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簡介

在力學里(li)，典型的(de)滑(hua)輪（pulley）是(shi)可以(yi)繞(rao)著中心軸(zhou)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)的(de)圓(yuan)(yuan)輪。在圓(yuan)(yuan)輪的(de)圓(yuan)(yuan)周面具有凹(ao)槽(cao)，將繩索(suo)纏繞(rao)于(yu)凹(ao)槽(cao)，用力牽(qian)拉繩索(suo)兩端的(de)任一(yi)端，則繩索(suo)與圓(yuan)(yuan)輪之間的(de)摩擦力會促使圓(yuan)(yuan)輪繞(rao)著中心軸(zhou)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)。滑(hua)輪實(shi)際上(shang)是(shi)變(bian)形的(de)、能轉(zhuan)(zhuan)動的(de)杠桿。滑(hua)輪主要的(de)功能是(shi)牽(qian)拉負載、改變(bian)施(shi)力方向、傳輸功率等(deng)等(deng)。多(duo)個(ge)(ge)滑(hua)輪共同組成的(de)機械(xie)稱為(wei)“滑(hua)輪組”，或(huo)(huo)“復式滑(hua)輪”。滑(hua)輪組的(de)機械(xie)利益較(jiao)大，可以(yi)牽(qian)拉較(jiao)重(zhong)的(de)負載。滑(hua)輪也可以(yi)成為(wei)鏈傳動或(huo)(huo)帶傳動的(de)組件(jian)，將功率從一(yi)個(ge)(ge)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)軸(zhou)傳輸到(dao)另(ling)一(yi)個(ge)(ge)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)軸(zhou)。

按滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)中心軸的(de)(de)位置是(shi)否移(yi)動(dong)(dong)，可(ke)將(jiang)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)分為“定(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)”、“動(dong)(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)”；定(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)的(de)(de)中心軸固定(ding)不動(dong)(dong)，動(dong)(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)的(de)(de)中心軸可(ke)以移(yi)動(dong)(dong)，各(ge)有各(ge)的(de)(de)優勢和劣勢。而(er)將(jiang)定(ding)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)和動(dong)(dong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)組裝在(zai)一起可(ke)構成滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)組，滑(hua)(hua)(hua)(hua)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)組不但(dan)省力而(er)且還可(ke)以改變力的(de)(de)方向(xiang)。

滑輪(lun)在初中(zhong)物(wu)理(li)教(jiao)材中(zhong)以(yi)知識點的形(xing)式(shi)出現，要求對力的方向、繩端移動(dong)距離、做功情況(kuang)等問(wen)題作(zuo)出解答。

基本信息

分類、數目

定滑輪(lun)(lun)、動滑輪(lun)(lun)、滑輪(lun)(lun)組（或(huo)分為單滑輪(lun)(lun)、雙滑輪(lun)(lun)、三(san)滑輪(lun)(lun)、四(si)滑輪(lun)(lun)以至(zhi)多輪(lun)(lun)等多種）。

材質

木(mu)滑輪、鋼滑輪和工程塑(su)料滑輪，可根(gen)據實際使用要求(qiu)有各種材質。

作用

牽拉負(fu)載、改變施力方(fang)向、傳輸功率等。

連接方法

吊鉤式(shi)(shi)(shi)、鏈環式(shi)(shi)(shi)、輪材式(shi)(shi)(shi)、吊環式(shi)(shi)(shi)和(he)吊鏈式(shi)(shi)(shi)，斜拉式(shi)(shi)(shi)等。

尺寸和材料

承受載荷(he)不大的小(xiao)尺寸滑(hua)輪(lun)(D<350mm)一般制成實體(ti)的滑(hua)輪(lun)，采用(yong)15、Q235或鑄鐵(如HT200)。

受大載荷的(de)滑(hua)輪一般(ban)采用球鐵或(huo)鑄(zhu)鋼(gang)(如(ru)ZG270-500)，鑄(zhu)成帶筋和孔或(huo)帶輪輻的(de)結構

大(da)型(xing)(xing)滑輪(lun)(D>800mm)一般用(yong)型(xing)(xing)鋼和鋼板焊接(jie)結構。

歷史

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(zao)出現于漢代的(de)畫像磚(zhuan)、陶井模。在《墨經》里也有(you)記載關(guan)于滑(hua)輪的(de)論述。

