简单机械 · MachineLab
没有实验器材,就在真实的生活场景里做:建筑工地上用撬棍撬石块、在脚手架上用滑轮组吊砖、沿跳板把木箱拉上货车、看塔吊的力矩限制器;古代农家院里用辘轳打水、桔槔提水、杆秤称米。拉力计、吊秤实时读数,叠加画出力与力臂,算出机械效率。
章节内容
杠杆平衡条件
工人用一根撬棍就能撬起几百千克的石块。撬棍绕着垫块转动,垫块就是支点 O。往下拖动把手上的拉力计,把石块撬起来。
使杠杆转动的力是动力 F₁,阻碍转动的力是阻力 F₂(石块压在撬棍尖上的力,约为石块重力的一半——石块绕另一侧的底边转动)。力臂是支点到力的作用线的距离,不是到作用点的距离。
F₁ × L₁ = F₂ × L₂
把支点挪近石块、手握得远一些,动力臂变长、阻力臂变短,就更省力。换成“斜着用力”看看:力的大小没变,力臂变短了,于是要更大的力。一个人最多能使出约 600 N 的力,力不够时撬棍纹丝不动。
杠杆的分类
按动力臂和阻力臂的长短,杠杆分三类:
省力杠杆(L₁ > L₂):省力,但费距离。独轮车的车轮是支点,砂子的重力是阻力,手抬把手。砂子装得越靠近车轮,阻力臂越短,越省力。
费力杠杆(L₁ < L₂):费力,但省距离。随车吊的起重臂绕根部转动,液压缸顶在离根部很近的地方——要用比钢管重得多的推力,可液压缸只伸长一点点,吊钩就升高很多。
等臂杠杆(L₁ = L₂):既不省力也不费力,例如天平。杆秤则靠移动秤砣改变力臂:拖动秤砣,让秤杆水平,读出秤星上的数。
定滑轮与动滑轮
轴固定不动的滑轮叫定滑轮,轴跟着物体一起移动的叫动滑轮。拖动绳端的拉力计把一桶砖吊起来,吊秤显示物体的质量,拉力计显示绳端的拉力。
定滑轮:F = G,绳端移动的距离 s = h。不省力,但能改变力的方向——往下拉就能把砖吊上去。改变拉绳的方向,拉力不变。
动滑轮:两段绳子一起向上拉动滑轮,
F = (G + G动) / 2 s = 2h
省一半的力,却要多拉一倍的绳子。定滑轮实质是等臂杠杆,动滑轮是动力臂为阻力臂 2 倍的省力杠杆。
滑轮组
把定滑轮和动滑轮组合起来,既能省力,又能改变力的方向。数一数直接连在动滑轮上的绳子有几段(画面上逐段标了号),就是 n。
F = (G + G动) / n s = n h
n 为偶数时,绳头系在定滑轮上;n 为奇数时,绳头系在动滑轮上。绳端最后绕过的那个定滑轮只改变方向,不承担物重——试试“向上拉 / 向下拉”,n 不变,拉力也不变。
n 越大越省力,但要拉的绳子也越长:省力必然费距离。
斜面
直接把 100 kg 的木箱抬上 1.2 m 高的车厢要用 1000 N 的力。搭一块跳板,沿着板拉上去,就省力多了。拖动拉力计,沿跳板拉动木箱。
不计摩擦时,拉力做的功等于直接提升做的功:
F L = G h → F = G h / L
跳板越长、坡越缓,越省力,但要走的路也越长。实际上还要克服摩擦,拉力更大:
F = G h / L + f
换一种板面:钢板比粗木板滑,垫上滚杠把滑动变成滚动,摩擦更小。盘山公路、楼梯、螺丝钉的螺纹都是斜面。
轮轴
辘轳是古人打水的工具:井口架一根木轴,绳子缠在轴上,轴的一端装摇把。绕着轴拖动摇把,绳子一圈圈缠上去,水桶就升起来了。
摇把转一圈画出的圆就是“轮”,轮和轴绕同一条轴线转动,是一个连续转动的杠杆:支点在轴心,动力臂是轮半径 R,阻力臂是轴半径 r。
F × R = G × r
R 越大、r 越小越省力,但手要转过更长的路:桶升高 h 时,手走过 h × R / r。门把手、方向盘、扳手、螺丝刀都是轮轴。
机械效率
我们需要的是把物体举高:有用功 W有 = G h。拉力实际做的是总功 W总 = F s。多出来的额外功花在提升动滑轮、克服摩擦上。
η = W有 / W总 × 100%
额外功总是存在,所以 η 总小于 100%。把物体匀速拉到顶后按记录数据,改变条件再做几次,看表格和 η–G 曲线:
· 同一个滑轮组,物体越重,η 越高(额外功几乎不变,有用功占比变大)。· 动滑轮越重、摩擦越大,η 越低。· 斜面越光滑,η 越高;坡越陡,η 也越高。
生活中的机械
塔吊:起重臂和平衡臂架在塔身顶上,像一根巨大的杠杆,平衡臂上的配重块平衡吊物的力矩。变幅小车走得越远,吊物的力臂越长,能吊的就越少——驾驶室里的力矩限制器按“起重量 × 幅度”算,超载就报警、不让起吊或往外走。吊钩是一组滑轮组:4 倍率时钢丝绳拉力只有吊物重力的 1/4,最大起重量也是 2 倍率的两倍。拖动变幅小车试试。
桔槔:两千多年前的打水工具。木杆架在桩上,一头挂水桶,一头绑石块。往下拉绳放下空桶,满桶靠石块的重力帮着提上来。拖动绳子打一桶水,比较放桶和提桶各要多大的力,找出最合适的配重。
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