在力學里,典型(xing)的(de)滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(pulley)是(shi)可(ke)(ke)以繞(rao)著中(zhong)心(xin)(xin)軸旋轉(zhuan)(zhuan)的(de)圓輪(lun)(lun)(lun)(lun)。在圓輪(lun)(lun)(lun)(lun)的(de)圓周面(mian)具有(you)凹槽(cao),將(jiang)繩索纏繞(rao)于凹槽(cao),用力牽拉繩索兩端的(de)任一端,則繩索與圓輪(lun)(lun)(lun)(lun)之(zhi)間的(de)摩擦力會促使圓輪(lun)(lun)(lun)(lun)繞(rao)著中(zhong)心(xin)(xin)軸旋轉(zhuan)(zhuan)。滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)實際上是(shi)變形(xing)的(de)、能轉(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)的(de)杠桿(gan)。滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)主要的(de)功(gong)能是(shi)牽拉負(fu)載、改(gai)變施力方向、傳(chuan)(chuan)輸功(gong)率(lv)等等。多個滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)共同組(zu)(zu)成(cheng)的(de)機(ji)(ji)械稱為(wei)“滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)組(zu)(zu)”,或“復式滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)”。滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)組(zu)(zu)的(de)機(ji)(ji)械利益(yi)較大(da),可(ke)(ke)以牽拉較重的(de)負(fu)載。滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)也可(ke)(ke)以成(cheng)為(wei)鏈傳(chuan)(chuan)動(dong)(dong)或帶傳(chuan)(chuan)動(dong)(dong)的(de)組(zu)(zu)件,將(jiang)功(gong)率(lv)從一個旋轉(zhuan)(zhuan)軸傳(chuan)(chuan)輸到另一個旋轉(zhuan)(zhuan)軸。
按滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)中心(xin)軸(zhou)(zhou)的位置是否移動,可(ke)(ke)將滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)分(fen)為“定(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)”、“動滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)”;定(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)的中心(xin)軸(zhou)(zhou)固定(ding)不動,動滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)的中心(xin)軸(zhou)(zhou)可(ke)(ke)以移動,各(ge)有各(ge)的優勢和劣勢。而(er)將定(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)和動滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)組(zu)(zu)裝在(zai)一起可(ke)(ke)構(gou)成滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)組(zu)(zu),滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)組(zu)(zu)不但省(sheng)力而(er)且還(huan)可(ke)(ke)以改變力的方(fang)向(xiang)。
滑輪在初中物理教材(cai)中以知識(shi)點的(de)形式出現,要求對力的(de)方向、繩端移動距(ju)離、做(zuo)功情(qing)況等問題作(zuo)出解答。
定滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)、動(dong)滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)、滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)組(或分為單(dan)滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)、雙滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)、三滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)、四滑(hua)輪(lun)(lun)(lun)以至多輪(lun)(lun)(lun)等多種)。