古希(xi)(xi)臘(la)人(ren)將滑(hua)(hua)輪(lun)歸類為簡(jian)(jian)單機(ji)械(xie)。早在(zai)(zai)西元(yuan)前400年，古希(xi)(xi)臘(la)人(ren)就(jiu)已經知道如何使用復式(shi)(shi)滑(hua)(hua)輪(lun)了。大(da)約在(zai)(zai)西元(yuan)前330年，亞里士多德(de)在(zai)(zai)著作《機(ji)械(xie)問題(ti)》（《Mechanical Problems》）里的(de)(de)(de)(de)第(di)十八(ba)個問題(ti)，專門研討“復式(shi)(shi)滑(hua)(hua)輪(lun)”系(xi)統阿(a)基米(mi)德(de)貢獻(xian)出(chu)很多關于(yu)簡(jian)(jian)單機(ji)械(xie)的(de)(de)(de)(de)知識，詳細地解釋滑(hua)(hua)輪(lun)的(de)(de)(de)(de)運(yun)動(dong)學理論。據說阿(a)基米(mi)德(de)曾經獨自使用復式(shi)(shi)滑(hua)(hua)輪(lun)拉動(dong)一艘裝滿了貨(huo)物與乘(cheng)客的(de)(de)(de)(de)大(da)海(hai)船，西元(yuan)一世紀，亞歷(li)山卓的(de)(de)(de)(de)希(xi)(xi)羅分析并且寫出(chu)關于(yu)復式(shi)(shi)滑(hua)(hua)輪(lun)的(de)(de)(de)(de)理論，證明了負載與施力的(de)(de)(de)(de)比例等于(yu)承擔負載的(de)(de)(de)(de)繩(sheng)索段的(de)(de)(de)(de)數目(mu)，即“滑(hua)(hua)輪(lun)原理”。

1608年，在著(zhu)作(zuo)《數學(xue)紀要》（《Mathematical Collection》）里(li)，荷蘭(lan)物理學(xue)者西蒙·斯特芬表明(ming)，滑(hua)輪系統的施(shi)力(li)與負載之(zhi)間(jian)移動路徑的長度比率，等于(yu)施(shi)力(li)與負載之(zhi)間(jian)的反(fan)比率。這是雛型的虛功原理。

1788年，法國物理(li)學者約瑟夫·拉格朗(lang)日在巨著《分析力(li)學》（《Mécanique analytique》）里，使(shi)用滑(hua)輪原理(li)推(tui)導(dao)出虛功原理(li)，從而揭起了拉格朗(lang)日力(li)學的(de)序幕。

定滑輪

定義

使用滑輪時，軸的位(wei)置(zhi)固(gu)定不動的滑輪稱之為定滑輪。

原理

使用(yong)時，滑輪的位置固定(ding)不變(bian)；定(ding)滑輪實質(zhi)是等臂(bei)杠(gang)桿(gan)，不省力(li)(li)(li)(li)(li)(li)也(ye)不費(fei)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)，但可以改變(bian)作(zuo)用(yong)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)方向(xiang).杠(gang)桿(gan)的動力(li)(li)(li)(li)(li)(li)臂(bei)和阻力(li)(li)(li)(li)(li)(li)臂(bei)分別是滑輪的半(ban)徑(jing)，由于(yu)半(ban)徑(jing)相等，所以動力(li)(li)(li)(li)(li)(li)臂(bei)等于(yu)阻力(li)(li)(li)(li)(li)(li)臂(bei)，杠(gang)桿(gan)既不省力(li)(li)(li)(li)(li)(li)也(ye)不費(fei)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)。利用(yong)杠(gang)桿(gan)原理，用(yong)公(gong)式推導就(jiu)是（F是拉(la)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)，G是物(wu)體的重力(li)(li)(li)(li)(li)(li)，L1L2在圖(tu)中有）：

特點

定滑(hua)輪(lun)(lun)不能省力(li)，而且(qie)在繩重及繩與輪(lun)(lun)之間(jian)的(de)(de)(de)摩擦不計的(de)(de)(de)情況下，細繩的(de)(de)(de)受力(li)方向無(wu)論(lun)向何處，吊(diao)起(qi)重物所用的(de)(de)(de)力(li)都相(xiang)等，因為動(dong)力(li)臂(bei)和阻力(li)臂(bei)都相(xiang)等且(qie)等于滑(hua)輪(lun)(lun)的(de)(de)(de)半(ban)徑。

動滑輪

定義

定義1：使用滑輪時，軸的位置(zhi)隨被拉物體一起運動的滑輪稱為動滑輪。

定(ding)義2：若將(jiang)重(zhong)物直(zhi)接(jie)掛在滑(hua)輪上，在提升重(zhong)物時滑(hua)輪也一起上升，這樣的(de)滑(hua)輪叫動滑(hua)輪.

