環式(shi)(shi)、輪(lun)材式(shi)(shi)、吊環式(shi)(shi)和吊鏈(lian)式(shi)(shi),斜拉式(shi)(shi)等。
承受載荷不大(da)的(de)小尺寸(cun)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(D<350mm)一(yi)般制成(cheng)實體的(de)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun),采用15、Q235或(huo)鑄鐵(如(ru)HT200)。
受(shou)大載荷的滑輪(lun)一般(ban)采用球鐵或(huo)(huo)鑄鋼(如(ru)ZG270-500),鑄成帶(dai)筋和孔(kong)或(huo)(huo)帶(dai)輪(lun)輻的結構
大型滑輪(D>800mm)一(yi)般用型鋼(gang)和(he)鋼(gang)板焊接結(jie)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(xiang)磚、陶井模(mo)。在《墨(mo)經》里也有記載關于滑輪(lun)的(de)論(lun)述(shu)。
古希(xi)(xi)臘人將滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)歸類為簡單機(ji)械(xie)。早(zao)在(zai)(zai)西(xi)元前(qian)400年(nian),古希(xi)(xi)臘人就已經知(zhi)道(dao)如何使(shi)用復式(shi)滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)了(le)。大(da)(da)約在(zai)(zai)西(xi)元前(qian)330年(nian),亞(ya)里士多(duo)德在(zai)(zai)著作《機(ji)械(xie)問題(ti)(ti)》(《Mechanical Problems》)里的(de)(de)第十八(ba)個問題(ti)(ti),專門研(yan)討“復式(shi)滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)”系統阿基(ji)米德貢(gong)獻出很(hen)多(duo)關于(yu)(yu)簡單機(ji)械(xie)的(de)(de)知(zhi)識,詳(xiang)細地解釋(shi)滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)運動學理(li)論。據說(shuo)阿基(ji)米德曾(ceng)經獨(du)自使(shi)用復式(shi)滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)拉動一艘裝(zhuang)滿了(le)貨物(wu)與乘客的(de)(de)大(da)(da)海船,西(xi)元一世紀,亞(ya)歷山卓的(de)(de)希(xi)(xi)羅分析并且寫出關于(yu)(yu)復式(shi)滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)理(li)論,證明(ming)了(le)負載(zai)與施力的(de)(de)比例等于(yu)(yu)承擔負載(zai)的(de)(de)繩(sheng)索段的(de)(de)數目,即“滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)原理(li)”。
1608年,在著作《數(shu)學(xue)紀要》(《Mathematical Collection》)里,荷(he)蘭(lan)物(wu)理學(xue)者西蒙·斯特芬表明,滑輪系統的(de)(de)施(shi)力(li)(li)與負載(zai)之間移動路徑的(de)(de)長度比(bi)率,等于(yu)施(shi)力(li)(li)與負載(zai)之間的(de)(de)反比(bi)率。這是雛型(xing)的(de)(de)虛功原理。
1788年,法國物理學(xue)者約瑟夫·拉(la)格朗(lang)日(ri)在巨著(zhu)《分析(xi)力(li)學(xue)》(《Mécanique analytique》)里,使(shi)用滑輪原(yuan)理推導出虛功原(yuan)理,從(cong)而揭起了(le)拉(la)格朗(lang)日(ri)力(li)學(xue)的序幕。
使用滑輪(lun)(lun)時,軸(zhou)的位(wei)置固定(ding)(ding)不動的滑輪(lun)(lun)稱之為(wei)定(ding)(ding)滑輪(lun)(lun)。
使(shi)用(yong)(yong)時(shi),滑輪的(de)位(wei)置(zhi)固定(ding)不(bu)變;定(ding)滑輪實質是(shi)等臂(bei)(bei)杠桿(gan),不(bu)省力(li)(li)(li)也不(bu)費(fei)力(li)(li)(li),但可以改變作(zuo)用(yong)(yong)力(li)(li)(li)方向.杠桿(gan)的(de)動力(li)(li)(li)臂(bei)(bei)和阻力(li)(li)(li)臂(bei)(bei)分別是(shi)滑輪的(de)半(ban)徑,由于半(ban)徑相(xiang)等,所(suo)以動力(li)(li)(li)臂(bei)(bei)等于阻力(li)(li)(li)臂(bei)(bei),杠桿(gan)既(ji)不(bu)省力(li)(li)(li)也不(bu)費(fei)力(li)(li)(li)。利用(yong)(yong)杠桿(gan)原理,用(yong)(yong)公式推(tui)導就是(shi)(F是(shi)拉力(li)(li)(li),G是(shi)物體的(de)重力(li)(li)(li),L1L2在圖中有):
定滑輪不(bu)能省力,而且(qie)在繩(sheng)重及繩(sheng)與(yu)輪之(zhi)間的(de)摩(mo)擦不(bu)計的(de)情(qing)況下,細繩(sheng)的(de)受力方(fang)向(xiang)無論向(xiang)何處,吊起重物所用的(de)力都相等(deng)(deng),因為(wei)動力臂和阻(zu)力臂都相等(deng)(deng)且(qie)等(deng)(deng)于滑輪的(de)半徑。
定義1:使(shi)用滑輪時,軸的(de)位置(zhi)隨被(bei)拉物體一(yi)起運動的(de)滑輪稱為動滑輪。
定義2:若將(jiang)重(zhong)物直接(jie)掛(gua)在滑(hua)輪(lun)上,在提升(sheng)重(zhong)物時滑(hua)輪(lun)也一起(qi)上升(sheng),這樣的滑(hua)輪(lun)叫動滑(hua)輪(lun).