木滑(hua)輪(lun)(lun)、鋼滑(hua)輪(lun)(lun)和工程塑(su)料滑(hua)輪(lun)(lun),可根據實際使用要求有各種(zhong)材(cai)質。
牽拉(la)負載、改變施力方向、傳輸功率等。
吊(diao)鉤(gou)式(shi)、鏈環式(shi)、輪材式(shi)、吊(diao)環式(shi)和吊(diao)鏈式(shi),斜拉(la)式(shi)等(deng)。
承受載荷(he)不大的(de)小尺寸(cun)滑輪(D<350mm)一(yi)般制(zhi)成(cheng)實體(ti)的(de)滑輪,采用15、Q235或鑄鐵(如HT200)。
受大載(zai)荷(he)的滑輪一般(ban)采用球(qiu)鐵或鑄(zhu)鋼(如ZG270-500),鑄(zhu)成帶筋和孔或帶輪輻的結構
大型(xing)滑(hua)輪(D>800mm)一般用型(xing)鋼和鋼板焊(han)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,滑輪裝置的繪制最早(zao)出現于漢(han)代(dai)的畫像磚、陶井模。在《墨經》里(li)也有(you)記(ji)載(zai)關(guan)于滑輪(lun)的論(lun)述。
古(gu)希臘人將滑(hua)輪(lun)(lun)歸類為簡(jian)單機械(xie)。早在西元(yuan)(yuan)前400年,古(gu)希臘人就已經知道如何使用(yong)復(fu)式滑(hua)輪(lun)(lun)了(le)(le)。大(da)約在西元(yuan)(yuan)前330年,亞里士多德(de)在著作(zuo)《機械(xie)問題(ti)(ti)》(《Mechanical Problems》)里的(de)第十八(ba)個問題(ti)(ti),專門研討“復(fu)式滑(hua)輪(lun)(lun)”系統阿基米德(de)貢獻(xian)出很多關(guan)于(yu)簡(jian)單機械(xie)的(de)知識,詳細地解釋滑(hua)輪(lun)(lun)的(de)運動(dong)學理論(lun)。據說(shuo)阿基米德(de)曾(ceng)經獨自(zi)使用(yong)復(fu)式滑(hua)輪(lun)(lun)拉動(dong)一(yi)(yi)艘裝滿了(le)(le)貨物與乘(cheng)客的(de)大(da)海船(chuan),西元(yuan)(yuan)一(yi)(yi)世紀,亞歷山卓的(de)希羅分(fen)析并且寫出關(guan)于(yu)復(fu)式滑(hua)輪(lun)(lun)的(de)理論(lun),證明了(le)(le)負載與施力的(de)比例等于(yu)承擔負載的(de)繩索段的(de)數目,即“滑(hua)輪(lun)(lun)原(yuan)理”。
1608年,在著作《數學(xue)(xue)紀要(yao)》(《Mathematical Collection》)里,荷(he)蘭物理學(xue)(xue)者西(xi)蒙·斯特芬表(biao)明,滑輪系統的(de)施(shi)力與負載之間移動(dong)路徑的(de)長度比率,等于施(shi)力與負載之間的(de)反比率。這是雛型的(de)虛功原(yuan)理。
1788年,法國物理學(xue)者約(yue)瑟(se)夫·拉格朗日(ri)在巨著《分(fen)析力(li)學(xue)》(《Mécanique analytique》)里,使用滑(hua)輪原理推導出虛功原理,從而揭起了(le)拉格朗日(ri)力(li)學(xue)的序(xu)幕。
使(shi)用滑輪(lun)時(shi),軸的(de)位置固定(ding)不動(dong)的(de)滑輪(lun)稱(cheng)之(zhi)為定(ding)滑輪(lun)。
使用(yong)時,滑輪的(de)(de)位置固定不(bu)(bu)變;定滑輪實質是等臂(bei)杠桿(gan),不(bu)(bu)省力(li)(li)也(ye)不(bu)(bu)費力(li)(li),但(dan)可(ke)以(yi)改變作用(yong)力(li)(li)方向.杠桿(gan)的(de)(de)動力(li)(li)臂(bei)和阻力(li)(li)臂(bei)分別是滑輪的(de)(de)半(ban)徑,由于(yu)半(ban)徑相等,所以(yi)動力(li)(li)臂(bei)等于(yu)阻力(li)(li)臂(bei),杠桿(gan)既不(bu)(bu)省力(li)(li)也(ye)不(bu)(bu)費力(li)(li)。利用(yong)杠桿(gan)原理(li),用(yong)公(gong)式推導就是(F是拉力(li)(li),G是物體的(de)(de)重(zhong)力(li)(li),L1L2在圖中(zhong)有):
定滑輪不能省力(li),而且在繩重(zhong)及(ji)繩與輪之間的(de)摩擦不計的(de)情況(kuang)下,細繩的(de)受力(li)方向(xiang)(xiang)無論向(xiang)(xiang)何處,吊起重(zhong)物所用的(de)力(li)都相等(deng),因為動力(li)臂和阻力(li)臂都相等(deng)且等(deng)于滑輪的(de)半徑。
定義(yi)1:使用滑輪(lun)時,軸的位置隨被拉物(wu)體一起運動的滑輪(lun)稱為(wei)動滑輪(lun)。
定義2:若將重物直接掛(gua)在滑(hua)(hua)輪(lun)上(shang)(shang),在提升重物時滑(hua)(hua)輪(lun)也一起(qi)上(shang)(shang)升,這樣的滑(hua)(hua)輪(lun)叫動滑(hua)(hua)輪(lun).