原理

動滑(hua)輪(lun)省1/2力(li)(li)(li)多(duo)費1倍距離，這是(shi)因為使用動滑(hua)輪(lun)時，鉤(gou)碼由兩段(duan)繩(sheng)子吊(diao)著，每段(duan)繩(sheng)子只承擔鉤(gou)碼重的一(yi)半(ban)，而且不能改變(bian)力(li)(li)(li)的方向。實質(zhi)是(shi)個動力(li)(li)(li)臂（L1）為阻力(li)(li)(li)臂（L2）二倍的杠桿(gan)：圖中，O是(shi)支點，F1是(shi)提升物體的動力(li)(li)(li)，F2是(shi)物體的重力(li)(li)(li)（也(ye)可(ke)理解為不用機械時提升物體用的力(li)(li)(li)），我(wo)們有(l1是(shi)動力(li)(li)(li)臂，l2是(shi)阻力(li)(li)(li)臂）：

根據任(ren)何機(ji)械都不(bu)(bu)省功的(de)原理，我們有(you)（s1是繩(sheng)子自由端(duan)移(yi)動(dong)的(de)距離，s2是物體(ti)移(yi)動(dong)的(de)距離，也可理解為不(bu)(bu)用機(ji)械時物體(ti)提(ti)升的(de)距離）：

注意

動滑(hua)輪省1/2力(li)(li)多費1倍距離，而且僅限(xian)于豎直(zhi)向上用力(li)(li)時(shi)，用力(li)(li)傾斜的角(jiao)度越大，用的力(li)(li)越多。而且使用動滑(hua)輪時(shi)滑(hua)輪的重量對用的力(li)(li)也有(you)影響(xiang)。不忽(hu)略滑(hua)輪重力(li)(li)且豎直(zhi)向上用力(li)(li)時(shi)，我(wo)們(men)有(you)：F=（G輪+G物）/2

滑輪組

定義

滑(hua)輪組：由定滑(hua)輪和動滑(hua)輪組成的滑(hua)輪裝置。既(ji)省力(li)又可改變(bian)力(li)的方向.

但不可以省(sheng)(sheng)功，因為(wei)滑輪(lun)組(zu)省(sheng)(sheng)了力，但費了距(ju)離。為(wei)了既節省(sheng)(sheng)又能改變(bian)動力的方向，可以把定滑輪(lun)和動滑輪(lun)組(zu)合成(cheng)滑輪(lun)組(zu)。

繞繩方法

滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)組(zu)是(shi)由(you)若干個定(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)和動(dong)(dong)(dong)(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)匹(pi)配而成，可(ke)以達到既省(sheng)力(li)(li)又改變力(li)(li)作用(yong)方向的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)。使用(yong)中，省(sheng)力(li)(li)多少(shao)和繩(sheng)(sheng)子(zi)的(de)(de)(de)(de)繞法，決定(ding)(ding)于滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)組(zu)的(de)(de)(de)(de)使用(yong)效(xiao)果(guo)。繞繩(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)原則是(shi)：當(dang)定(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)和動(dong)(dong)(dong)(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)數量相等時，繩(sheng)(sheng)子(zi)的(de)(de)(de)(de)自由(you)端可(ke)以從(cong)動(dong)(dong)(dong)(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)出(chu)來(lai)，也可(ke)以從(cong)定(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)出(chu)來(lai)，而且從(cong)定(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)出(chu)來(lai)時，繩(sheng)(sheng)子(zi)的(de)(de)(de)(de)固定(ding)(ding)端掛(gua)在定(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)上(shang)；從(cong)動(dong)(dong)(dong)(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)出(chu)來(lai)時，繩(sheng)(sheng)子(zi)的(de)(de)(de)(de)固定(ding)(ding)端掛(gua)在動(dong)(dong)(dong)(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)上(shang)。定(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)和動(dong)(dong)(dong)(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)數量差不(bu)會超過1。他們數量不(bu)相等時，繩(sheng)(sheng)子(zi)的(de)(de)(de)(de)自由(you)端從(cong)多的(de)(de)(de)(de)那(nei)一邊出(chu)來(lai)，繩(sheng)(sheng)子(zi)的(de)(de)(de)(de)固定(ding)(ding)端掛(gua)在少(shao)的(de)(de)(de)(de)那(nei)一邊。動(dong)(dong)(dong)(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)一定(ding)(ding)時，當(dang)繩(sheng)(sheng)子(zi)的(de)(de)(de)(de)固定(ding)(ding)端掛(gua)在動(dong)(dong)(dong)(dong)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)上(shang)時，滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)組(zu)要比繩(sheng)(sheng)子(zi)的(de)(de)(de)(de)固定(ding)(ding)端掛(gua)在定(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)(lun)時省(sheng)力(li)(li)（因為有更多段繩(sheng)(sheng)子(zi)承擔(dan)物(wu)重）。

