簡介

在力學(xué)里，典型的滑輪（pulley）是可以繞著中心軸旋轉(zhuǎn)的圓輪。在圓輪的圓周面具有凹槽，將繩索纏繞于凹槽，用力牽拉繩索兩端的任一端，則繩索與圓輪之間的摩擦力會(huì)促使圓輪繞著中心軸旋轉(zhuǎn)。滑輪實(shí)際上是變形的、能轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿?；喼饕墓δ苁菭坷?fù)載、改變施力方向、傳輸功率等等。多個(gè)滑輪共同組成的機(jī)械稱為“滑輪組”，或“復(fù)式滑輪”。滑輪組的機(jī)械利益較大，可以牽拉較重的負(fù)載?；喴部梢猿蔀殒渹鲃?dòng)或帶傳動(dòng)的組件，將功率從一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸傳輸?shù)搅硪粋€(gè)旋轉(zhuǎn)軸。

按滑輪中心軸的位置是否移動(dòng)，可將滑輪分為“定滑輪”、“動(dòng)滑輪”；定滑輪的中心軸固定不動(dòng)，動(dòng)滑輪的中心軸可以移動(dòng)，各有各的優(yōu)勢和劣勢。而將定滑輪和動(dòng)滑輪組裝在一起可構(gòu)成滑輪組，滑輪組不但省力而且還可以改變力的方向。

滑輪在初中物理教材中以知識(shí)點(diǎn)的形式出現(xiàn)，要求對力的方向、繩端移動(dòng)距離、做功情況等問題作出解答。

基本信息

分類、數(shù)目

定滑輪、動(dòng)滑輪、滑輪組（或分為單滑輪、雙滑輪、三滑輪、四滑輪以至多輪等多種）。

材質(zhì)

木滑輪、鋼滑輪和工程塑料滑輪，可根據(jù)實(shí)際使用要求有各種材質(zhì)。

作用

牽拉負(fù)載、改變施力方向、傳輸功率等。

連接方法

吊鉤式、鏈環(huán)式、輪材式、吊環(huán)式和吊鏈?zhǔn)?，斜拉式等?/p>

尺寸和材料

承受載荷不大的小尺寸滑輪(D<350mm)一般制成實(shí)體的滑輪，采用15、Q235或鑄鐵(如HT200)。

受大載荷的滑輪一般采用球鐵或鑄鋼(如ZG270-500)，鑄成帶筋和孔或帶輪輻的結(jié)構(gòu)

大型滑輪(D>800mm)一般用型鋼和鋼板焊接結(jié)構(gòu)。

歷史

關(guān)于滑輪的繪品最早出現(xiàn)于一幅西元前八世紀(jì)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(huì)給出任何機(jī)械利益。在中國，滑輪裝置的繪制最早出現(xiàn)于漢代的畫像磚、陶井模。在《墨經(jīng)》里也有記載關(guān)于滑輪的論述。

古希臘人將滑輪歸類為簡單機(jī)械。早在西元前400年，古希臘人就已經(jīng)知道如何使用復(fù)式滑輪了。大約在西元前330年，亞里士多德在著作《機(jī)械問題》（《Mechanical Problems》）里的第十八個(gè)問題，專門研討“復(fù)式滑輪”系統(tǒng)阿基米德貢獻(xiàn)出很多關(guān)于簡單機(jī)械的知識(shí)，詳細(xì)地解釋滑輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論。據(jù)說阿基米德曾經(jīng)獨(dú)自使用復(fù)式滑輪拉動(dòng)一艘裝滿了貨物與乘客的大海船，西元一世紀(jì)，亞歷山卓的希羅分析并且寫出關(guān)于復(fù)式滑輪的理論，證明了負(fù)載與施力的比例等于承擔(dān)負(fù)載的繩索段的數(shù)目，即“滑輪原理”。

1608年，在著作《數(shù)學(xué)紀(jì)要》（《Mathematical Collection》）里，荷蘭物理學(xué)者西蒙·斯特芬表明，滑輪系統(tǒng)的施力與負(fù)載之間移動(dòng)路徑的長度比率，等于施力與負(fù)載之間的反比率。這是雛型的虛功原理。

1788年，法國物理學(xué)者約瑟夫·拉格朗日在巨著《分析力學(xué)》（《Mécanique analytique》）里，使用滑輪原理推導(dǎo)出虛功原理，從而揭起了拉格朗日力學(xué)的序幕。

定滑輪

定義

使用滑輪時(shí)，軸的位置固定不動(dòng)的滑輪稱之為定滑輪。

原理

使用時(shí)，滑輪的位置固定不變；定滑輪實(shí)質(zhì)是等臂杠桿，不省力也不費(fèi)力，但可以改變作用力方向.杠桿的動(dòng)力臂和阻力臂分別是滑輪的半徑，由于半徑相等，所以動(dòng)力臂等于阻力臂，杠桿既不省力也不費(fèi)力。利用杠桿原理，用公式推導(dǎo)就是（F是拉力，G是物體的重力，L1L2在圖中有）：

特點(diǎn)

定滑輪不能省力，而且在繩重及繩與輪之間的摩擦不計(jì)的情況下，細(xì)繩的受力方向無論向何處，吊起重物所用的力都相等，因?yàn)閯?dòng)力臂和阻力臂都相等且等于滑輪的半徑。

動(dòng)滑輪

定義

定義1：使用滑輪時(shí)，軸的位置隨被拉物體一起運(yùn)動(dòng)的滑輪稱為動(dòng)滑輪。

定義2：若將重物直接掛在滑輪上，在提升重物時(shí)滑輪也一起上升，這樣的滑輪叫動(dòng)滑輪.

