实际上,中间拉力F的方向并非竖直向上,而其他两个拉力F的方向则是竖直向上的。由于力是矢量,遵循平行四边形定则,方向不同的力不能直接在数值上进行加减。我们得到的F = 1/3(G + G动)是一种近似描述,而非严格的等价关系。
一、公式汇总:
滑轮组是由定滑轮和动滑轮组成的机械系统,涉及的公式主要包括力的分配、速度关系、功率计算等。
二、符号解释:
F:绳子自由端的拉力
n:所有动滑轮上绳子的段数
G:被提升物体的重力
G动:所有动滑轮的总重力
s:绳子自由端移动的距离
h:物体被提升的高度
P:拉力F的做功功率
vF:绳子自由端移动的速度
vG:物体的移动速度
η:机械效率
W有:滑轮组的有用功
W总:滑轮组的总功
三、推导过程:
前提:在一段没有打结的绳子上,拉力处处相等。
拉力F的推导:
考虑到动滑轮上有三段绳子,这三段绳子共同承担了动滑轮和连接在动滑轮上的重物的提升工作。我们可以得出:
F + F + F = G动 + G
3F = G + G动
F = 1/3(G + G动)
延伸:当滑轮组上有n段绳子时,F = 1/n(G + G动)。
s = nh的推导:
滑轮组虽然可以省力,但绝对不能省功。在不考虑绳子自重和滑轮与绳子间的摩擦力的情况下,当拉力竖直且匀速拉动重物和动滑轮上升一段距离h后保持静止,拉力所做的功实际上增加了动滑轮和重物的重力势能。
F · s = (G + G动)· h。
结合F = 1/n(G + G动),我们可以得到s = n · h。
速度关系的推导:
我们也可以得出s / t = (n · h)/ t,从而得到vF = n · vG。
拉力做功功率的推导:
拉力F的做功功率P可以通过相关公式进行计算。
有用功的推导:
在匀速拉动过程中,物体上升的高度s0等于h,拉力F0等于物体的重力G。有用功W有等于F0 · s0 = G · h。
总功的推导:
总功W总等于拉力F乘以绳子自由端移动的距离s。
机械效率的推导(重点):
在机械效率的推导过程中,除了原始的Gh/Fs之外,还会涉及到只替换s或者其他同时替换F与s的情况。其实,机械效率的推导过程就是理解功率分配和能量转换的过程。