動滑輪(lun)省1/2力(li)多費1倍(bei)距離,這是(shi)(shi)因為使用動滑輪(lun)時(shi),鉤(gou)碼(ma)由兩段繩子(zi)(zi)吊著(zhu),每段繩子(zi)(zi)只承擔鉤(gou)碼(ma)重的一半,而(er)且不能(neng)改變力(li)的方向(xiang)。實質是(shi)(shi)個動力(li)臂(bei)(bei)(L1)為阻力(li)臂(bei)(bei)(L2)二倍(bei)的杠(gang)桿:圖中,O是(shi)(shi)支點,F1是(shi)(shi)提升物(wu)體(ti)的動力(li),F2是(shi)(shi)物(wu)體(ti)的重力(li)(也可理解為不用機械時(shi)提升物(wu)體(ti)用的力(li)),我們有(l1是(shi)(shi)動力(li)臂(bei)(bei),l2是(shi)(shi)阻力(li)臂(bei)(bei)):
根據任何機(ji)械(xie)都不省功的原理,我們有(s1是(shi)繩子自由端移動的距(ju)離(li),s2是(shi)物(wu)體移動的距(ju)離(li),也(ye)可理解為不用機(ji)械(xie)時物(wu)體提升的距(ju)離(li)):
動滑輪(lun)(lun)(lun)省1/2力(li)(li)(li)多費(fei)1倍距離,而(er)且(qie)(qie)僅限于豎直(zhi)向(xiang)(xiang)上(shang)用(yong)(yong)(yong)力(li)(li)(li)時(shi),用(yong)(yong)(yong)力(li)(li)(li)傾斜的(de)角(jiao)度(du)越(yue)大,用(yong)(yong)(yong)的(de)力(li)(li)(li)越(yue)多。而(er)且(qie)(qie)使用(yong)(yong)(yong)動滑輪(lun)(lun)(lun)時(shi)滑輪(lun)(lun)(lun)的(de)重量(liang)對用(yong)(yong)(yong)的(de)力(li)(li)(li)也有影(ying)響。不忽略(lve)滑輪(lun)(lun)(lun)重力(li)(li)(li)且(qie)(qie)豎直(zhi)向(xiang)(xiang)上(shang)用(yong)(yong)(yong)力(li)(li)(li)時(shi),我們有:F=(G輪(lun)(lun)(lun)+G物(wu))/2
滑(hua)(hua)輪(lun)組:由(you)定(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)和(he)動滑(hua)(hua)輪(lun)組成的(de)滑(hua)(hua)輪(lun)裝置。既省力(li)又可改(gai)變力(li)的(de)方(fang)向.
