物理力學(xué)解析滑輪的轉(zhuǎn)動

摘 要：如果，我們從物理力學(xué)角度來解決和分析滑輪問題的話，我們不難發(fā)現(xiàn)，在滑輪問題中，其實繩子的張力并沒有去直接的作用到滑輪上。在進(jìn)行實驗的過程中，通過我們對于定滑輪和動滑輪之間的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，繩子的張力本身，是通過滑輪之間的轉(zhuǎn)換，將原動力轉(zhuǎn)換為摩擦力或者說支撐力。以此來間接的對滑輪產(chǎn)生一定的力學(xué)作用，可以說，在整體的滑輪轉(zhuǎn)動過程中，摩擦力和支撐力起到了非常重要的作用。其關(guān)于物理力學(xué)本身的概念和原理，也是圍繞著此基礎(chǔ)上來進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：物理力學(xué)；解析；滑輪的轉(zhuǎn)動

當(dāng)我們進(jìn)行剛體力學(xué)研究的時候，我們時常會遇到類似于滑輪的問題。那么，通過我們對滑輪轉(zhuǎn)動的分析與研究可以發(fā)現(xiàn)，繩子的張力，是讓滑輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的主要原因。而且，這一點也是被現(xiàn)在的主流教材以及當(dāng)下物理學(xué)研究者所公認(rèn)的事實。當(dāng)然，按照這一觀點來進(jìn)行分析和研究的話，的確所得出的結(jié)果也是正確的，只不過，在對于此問題的認(rèn)識和理解上，單單依靠上述概念來進(jìn)行判斷的話，難免還是存在著一定的不足。對于滑輪的轉(zhuǎn)動而言，其本身主要是靠著摩擦力來進(jìn)行運作，并不是傳統(tǒng)中我們所認(rèn)為的繩張力，如果無法清晰的去認(rèn)識到這一問題，那么在對于問題的認(rèn)知上就會存在著一定程度的錯誤。故而，本文以物理力學(xué)為基礎(chǔ)，淺析從物理力學(xué)的角度來對于滑輪的轉(zhuǎn)動進(jìn)行分析和研究。

一、對于滑輪轉(zhuǎn)動的傳統(tǒng)概念

滑輪在發(fā)明的時候，其主要的目的是為了能夠幫助提升重物時進(jìn)行省力的工具，其本質(zhì)原理是一項簡單的器械。那么，滑輪本身可以說是由物體周邊槽溝，并且能夠繞著內(nèi)軸轉(zhuǎn)動的小輪組成，期間，可以由繞著中心軸轉(zhuǎn)動的溝槽圓盤和圓盤上的柔索、繩子、膠帶、鋼索等物品所組成能夠繞著中心軸開始旋轉(zhuǎn)的簡單機(jī)械，這樣的機(jī)械，我們就可以將其稱之為滑輪。

而在傳統(tǒng)的力學(xué)概念中，典型的滑輪，其本身就是以繞著中心軸來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的圓輪式機(jī)械，并且，在這一圓輪的四周圍，是具有著一定的凹槽，在凹槽之上，可以將繩索等工具用其纏繞，以此，來以繩索和原輪之間所產(chǎn)生的摩擦力，幫助圓輪開始正式朝著中心軸旋轉(zhuǎn)。滑輪本身意義是能夠變形，能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)動的杠桿，而由多個滑輪共同組成的機(jī)械，我們則可以將其稱之為滑輪組，滑輪組的話，其本身所產(chǎn)生的機(jī)械利益較大，可以去牽拉拉拽一些比較大，重量比較重的負(fù)載物，并且，滑輪也可以變?yōu)殒渷磉M(jìn)行力的傳動或者帶傳動，將功率從一個旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)移到另一個旋轉(zhuǎn)軸上。

滑輪組本身分為了兩種，一種是定滑輪，一種是動滑輪，從它們的名字上我們就可以得知，動滑輪和定滑輪本身，動滑輪的中心軸是可以運動的，而定滑輪的中心軸則是固定不動的。只有將定滑輪和動滑輪兩者之間結(jié)合在一起，才能夠真正的去組成滑輪組。

