機械效率及其影響

石浩宇

摘 要：機械效率，是一個機械系統的輸出功與其輸入功的百分比，即有用功和總功的比值。關于機械效率的討論，中學物理中就有很多的涉及。而隨著工業化成為現代社會的常態，生活中的很多環節都與機器機械息息相關。本文就中學物理的滑輪組、杠桿傳動為切入點，初步討論了機械效率的相關知識，同時探究了如何提高簡單機械結構的效率，及機械效率的提高對我們生活的影響。

關鍵詞：機械效率；滑輪組；斜面效率；機械效率的提升

一、機械效率

機械效率作為中學物理中非常具有實用性的知識點，在人們的日常生活中有著廣泛的應用。從人類歷史伊始，人們的進步就一直與對物理規律的了解與應用息息相關。進入近現代之后，伴隨著動力的革新，人類對各種機械的發明與應用產生了爆發性的增長，既在一定程度上推動了社會的發展，促進了現代人們文明程度的極大提升。同時，由于對化石燃料的消耗，隨之而來的污染問題也成為人們面臨的一大挑戰。

實際上，現實的復雜機械都是由簡單的機械結構組合而成，通過更合理的利用物理知識，提高機械效率，可以在很大程度上節約能源，減少污染。

比如我們日常生活中接觸最頻繁的汽車發動機，其實際的機械效率往往維持在22%-27%之間，雖然受限于現在的技術，但不難看出，如果能夠將汽油發動機的機械效率進一步提高，那我們面對的尾氣污染將能夠大大降低。

而我們人類目前常用的機械，其效率都存在著不同程度的提升空間。因此，對機械效率的探究，是一個很有意義也很有作為的方向，非常值得我們去為之努力。

二、機械效率的表達

機械的使用過程中，最常用到的三個概念即總功（W總）、有用功（W有）和額外功（W額）。

用η表示機械效率，則有：

同時W額=W總-W有，這是在機械效率的計算中最常用到的公式，可以看到機械效率總是小于1的。

而在我們日常生活中，很多的機械都是在接受輸入功的同時完成機械設定的任務（即輸出功），輸入與輸出的快慢也能夠相互的適應。

所以，在日常狀態下，機械效率的定義可延伸為：輸出功率與輸入功率的比值，即：

三、幾種簡單機械的討論

（一）滑輪組

滑輪組是我們中學物理中接觸非常多的一類機械組合，同樣是人們使用非常早的一類機械結構，很大程度上影響了人們的技術發展，即使現代科技環境下，滑輪的概念依然是機械設計中的基礎之一。

滑輪是一種由可繞中心軸轉動的、通常有溝槽的圓盤和跨過這個圓盤的柔索（常用的有繩、鋼索、鏈條等）所組成的可以繞著中心軸轉動的簡單機械。

而滑輪組就是由多個動滑輪、定滑輪組合而成的一種非常簡單的機械，通過組合既可以實現省力又可以改變用力的方向。

所以，如圖對于一個滑輪組而言，其滑輪組的有用功W有=Gh，額外功即克服動滑輪自重，繩重和摩擦力所做的功W額=W總-W有。

在不計繩重、摩擦力的情況下，W額=G動h為動滑輪重力。此時總功W總=Fs。

則此滑輪組的機械效率可表示為：

其中，G為物體所受重力，h為物體被拉升的高度，F為拉力的大小，s為繩子上升的高度。

綜上，可以看到滑輪組的機械效率的影響因素主要包括物重、滑輪重、繩重和摩擦。最主要的當然是物重，當額外條件不變的情況下物重越大，機械效率就越高。

其次，額外功的產生與動滑輪自重及繩重和摩擦有關，當物體重力一定時，動滑輪越重，則機械效率越低，實際生活中提高效率應當減小動滑輪重量、減小摩擦。

（二）斜面效率

機械效率是可以反映機械性能的優劣的重要標準之一。通過上文可知W總=W額+W有，對一個機械來說有用功只占總功的一部分。可見，對總功的利用率越高，機械的性能越好。

斜面是最簡單的一種機械，通過一個斜面可以更加輕松將重物升高，對于斜面的機械效率的計算，有：

斜面機械效率公式為：

其中，G是物體重量，h為此斜面豎直方向距地面的高度，F為拉力，s為斜面的長度。

如上圖所示受力分析：設為斜面傾角，為滑動摩擦系數。在勻速拉動的情況下有將物體重力垂直分解為垂直于斜面的力和平行于斜面的力，則：

四、機械效率的提升

在日常生活的機械的實際應用中，我們所面對的是更加復雜的限制條件，很多機械結構的效率其實都是相對比較低的。在一定程度上對某一機械結構效率的提升，都具有非常廣大的影響意義。無論在經濟、能源還是環保領域，對提高機械效率，更充分利用資源，都是一種迫切的需求。

其實提升機械效率從本質上來說就是最大程度的降低額外功，提高有用功與總功的比例。提高機械效率，其實就是對各組成部分機械效率的優化。

仍以滑輪組為例，當用滑輪組以勻速豎直提升重物時，同時減小滑輪和繩子的重力以及滑輪組上的摩擦力，可顯著提高滑輪組的機械效率。對機械效率的提升，就是在各個環節上減少額外功的消耗。

五、結語

通過本文的討論可知，機械效率的提高，對我們現代人類生活的影響可謂顯而易見。在一定程度上提高各環節機械效率，不僅可以調高經濟效率，更能夠節約資源，進一步的改善對環境造成的污染。可以看到，對物理的學習在未來的學習生活中都有著很大的意義，值得我們更進一步的去研究與探索。