滑轮,乃是带槽之小轮,周缘转动的装置。其构造由可绕中心轴旋转的圆盘上带有沟槽,以及跨越此圆盘的绳、胶带、钢索、链条等组成。此等构造能绕着中心轴旋转,实为简单机械之一。
如图所示,若在上方及下方加设半圆板,并在支点处安装轴使其可转动,便构成了滑轮。其本质,可视为可转动的杠杆。
关于滑轮的杆杆模型,此处不再赘述。
滑轮分为定滑轮、动滑轮及滑轮组三类。
定滑轮的特点是不计摩擦时,其轴固定不动,动力与阻力相等,实质上为等臂杠杆。虽不能省力,但可改变动力的方向。
对于定滑轮的杆杆模型,亦无需多言。
动滑轮的特性则在于,若不计动滑轮的自重和摩擦,其动力臂为阻力臂的两倍,因此为省力杠杆。使用动滑轮能省下一半的力量,但动力的移动距离将大于重物的移动距离。且动滑轮的支点会发生变化。
关于动滑轮的杆杆模型,同样不作详述。
滑轮组则能结合省力与改变动力方向的优势。在不计轮轴间的摩擦及动滑轮自重的情况下,拉力等于重物的重量除以绳索的段数。其组成,通常是由若干定滑轮与动滑轮组合而成。
设计滑轮组的原则可归纳为:奇数段绳子配动滑轮,偶数段绳子则减少定滑轮的使用;当需要改变力的作用方向时,则增加定滑轮的数量。
基于以上知识,我们可以深入探讨滑轮的省力原理。
对于理想的动滑轮,利用杠杆原理分析可知,若不计重物和摩擦,动滑轮的动力臂为阻力臂的两倍,从而能达到省力的效果。
从静力平衡的角度来看,动滑轮在竖直方向静止或作匀速直线运动时,受到平衡的静力包括自重、重物拉力及两股绳子拉力。由于不计摩擦,这两股绳子的拉力是相等的,从而得出省力的结论。
再从机械功原理的角度来看,任何机械都不能省功。但这仅限于考虑摩擦和机械自重的情况下。在理想状态下,使用动滑轮可以省下一半的力量。
在我国古代,《墨经》中已有对滑轮的记载。而阿基米德及希罗等科学家也对滑轮的理论及运动学理论有过详细的解释和应用。
滑轮作为杠杆类简单机械的一种,其应用广泛。在起重机、卷扬机、升降机等机械设备中都可以见到它的身影。工厂中常用的差动滑轮也是一种滑轮组的应用。
提醒大家注意的是,并非所有看似是动滑轮的装置都能达到省力的效果。在图中右边的动滑轮装置实际上是一个费力的装置。
滑轮的历史悠久,理论丰富,应用广泛。它是我们生活和工作中不可或缺的一部分。