動(dong)(dong)滑(hua)輪省(sheng)1/2力多費1倍(bei)距離,這是(shi)(shi)因為使用(yong)動(dong)(dong)滑(hua)輪時,鉤(gou)碼(ma)由(you)兩段(duan)繩子(zi)(zi)吊著,每(mei)段(duan)繩子(zi)(zi)只承擔鉤(gou)碼(ma)重的(de)(de)(de)一(yi)半(ban),而且不能改變力的(de)(de)(de)方(fang)向。實質是(shi)(shi)個動(dong)(dong)力臂(bei)(L1)為阻力臂(bei)(L2)二倍(bei)的(de)(de)(de)杠(gang)桿:圖中(zhong),O是(shi)(shi)支點,F1是(shi)(shi)提升(sheng)物(wu)體的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力,F2是(shi)(shi)物(wu)體的(de)(de)(de)重力(也可(ke)理解為不用(yong)機(ji)械時提升(sheng)物(wu)體用(yong)的(de)(de)(de)力),我們有(l1是(shi)(shi)動(dong)(dong)力臂(bei),l2是(shi)(shi)阻力臂(bei)):
根據(ju)任何機(ji)械(xie)都不(bu)省功的原(yuan)理(li),我(wo)們有(s1是繩(sheng)子(zi)自由端(duan)移(yi)動(dong)的距(ju)(ju)離,s2是物體移(yi)動(dong)的距(ju)(ju)離,也可理(li)解(jie)為不(bu)用機(ji)械(xie)時物體提(ti)升的距(ju)(ju)離):
動滑輪(lun)省1/2力(li)多費1倍距離,而且僅(jin)限于豎直向上用力(li)時,用力(li)傾(qing)斜(xie)的(de)角度(du)越大,用的(de)力(li)越多。而且使(shi)用動滑輪(lun)時滑輪(lun)的(de)重量(liang)對用的(de)力(li)也有影(ying)響。不忽略滑輪(lun)重力(li)且豎直向上用力(li)時,我(wo)們(men)有:F=(G輪(lun)+G物)/2
滑(hua)輪組:由定(ding)滑(hua)輪和(he)動滑(hua)輪組成的(de)滑(hua)輪裝置。既省力又(you)可改變力的(de)方向.