但不可以(yi)省(sheng)功,因(yin)為(wei)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)組(zu)(zu)省(sheng)了(le)力,但費了(le)距(ju)離(li)。為(wei)了(le)既節省(sheng)又(you)能(neng)改變動(dong)力的方(fang)向,可以(yi)把定滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)和(he)動(dong)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)組(zu)(zu)合成(cheng)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)組(zu)(zu)。
滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)組(zu)(zu)是由(you)若干個定滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)和(he)動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)匹配而成,可以達到既(ji)省(sheng)力(li)又(you)改(gai)變力(li)作用(yong)方向的(de)(de)目的(de)(de)。使(shi)用(yong)中,省(sheng)力(li)多(duo)少和(he)繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)繞法(fa),決(jue)定于滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)組(zu)(zu)的(de)(de)使(shi)用(yong)效(xiao)果。繞繩(sheng)(sheng)的(de)(de)原則(ze)是:當(dang)定滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)和(he)動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)數(shu)量(liang)相等時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi),繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)自由(you)端(duan)可以從動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)出(chu)來,也(ye)可以從定滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)出(chu)來,而且從定滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)出(chu)來時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi),繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)固(gu)(gu)定端(duan)掛(gua)在定滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)上(shang);從動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)出(chu)來時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi),繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)固(gu)(gu)定端(duan)掛(gua)在動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)上(shang)。定滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)和(he)動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)數(shu)量(liang)差不(bu)會超過1。他們數(shu)量(liang)不(bu)相等時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi),繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)自由(you)端(duan)從多(duo)的(de)(de)那一邊出(chu)來,繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)固(gu)(gu)定端(duan)掛(gua)在少的(de)(de)那一邊。動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)一定時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi),當(dang)繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)固(gu)(gu)定端(duan)掛(gua)在動(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)上(shang)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi),滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)組(zu)(zu)要比繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)固(gu)(gu)定端(duan)掛(gua)在定滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)省(sheng)力(li)(因為有更多(duo)段繩(sheng)(sheng)子(zi)(zi)(zi)承擔(dan)物重)。
設n為承受物重(zhong)的繩(sheng)子(zi)段數(如上面左邊的滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)組n=5,右邊n=4),則n段繩(sheng)子(zi)能配(pei)(pei)n或n-1個(ge)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun),配(pei)(pei)n個(ge)輪(lun)(lun)子(zi)時(shi)(shi),動滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)和定(ding)(ding)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)數量相等,且繩(sheng)子(zi)固定(ding)(ding)端在定(ding)(ding)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)上;配(pei)(pei)n-1個(ge)滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)時(shi)(shi),n為奇數,且繩(sheng)子(zi)固定(ding)(ding)端在動滑(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)。
使用(yong)滑輪組時,重物(wu)(wu)有幾條繩索承受(shou),提起物(wu)(wu)體所用(yong)的力(li)就是物(wu)(wu)重的幾分之(zhi)一。
滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪組(zu)(zu)用(yong)(yong)幾段(duan)繩(sheng)(sheng)子(zi)吊著(zhu)物體,提起物體所用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)力(li)就是總重的(de)(de)(de)(de)幾分(fen)之(zhi)一.繩(sheng)(sheng)子(zi)的(de)(de)(de)(de)自(zi)由端繞(rao)過動(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪的(de)(de)(de)(de)算一段(duan),而繞(rao)過定(ding)(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪的(de)(de)(de)(de)就不算了(le)。使用(yong)(yong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪組(zu)(zu)雖然省了(le)力(li),但費(fei)了(le)距(ju)(ju)離(li),動(dong)力(li)移(yi)動(dong)的(de)(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)大于重物移(yi)動(dong)的(de)(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li).費(fei)距(ju)(ju)離(li)的(de)(de)(de)(de)多(duo)少主要看(kan)定(ding)(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪的(de)(de)(de)(de)饒繩(sheng)(sheng)子(zi)的(de)(de)(de)(de)段(duan)數,用(yong)(yong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪組(zu)(zu)做實(shi)驗,很(hen)容易看(kan)出(chu),使用(yong)(yong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪組(zu)(zu)雖然省了(le)力(li),但是費(fei)了(le)距(ju)(ju)離(li)——動(dong)力(li)移(yi)動(dong)的(de)(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)大于貨物升高的(de)(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)。
幾個(ge)關系(滑輪組(zu)豎直放置時(shi),不(bu)算摩(mo)擦(ca)):
其中 s是(shi)繩端(duan)移動(dong)的(de)(de)距離,h是(shi)物(wu)體(ti)上升的(de)(de)高度(du),G1:物(wu)體(ti)重力(li)。G2:動(dong)滑(hua)輪(lun)的(de)(de)重力(li)(注(zhu)意,是(shi)動(dong)滑(hua)輪(lun)的(de)(de)重力(li),不是(shi)全部(bu)滑(hua)輪(lun)的(de)(de)重力(li))F:繩端(duan)所施加的(de)(de)力(li) n:拉(la)重物(wu)的(de)(de)繩子的(de)(de)段數。