动滑轮的机械效率（初中物理滑轮教学视频）

动滑轮的机械效率(初中物理滑轮教学视频)

滑轮是一个周围有凹槽的小轮子，可以绕轴旋转。能绕中心轴旋转的简单机器，由能绕中心轴旋转的带槽圆盘和绳索、胶带、钢索、链条等组成。穿过圆盘的，叫做滑轮。

如下图所示，是一个等臂杆。如果在它的上下加一个半圆形的板，在支点处装一根轴使它能转动，这就是滑轮。

滑轮的杆-杆模型

所以滑轮的本质是一个可旋转的杠杆。杠杆的平衡条件也适用于滑轮。

滑轮有三种:天车:在转动过程中，它的轴是固定的，或者位置不变。动滑轮:在转动的过程中，它的轴可以随着物体移动，或者轴的位置不断变化。滑轮组:两个以上滑轮的组合。

天车的特点:如图，根据杠杆原理:不考虑摩擦力，F1l1=F2l2，因为L1=L2，所以F1=F2，天车的本质是等臂杠杆，使用天车不省力但是可以改变动力的方向。

天车的杠杆模型

动滑轮的特点:如下图所示，不考虑动滑轮的重量和摩擦力，根据杠杆原理分析:F1l1=F2l2，因为L1=2L2，所以动滑轮的本质是动力臂是两倍于阻力臂的省力杠杆。使用动滑轮可以节省一半的力量，但不能改变力量的方向。动滑轮的支点发生变化。如果只忽略轴间的摩擦力，拉力F= (G物体+G运动)/2。

动滑轮的杆模型

滑轮组的特点:使用滑轮组可以省力，有时还可以改变动力的方向。不考虑轴间摩擦力和移动滑轮的重力，拉力f = g/n .如果只忽略轴间摩擦力，拉力F= (G +G)/n。

滑轮组是由几个天车和动滑轮组合而成，既省力又能改变力的方向。在使用中，省力的多少决定了绳子的缠绕方式。

代表性滑轮组

原理:当n为奇数时，绳驱动滑轮为起点。当使用动滑轮时，有三段绳索，然后每增加一个动滑轮增加两段绳索。如果n=5，则需要两个移动滑轮(3+2)。当n为偶数时，绳索从天车开始，所有移动滑轮只由两根绳索承担。如果n=4，则需要两个移动滑轮(2+2)。

根据要求确定天车数量的原则是:一般两根绳索配一个动滑轮，一个动滑轮一般配一个天车。当不需要改变力的方向时，偶数绳可以减少一个天车；为了改变力的方向，应该增加一个天车。

滑轮组的设计原则可以概括为:奇动偶定；匹配某个运动，减去某个偶数，加上某个方向。

在以上知识的基础上，我们可以讨论滑轮省力的物理原理。对于天车来说，以上讨论的是理想的机器。实际使用天车时，要考虑转轴的摩擦力和绳索与滑轮之间的摩擦力。所以用天车是不能省力的，本文不讨论。

滑轮组的省力原理和动滑轮一样，只是动滑轮的数量不同。因此，本文不讨论滑轮组，只讨论典型的滑轮——动滑轮。

首先可以用杠杆原理来分析动滑轮的省力原理。

如果是理想的动滑轮，不考虑动滑轮的重量和摩擦力，根据杠杆原理分析，动力臂是阻力臂的两倍，使用动滑轮可以节省一半的力。有了动滑轮，动力运动的距离就大于重物。

其次，从静平衡的角度分析了动滑轮的省力原理。

不考虑摩擦力，当动滑轮在垂直方向静止或匀速直线运动时，动滑轮受四个静力平衡，即自身重量(G运动)、一个重物对动滑轮的拉力(等于一个物体G的重量)、两根绳子对动滑轮的拉力F。由于在不考虑摩擦力的情况下，两根绳子对运动滑轮的拉力F相等，所以有一个平衡方程:2 F= G物体+G运动，推拉力F= (G物体+G运动)/2。

g相对g小，所以f小于g，也就是移动滑轮省力。

再次，从机械工作原理的角度探讨了动滑轮的省力原理。

机械做功原理:你用任何机械都省不了功。理解它在下列情况下的含义:

1.当你完成一件事时，所做的功是一个固定值，不管你采用什么方法。不可避免的省力和费时；势必费力又省距离。

2.不考虑摩擦力和机械自重:人力F举升东西所做的功等于机械举升所做的功。

3.不考虑摩擦力和机械自重:功率F所做的功等于阻力所做的功。

4.如果考虑摩擦力和机器G的自重(实际机器):动力F所做的功等于机器克服所有阻力所做的功。

5.如果考虑机械的摩擦力和自重G运动(即实际机械):使用机械不仅可以省力，还可以做一些额外的工作。

因此，对于理想机器，W=FS=Gh，由于S=2h，F=G/2。这就是动滑轮省力一半的原理。

如果忽略摩擦力，只考虑机器自重，则FS=Gh+G运动h，由于S=2h，F= (G物体+G运动)/2。G相对G小，移动滑轮还是比较省力的。

如果考虑摩擦力和机器自重，G-motion(实际机器):功率所做的功等于机器克服所有阻力所做的功。此时η= Gh/FS，因为S=2h，所以F=G/2η，η为机械效率，始终小于1，即动滑轮仍然省力。

特别提醒:不是所有的动滑轮都能省力。下图，右边的动滑轮费力。