機(jī)械效率及其影響

石浩宇

摘 要：機(jī)械效率，是一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的輸出功與其輸入功的百分比，即有用功和總功的比值。關(guān)于機(jī)械效率的討論，中學(xué)物理中就有很多的涉及。而隨著工業(yè)化成為現(xiàn)代社會(huì)的常態(tài)，生活中的很多環(huán)節(jié)都與機(jī)器機(jī)械息息相關(guān)。本文就中學(xué)物理的滑輪組、杠桿傳動(dòng)為切入點(diǎn)，初步討論了機(jī)械效率的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)探究了如何提高簡單機(jī)械結(jié)構(gòu)的效率，及機(jī)械效率的提高對我們生活的影響。

關(guān)鍵詞：機(jī)械效率；滑輪組；斜面效率；機(jī)械效率的提升

一、機(jī)械效率

機(jī)械效率作為中學(xué)物理中非常具有實(shí)用性的知識(shí)點(diǎn)，在人們的日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。從人類歷史伊始，人們的進(jìn)步就一直與對物理規(guī)律的了解與應(yīng)用息息相關(guān)。進(jìn)入近現(xiàn)代之后，伴隨著動(dòng)力的革新，人類對各種機(jī)械的發(fā)明與應(yīng)用產(chǎn)生了爆發(fā)性的增長，既在一定程度上推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展，促進(jìn)了現(xiàn)代人們文明程度的極大提升。同時(shí)，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(zhàn)。

實(shí)際上，現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜機(jī)械都是由簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)組合而成，通過更合理的利用物理知識(shí)，提高機(jī)械效率，可以在很大程度上節(jié)約能源，減少污染。

比如我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|最頻繁的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，其實(shí)際的機(jī)械效率往往維持在22%-27%之間，雖然受限于現(xiàn)在的技術(shù)，但不難看出，如果能夠?qū)⑵桶l(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率進(jìn)一步提高，那我們面對的尾氣污染將能夠大大降低。

而我們?nèi)祟惸壳俺Ｓ玫臋C(jī)械，其效率都存在著不同程度的提升空間。因此，對機(jī)械效率的探究，是一個(gè)很有意義也很有作為的方向，非常值得我們?nèi)橹Α?/p>

二、機(jī)械效率的表達(dá)

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

用η表示機(jī)械效率，則有：

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

而在我們?nèi)粘Ｉ钪校芏嗟臋C(jī)械都是在接受輸入功的同時(shí)完成機(jī)械設(shè)定的任務(wù)（即輸出功），輸入與輸出的快慢也能夠相互的適應(yīng)。

所以，在日常狀態(tài)下，機(jī)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(jī)械的討論

（一）滑輪組

滑輪組是我們中學(xué)物理中接觸非常多的一類機(jī)械組合，同樣是人們使用非常早的一類機(jī)械結(jié)構(gòu)，很大程度上影響了人們的技術(shù)發(fā)展，即使現(xiàn)代科技環(huán)境下，滑輪的概念依然是機(jī)械設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)之一。

滑輪是一種由可繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的、通常有溝槽的圓盤和跨過這個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)的簡單機(jī)械。

而滑輪組就是由多個(gè)動(dòng)滑輪、定滑輪組合而成的一種非常簡單的機(jī)械，通過組合既可以實(shí)現(xiàn)省力又可以改變用力的方向。

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

在不計(jì)繩重、摩擦力的情況下，W額=G動(dòng)h為動(dòng)滑輪重力。此時(shí)總功W總=Fs。

則此滑輪組的機(jī)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(xiàn)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(jī)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(dāng)然是物重，當(dāng)額外條件不變的情況下物重越大，機(jī)械效率就越高。

其次，額外功的產(chǎn)生與動(dòng)滑輪自重及繩重和摩擦有關(guān)，當(dāng)物體重力一定時(shí)，動(dòng)滑輪越重，則機(jī)械效率越低，實(shí)際生活中提高效率應(yīng)當(dāng)減小動(dòng)滑輪重量、減小摩擦。

（二）斜面效率

機(jī)械效率是可以反映機(jī)械性能的優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。通過上文可知W總=W額+W有，對一個(gè)機(jī)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(jī)械的性能越好。

斜面是最簡單的一種機(jī)械，通過一個(gè)斜面可以更加輕松將重物升高，對于斜面的機(jī)械效率的計(jì)算，有：

斜面機(jī)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(xiàn)為拉力，s為斜面的長度。

如上圖所示受力分析：設(shè)為斜面傾角，為滑動(dòng)摩擦系數(shù)。在勻速拉動(dòng)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(jī)械效率的提升

在日常生活的機(jī)械的實(shí)際應(yīng)用中，我們所面對的是更加復(fù)雜的限制條件，很多機(jī)械結(jié)構(gòu)的效率其實(shí)都是相對比較低的。在一定程度上對某一機(jī)械結(jié)構(gòu)效率的提升，都具有非常廣大的影響意義。無論在經(jīng)濟(jì)、能源還是環(huán)保領(lǐng)域，對提高機(jī)械效率，更充分利用資源，都是一種迫切的需求。

其實(shí)提升機(jī)械效率從本質(zhì)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(jī)械效率，其實(shí)就是對各組成部分機(jī)械效率的優(yōu)化。

仍以滑輪組為例，當(dāng)用滑輪組以勻速豎直提升重物時(shí)，同時(shí)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(jī)械效率。對機(jī)械效率的提升，就是在各個(gè)環(huán)節(jié)上減少額外功的消耗。

五、結(jié)語

通過本文的討論可知，機(jī)械效率的提高，對我們現(xiàn)代人類生活的影響可謂顯而易見。在一定程度上提高各環(huán)節(jié)機(jī)械效率，不僅可以調(diào)高經(jīng)濟(jì)效率，更能夠節(jié)約資源，進(jìn)一步的改善對環(huán)境造成的污染。可以看到，對物理的學(xué)習(xí)在未來的學(xué)習(xí)生活中都有著很大的意義，值得我們更進(jìn)一步的去研究與探索。