物理力學解析滑輪的轉動

摘 要：如果，我們從物理力學角度來解決和分析滑輪問題的話，我們不難發現，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，我們可以發現，繩子的張力本身，是通過滑輪之間的轉換，將原動力轉換為摩擦力或者說支撐力。以此來間接的對滑輪產生一定的力學作用，可以說，在整體的滑輪轉動過程中，摩擦力和支撐力起到了非常重要的作用。其關于物理力學本身的概念和原理，也是圍繞著此基礎上來進行分析研究。

關鍵詞：物理力學；解析；滑輪的轉動

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

一、對于滑輪轉動的傳統概念

滑輪在發明的時候，其主要的目的是為了能夠幫助提升重物時進行省力的工具，其本質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，并且能夠繞著內軸轉動的小輪組成，期間，可以由繞著中心軸轉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的簡單機械，這樣的機械，我們就可以將其稱之為滑輪。

而在傳統的力學概念中，典型的滑輪，其本身就是以繞著中心軸來進行旋轉的圓輪式機械，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生的摩擦力，幫助圓輪開始正式朝著中心軸旋轉。滑輪本身意義是能夠變形，能夠進行轉動的杠桿，而由多個滑輪共同組成的機械，我們則可以將其稱之為滑輪組，滑輪組的話，其本身所產生的機械利益較大，可以去牽拉拉拽一些比較大，重量比較重的負載物，并且，滑輪也可以變為鏈來進行力的傳動或者帶傳動，將功率從一個旋轉軸轉移到另一個旋轉軸上。

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，相當于一個等臂杠桿、動力臂L1、阻力臂L2等。這些，都等于滑輪半徑。而在此基礎上，根據著杠桿平衡條件，我們也可以從中得出定滑輪不省力和不節省距離的結論。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去運作，那么，動力臂和阻力臂分別會產生兩倍動力，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、解析滑輪的轉動

如果想要真正的去驗證這一結果的話，那么我們可以用實驗的方式來進行驗證。假設，在進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，導致滑輪能夠勻速轉動的原因，正是摩擦力據、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果。

之前有相關的研究表明，由于只是存在著摩擦力矩，所以，摩擦力據對于定滑輪的轉動而言，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，導致其之所以能夠去轉動的原因，更多的，是摩擦力據單獨作用下的結果。所以，有時候當摩擦力矩和其他的力矩能夠達到平衡滑輪靠慣性本身去轉動，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動。繩子的張力本身，是通過轉化摩擦力據和支撐力矩之后，在兩種力矩的共同合力下所間接起到的作用，但在大多數的實踐，我們總是可以去用繩子兩端的張力來進行計算。

四、結語

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

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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尤旺村人，就讀于河北定興第三中學。