原理

動(dòng)滑輪省1/2力多費(fèi)1倍距離，這是因?yàn)槭褂脛?dòng)滑輪時(shí)，鉤碼由兩段繩子吊著，每段繩子只承擔(dān)鉤碼重的一半，而且不能改變力的方向。實(shí)質(zhì)是個(gè)動(dòng)力臂（L1）為阻力臂（L2）二倍的杠桿：圖中，O是支點(diǎn)，F(xiàn)1是提升物體的動(dòng)力，F(xiàn)2是物體的重力（也可理解為不用機(jī)械時(shí)提升物體用的力），我們有(l1是動(dòng)力臂，l2是阻力臂）：

根據(jù)任何機(jī)械都不省功的原理，我們有（s1是繩子自由端移動(dòng)的距離，s2是物體移動(dòng)的距離，也可理解為不用機(jī)械時(shí)物體提升的距離）：

注意

動(dòng)滑輪省1/2力多費(fèi)1倍距離，而且僅限于豎直向上用力時(shí)，用力傾斜的角度越大，用的力越多。而且使用動(dòng)滑輪時(shí)滑輪的重量對用的力也有影響。不忽略滑輪重力且豎直向上用力時(shí)，我們有：F=（G輪 G物）/2

滑輪組

定義

滑輪組：由定滑輪和動(dòng)滑輪組成的滑輪裝置。既省力又可改變力的方向.

但不可以省功，因?yàn)榛喗M省了力，但費(fèi)了距離。為了既節(jié)省又能改變動(dòng)力的方向，可以把定滑輪和動(dòng)滑輪組合成滑輪組。

繞繩方法

滑輪組是由若干個(gè)定滑輪和動(dòng)滑輪匹配而成，可以達(dá)到既省力又改變力作用方向的目的。使用中，省力多少和繩子的繞法，決定于滑輪組的使用效果。繞繩的原則是：當(dāng)定滑輪和動(dòng)滑輪數(shù)量相等時(shí)，繩子的自由端可以從動(dòng)滑輪出來，也可以從定滑輪出來，而且從定滑輪出來時(shí)，繩子的固定端掛在定滑輪上；從動(dòng)滑輪出來時(shí)，繩子的固定端掛在動(dòng)滑輪上。定滑輪和動(dòng)滑輪數(shù)量差不會(huì)超過1。他們數(shù)量不相等時(shí)，繩子的自由端從多的那一邊出來，繩子的固定端掛在少的那一邊。動(dòng)滑輪一定時(shí)，當(dāng)繩子的固定端掛在動(dòng)滑輪上時(shí)，滑輪組要比繩子的固定端掛在定滑輪時(shí)省力（因?yàn)橛懈喽卫K子承擔(dān)物重）。

設(shè)n為承受物重的繩子段數(shù)（如上面左邊的滑輪組n=5，右邊n=4），則n段繩子能配n或n-1個(gè)滑輪，配n個(gè)輪子時(shí)，動(dòng)滑輪和定滑輪數(shù)量相等，且繩子固定端在定滑輪上；配n-1個(gè)滑輪時(shí)，n為奇數(shù)，且繩子固定端在動(dòng)滑輪。

使用滑輪組時(shí)，重物有幾條繩索承受，提起物體所用的力就是物重的幾分之一。

特點(diǎn)

滑輪組用幾段繩子吊著物體，提起物體所用的力就是總重的幾分之一.繩子的自由端繞過動(dòng)滑輪的算一段，而繞過定滑輪的就不算了。使用滑輪組雖然省了力，但費(fèi)了距離，動(dòng)力移動(dòng)的距離大于重物移動(dòng)的距離.費(fèi)距離的多少主要看定滑輪的饒繩子的段數(shù)，用滑輪組做實(shí)驗(yàn)，很容易看出，使用滑輪組雖然省了力，但是費(fèi)了距離——?jiǎng)恿σ苿?dòng)的距離大于貨物升高的距離。

關(guān)系

幾個(gè)關(guān)系（滑輪組豎直放置時(shí)，不算摩擦）：

其中 s是繩端移動(dòng)的距離，h是物體上升的高度，G1：物體重力。G2：動(dòng)滑輪的重力（注意，是動(dòng)滑輪的重力，不是全部滑輪的重力）F：繩端所施加的力 n：拉重物的繩子的段數(shù)。