設(she)n為(wei)承受物重的(de)(de)繩(sheng)子(zi)段數（如上面左邊的(de)(de)滑(hua)(hua)輪(lun)組n=5，右邊n=4），則n段繩(sheng)子(zi)能配(pei)n或n-1個滑(hua)(hua)輪(lun)，配(pei)n個輪(lun)子(zi)時，動滑(hua)(hua)輪(lun)和定(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)數量相等，且繩(sheng)子(zi)固(gu)定(ding)(ding)端在(zai)定(ding)(ding)滑(hua)(hua)輪(lun)上；配(pei)n-1個滑(hua)(hua)輪(lun)時，n為(wei)奇數，且繩(sheng)子(zi)固(gu)定(ding)(ding)端在(zai)動滑(hua)(hua)輪(lun)。

使用滑輪組時，重物(wu)有幾(ji)條繩索承受，提(ti)起物(wu)體所用的力就是物(wu)重的幾(ji)分之一(yi)。

特點

滑(hua)(hua)輪(lun)組(zu)(zu)(zu)用幾(ji)段繩(sheng)子吊著物(wu)(wu)(wu)體(ti)，提起物(wu)(wu)(wu)體(ti)所用的(de)(de)(de)力(li)(li)就是總重(zhong)的(de)(de)(de)幾(ji)分之一.繩(sheng)子的(de)(de)(de)自(zi)由端繞過動滑(hua)(hua)輪(lun)的(de)(de)(de)算一段，而繞過定滑(hua)(hua)輪(lun)的(de)(de)(de)就不(bu)算了(le)(le)。使用滑(hua)(hua)輪(lun)組(zu)(zu)(zu)雖然(ran)省(sheng)了(le)(le)力(li)(li)，但費(fei)了(le)(le)距離(li)，動力(li)(li)移(yi)動的(de)(de)(de)距離(li)大于重(zhong)物(wu)(wu)(wu)移(yi)動的(de)(de)(de)距離(li).費(fei)距離(li)的(de)(de)(de)多少主要看定滑(hua)(hua)輪(lun)的(de)(de)(de)饒繩(sheng)子的(de)(de)(de)段數(shu)，用滑(hua)(hua)輪(lun)組(zu)(zu)(zu)做實驗，很容易(yi)看出，使用滑(hua)(hua)輪(lun)組(zu)(zu)(zu)雖然(ran)省(sheng)了(le)(le)力(li)(li)，但是費(fei)了(le)(le)距離(li)——動力(li)(li)移(yi)動的(de)(de)(de)距離(li)大于貨(huo)物(wu)(wu)(wu)升高的(de)(de)(de)距離(li)。

關系

幾個關(guan)系（滑輪組(zu)豎(shu)直放置時，不算(suan)摩擦）：

其(qi)中 s是繩端移(yi)動的(de)距(ju)離，h是物體(ti)上升的(de)高(gao)度(du)，G1：物體(ti)重(zhong)力(li)(li)。G2：動滑輪(lun)的(de)重(zhong)力(li)(li)（注意(yi)，是動滑輪(lun)的(de)重(zhong)力(li)(li)，不是全部滑輪(lun)的(de)重(zhong)力(li)(li)）F：繩端所施加的(de)力(li)(li) n：拉重(zhong)物的(de)繩子的(de)段(duan)數。