但(dan)不可以(yi)省功,因(yin)為(wei)滑輪(lun)(lun)組省了(le)力(li),但(dan)費了(le)距離。為(wei)了(le)既節省又能(neng)改變動(dong)力(li)的方向(xiang),可以(yi)把定滑輪(lun)(lun)和動(dong)滑輪(lun)(lun)組合成滑輪(lun)(lun)組。
滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)組(zu)是由若干個定(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)和動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)匹配而成(cheng),可(ke)以達到既省力又改變(bian)力作用(yong)方向的(de)目的(de)。使用(yong)中,省力多(duo)少和繩(sheng)子的(de)繞法,決定(ding)(ding)(ding)于滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)組(zu)的(de)使用(yong)效果。繞繩(sheng)的(de)原(yuan)則(ze)是:當定(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)和動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)數(shu)(shu)量相等時(shi)(shi)(shi),繩(sheng)子的(de)自(zi)由端(duan)(duan)(duan)(duan)可(ke)以從(cong)(cong)動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)出(chu)來(lai),也可(ke)以從(cong)(cong)定(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)出(chu)來(lai),而且從(cong)(cong)定(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)出(chu)來(lai)時(shi)(shi)(shi),繩(sheng)子的(de)固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)端(duan)(duan)(duan)(duan)掛(gua)在定(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)上;從(cong)(cong)動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)出(chu)來(lai)時(shi)(shi)(shi),繩(sheng)子的(de)固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)端(duan)(duan)(duan)(duan)掛(gua)在動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)上。定(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)和動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)數(shu)(shu)量差(cha)不會超過1。他們數(shu)(shu)量不相等時(shi)(shi)(shi),繩(sheng)子的(de)自(zi)由端(duan)(duan)(duan)(duan)從(cong)(cong)多(duo)的(de)那(nei)一(yi)(yi)邊(bian)出(chu)來(lai),繩(sheng)子的(de)固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)端(duan)(duan)(duan)(duan)掛(gua)在少的(de)那(nei)一(yi)(yi)邊(bian)。動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)一(yi)(yi)定(ding)(ding)(ding)時(shi)(shi)(shi),當繩(sheng)子的(de)固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)端(duan)(duan)(duan)(duan)掛(gua)在動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)上時(shi)(shi)(shi),滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)組(zu)要(yao)比繩(sheng)子的(de)固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)端(duan)(duan)(duan)(duan)掛(gua)在定(ding)(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)時(shi)(shi)(shi)省力(因(yin)為有更多(duo)段(duan)繩(sheng)子承擔物(wu)重)。
設n為(wei)承(cheng)受(shou)物重的繩(sheng)(sheng)(sheng)子(zi)段(duan)數(shu)(如上(shang)(shang)面左邊的滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)組n=5,右邊n=4),則n段(duan)繩(sheng)(sheng)(sheng)子(zi)能(neng)配n或n-1個(ge)(ge)滑(hua)輪(lun)(lun)(lun),配n個(ge)(ge)輪(lun)(lun)(lun)子(zi)時,動滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)和定滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)數(shu)量(liang)相等,且繩(sheng)(sheng)(sheng)子(zi)固(gu)(gu)定端(duan)在(zai)定滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)上(shang)(shang);配n-1個(ge)(ge)滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)時,n為(wei)奇數(shu),且繩(sheng)(sheng)(sheng)子(zi)固(gu)(gu)定端(duan)在(zai)動滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)。
使用滑輪組時,重(zhong)物有幾(ji)條繩(sheng)索承受,提起物體所(suo)用的(de)力就是物重(zhong)的(de)幾(ji)分之(zhi)一。
滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)組用幾(ji)(ji)段繩子吊著物(wu)體(ti),提起物(wu)體(ti)所用的(de)(de)力(li)(li)就(jiu)是總重(zhong)的(de)(de)幾(ji)(ji)分(fen)之一.繩子的(de)(de)自由端繞(rao)(rao)過動(dong)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)的(de)(de)算(suan)一段,而繞(rao)(rao)過定滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)的(de)(de)就(jiu)不算(suan)了。使用滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)組雖然(ran)省了力(li)(li),但費了距(ju)(ju)(ju)離(li),動(dong)力(li)(li)移(yi)(yi)動(dong)的(de)(de)距(ju)(ju)(ju)離(li)大于重(zhong)物(wu)移(yi)(yi)動(dong)的(de)(de)距(ju)(ju)(ju)離(li).費距(ju)(ju)(ju)離(li)的(de)(de)多(duo)少主要看(kan)定滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)的(de)(de)饒繩子的(de)(de)段數,用滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)組做實驗,很容易看(kan)出(chu),使用滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)組雖然(ran)省了力(li)(li),但是費了距(ju)(ju)(ju)離(li)——動(dong)力(li)(li)移(yi)(yi)動(dong)的(de)(de)距(ju)(ju)(ju)離(li)大于貨(huo)物(wu)升高的(de)(de)距(ju)(ju)(ju)離(li)。
幾個關系(滑輪組(zu)豎直放置時,不算摩(mo)擦):
其中 s是(shi)(shi)(shi)繩(sheng)端移動(dong)(dong)的距離,h是(shi)(shi)(shi)物(wu)(wu)體上升的高度,G1:物(wu)(wu)體重(zhong)(zhong)力。G2:動(dong)(dong)滑(hua)輪(lun)(lun)的重(zhong)(zhong)力(注意,是(shi)(shi)(shi)動(dong)(dong)滑(hua)輪(lun)(lun)的重(zhong)(zhong)力,不是(shi)(shi)(shi)全部滑(hua)輪(lun)(lun)的重(zhong)(zhong)力)F:繩(sheng)端所施加的力 n:拉(la)重(zhong)(zhong)物(wu)(wu)的繩(sheng)子的段數。