二、定滑輪動滑輪的概念特點

（一）定滑輪的原理特點

想要真正的去了解定滑輪之前，首先我們要了解到在使用滑輪時，其本身所固定不動的滑輪，我們則可以稱之為定滑輪。而定滑輪本身的原理，我們則可以這樣去理解。定滑輪本身的實質(zhì)，相當(dāng)于一個等臂杠桿、動力臂L1、阻力臂L2等。這些，都等于滑輪半徑。而在此基礎(chǔ)上，根據(jù)著杠桿平衡條件，我們也可以從中得出定滑輪不省力和不節(jié)省距離的結(jié)論。所以，定滑輪本身的原理特點為固定不動，以杠桿平衡條件，來達(dá)到其作用力的目的。

（二）動滑輪的原理特點

對于動滑輪的原理特點，我們可以這樣去理解，在使用的過程中，軸體本身隨著物體去一起移動的滑輪，我們則可以將其稱之為動滑輪。動滑輪本身更像是一個省力的杠桿，假設(shè)O為杠桿的支點，那么滑輪的軸則就可以將其稱之為阻力本身的作用點，這樣的話，繩子對于動滑輪本身所產(chǎn)生的作用力是動力，而在提升重物的時候，如果兩邊的繩子都是以一種平行的狀態(tài)去運作，那么，動力臂和阻力臂分別會產(chǎn)生兩倍動力，而在對于動滑輪平行的時候，其本身的動力則為阻力的一半，所以，對于動滑輪而言，其本身的特點是使用動滑輪能夠省將近一般的力，但是，動滑輪本身的使用是非常費距離的，所以，使用動滑輪來進(jìn)行運作的話，雖然可以省下一部分的力氣，但是，動力所移動的距離則是需要加長將近兩倍。

三、解析滑輪的轉(zhuǎn)動

如果想要真正的去驗證這一結(jié)果的話，那么我們可以用實驗的方式來進(jìn)行驗證。假設(shè)，在進(jìn)行滑輪實驗的過程中，通過對于滑輪本身的運作和使用，我們可以看到，在滑輪本身勻速上升的時間段里，導(dǎo)致滑輪能夠勻速轉(zhuǎn)動的原因，正是摩擦力據(jù)、繩子對于滑輪本身的支撐力矩和重力矩三者之間共同作用的結(jié)果。

之前有相關(guān)的研究表明，由于只是存在著摩擦力矩，所以，摩擦力據(jù)對于定滑輪的轉(zhuǎn)動而言，是所起到的唯一作用和原因，而對于所謂定滑輪只能是輕繩和滑輪質(zhì)量為零，如果原理是這樣的話，滑輪也不可能將其稱之為滑輪。

在非常多的實驗過程中，我們都可以得出一個結(jié)論，那就是在滑輪的問題上，繩子的張力其本身是并沒有直接的去作用到滑輪上，對于滑輪而言，導(dǎo)致其之所以能夠去轉(zhuǎn)動的原因，更多的，是摩擦力據(jù)單獨作用下的結(jié)果。所以，有時候當(dāng)摩擦力矩和其他的力矩能夠達(dá)到平衡滑輪靠慣性本身去轉(zhuǎn)動，而有時摩擦力矩和其他力矩的合力下，則可以幫助滑輪去加速轉(zhuǎn)動。繩子的張力本身，是通過轉(zhuǎn)化摩擦力據(jù)和支撐力矩之后，在兩種力矩的共同合力下所間接起到的作用，但在大多數(shù)的實踐，我們總是可以去用繩子兩端的張力來進(jìn)行計算。

四、結(jié)語

從物理力學(xué)的角度上而言，對于滑輪轉(zhuǎn)動本身的概念，可以說傳統(tǒng)的理解方法和理念上是存在著一定的問題和誤區(qū)。那么，對于之前教材中所出現(xiàn)的問題和不足，可以在剛體轉(zhuǎn)動的這一部分進(jìn)行標(biāo)注和注釋，或者用例題的方式來進(jìn)行補充，這樣的話，可以盡可能的去避免學(xué)習(xí)者產(chǎn)生認(rèn)識上的誤解。

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作者簡介：姜涵寶（2000-），男，漢族，河北保定定興縣北田鄉(xiāng)尤旺村人，就讀于河北定興第三中學(xué)。