談提高機械效率的常用方法

趙業飛

【摘 要】機械效率是建立在有用功和總功的基礎上的。有用功是我們需要的，有價值的功，一般情況下，計算公式為W有用=G·h；若在水平方向移動物體時，則計算公式為W有用=f·S（即克服被移動物體受到的摩擦力所做的功）。為提高機械效率，我們在使用機械時，總希望有用功在總功中所占比例越大越好，或者說額外功在總功中所占的比例越小越好。本文就提高機械效率的常用方法作了闡述。

【關鍵詞】初中物理；機械效率；常用方法；影響因素

課標中要求：理解機械效率，了解提高機械效率的途徑和意義。初中階段我們主要學習有關滑輪組的機械效率，初學時，往往對其概念陌生難懂，思維不通、前后矛盾，還常與功率相混淆。

一、基本概念和計算公式

1.機械效率的基本概念

機械效率（mechanical efficiency）是反映機械性能優劣的重要標志之一。物理學中，有用功跟總功的比值叫機械效率，用機械效率來表示機械對總功的利用率，有用功占總功的比值越大（或者說所做的有用功與總功越接近），機械對總功的利用率就越高，機械的性能就越好。由于任何機械本身都受到重力的作用，相對運動的零部件間又存在摩擦，所以使用任何機械除了做有用功外，都不可避免地要做額外功（即W額外>0），使得總功總大于有用功（W總>W有用），機械的效率總小于1。機械效率是一個比值，通常用百分數表示，且它沒有單位。

機械效率是建立在有用功和總功的基礎上的。有用功是我們需要的，有價值的功，一般情況下，計算公式為W有用=G·h；若在水平方向移動物體時，則計算公式為W有用=f·S（即克服被移動物體受到的摩擦力所做的功）。額外功是并非我們需要的，但又不得不做的功，額外功具體就是指機械運作過程中，克服機械自身的重力、摩擦力等所做的功，對滑輪組來說，額外功是指滑輪組克服滑輪與其轉軸之間的摩擦力做功、提升重物過程中克服動滑輪以及其它輔助用品（如繩子、裝物品的容器等）的重力做功等。總功是有用功和額外功的總和，人們利用機械做功時，作用在機械上的動力對機械做的功就是總功，即W總=Fs。在解決實際的問題中，如何判斷有用功、額外功和總功是關鍵，進而解決有關機械效率的問題。

2.使用滑輪組提升重物時，計算機械效率的公式通常有三種

第一種：在理想化的情況下，即不計繩子的重力、動滑輪的重力和滑輪與其轉軸之間的摩擦力，機械效率為100%，即η=1；

第二種：在較理想情況下，即不計繩子的重力和滑輪與其轉軸之間的摩擦力，但考慮動滑輪的重力，此時，機械效率小于100%，計算公式為：

第三種：在實際真實情況下，既考慮繩子的重力和滑輪與其轉軸之間的摩擦力，又考慮動滑輪的重力，此時，機械效率也小于100%，計算公式為：

二、影響因素和提高方法

由機械效率的概念和計算公式可知，機械效率由有用功和總功兩個因素共同決定，比較機械效率高低時不能只考慮其中一個因素，不能理解成“有用功多，機械效率就高”；或“總功多，機械效率就高（或低）”。應理解為：當總功一定時，機械所做的有用功越多或額外功越少，機械效率就越高；當有用功一定時，機械所做的總功越少或額外功越少，機械效率就越高；當額外功一定時，機械所做的總功越多或有用功越多，有用功在總功中所占的比例就越大，機械效率就越高。此外，還值得我們注意的是：一、機械效率與功率無關。雖然它們都是反映機械性能的物理量，但兩者是完全不同的概念。功率是表示物體做功快慢的物理量，它是由做功的多少和所需時間的長短兩個因素決定的。它們分別表示機械的不同性能，沒有必然的聯系；二、機械效率與機械是否省力無關。機械是否省力，是指動力和阻力相比較而言，當動力比阻力小就省力，它與機械效率之間也沒有必然的聯系。

對滑輪組來說，影響因素主要有四個：物體的重力（G物）、動滑輪的重力（G動，包括動滑輪的個數）、繩重和摩擦，其中物體的重力直接影響有用功，其余的直接影響額外功。若不計繩重和摩擦，則滑輪組機械效率的主要影響因素是物體的重力（G物）和動滑輪的重力（G動，包括動滑輪的個數），當動滑輪重一定時，被拉物體越重，機械效率越大；當被拉物重一定時，所用動滑輪越重（或動滑輪的個數越多），機械效率越小。所以，在分析機械效率的高低時，不能只看一個因素。

此外，滑輪組的機械效率與物體上升高度（h）和拉力移動的距離（s）無關（因為s=nh，最終s和h會被削掉）、與重物提升的速度和拉力移動的速度無關、與細繩的繞線方法無關。

由此可見，提高機械效率的常用方法是：增大有用功或減少額外功。對滑輪組來說，提高機械效率的方法有：增加物重、減少動滑輪的重力（如使用輕質滑輪、減少動滑輪的個數等）、減小機械自身零部件的摩擦（如給滑輪添加潤滑油等）、以及減小其它輔助用品的重力（如用質量小的繩子、容器等），在不計繩重和摩擦時，可增加物重、減少動滑輪的重力。

總之，為提高機械效率，我們在使用機械時，總希望有用功在總功中所占比例越大越好，或者說額外功在總功中所占的比例越小越好。因此還要注意在實際應用時選擇好適合的機械，千萬不要出現“用直升機吊木料到二樓家中”的現象。

三、典例分析和鏈接中考

例：用一個滑輪組提升重物，下列措施中能提高機械效率的是（ ）

A.改變繞線方法 B.增加提升的物重

C.增大重物的提升高度 D.增加重物的提升速度

分析：對滑輪組來說，若要提高機械效率，就要增加有用功，也就是要增加提升的物重，或減少額外功，也就是減少繩重、機械自重等額外的功。而與繞線方法、提升重物的高度和速度都無關，故選B。

鏈接中考：例如把重170N的沙子運到三樓，圖中給出了三種。方法①：用桶由體重為400N的人沿樓梯提上去；方法②：用桶裝沙子由動滑輪吊上去；方法③：用袋子裝沙子由動滑輪吊上去。這三種方法中，做的有用功 （選填“相等”或“不相等”），其中機械效率最高的是方法____（選填序號）。

（作者單位：江蘇省南京市浦口區第三中學）