壹、股數(n)——滑輪組纏繞的“靈魂”
1.股份數量的確定(n)
舉升同壹重物時,滑輪組數量不同,省力程度會有顯著差異;如果重物提升的距離相同,滑輪組的股數不同時,繩子自由端的移動距離也不同。可以說,股數是決定滑輪組省力程度和影響繩索自由端移動距離的重要因素。
先來看看圖1所示的幾種情況,總結壹下確定滑輪組數量的方法和壹般規律。
在立式滑輪組的工作過程中,重物往往掛在動滑輪上,與動滑輪壹起升降,所以動滑輪和重物可以看作壹個整體。綜合分析圖1中的情況,可以看出,有幾段繩索直接吊起移動的滑輪和重物,所以可以說這個滑輪組的股數是幾個。
2.股份數定律(n)
從圖1的(a)和(d)可以看出,如果繩索始於天車,繩股數(n)為偶數,是動滑輪數的兩倍,則必然存在以下規律:如果動滑輪數為x,則這種纏繞方式中滑輪組的繩股數為n=2x。
由圖1的(b)和(e)可以看出,如果繩子的起點在動滑輪上,那麽繩股數(n)是奇數。有1個動滑輪,股數n = 3;動滑輪有兩個,份數n=5。肯定有以下規律:假設動滑輪個數為x,則這種纏繞方式確定的滑輪組股數為n=2x+1。就是因為繩子是從動滑輪開始的,所以“1股”比較多。
綜合比較(b)、(c)和(e)、(f)可以看出,天車的數量對份數N沒有影響,天車只起到改變力的方向的作用。
3.股數公式(n)
通過以上解釋可以發現,在常規垂直滑輪組問題中,繩索纏繞的起點對份數n的奇偶性有影響,如果繩索的起點在動滑輪上,份數n為奇數;如果繩子的起點在天車裏,則股數n是偶數。由此總結出第壹個公式:“奇偶”。
為了提高繞繩的準確性,壹般建議從滑輪組內側向外側繞繩,由此總結出第二個公式:“由內向外。”
兩個公式——“奇動偶定,由內向外”可以很好的解決滑輪組的纏繞問題。
二、股份數量的作用(N)
1.對省力效果的影響
如圖2所示,重物和動滑輪視為壹個整體,在滑輪組勻速提升的過程中,整體上的力是平衡的。另壹方面,用同壹根繩子繞過滑輪組,拉緊後它的張力在各處都是相等的。如果不考慮繩索重量和滑輪軸的摩擦力,則分析虛線框中的整體受力:
從2F1=G+G,我們得到F1=■。
綜合分析這類問題可知,如果滑輪組的股數為n,則在不考慮繩重和滑輪軸摩擦力的情況下,需要外力F=■才能勻速拉動繩索。
2.對繩索自由端移動距離的影響
如圖3所示,由於重物懸掛在移動滑輪的軸上,S代表繩索自由端移動的距離。
因為起吊重物時左右兩邊的繩子都要拉出來,s=2h。
對這種情況的綜合分析可以得出:
如果滑輪組的股數為n,重物的高度為h,則繩子自由端的移動距離為s=nh。
3.對繩索自由端移動速度的影響
假設滑輪組運行時重物的提升速度為V,繩索自由端的移動速度為V,可以認為重物和繩索同時運動,同時停止,運動時間t相同。
V rope =nv from s=nh。
三、典型事例
例1小明站在地上,使用如圖4A所示的滑輪組提起重物。請畫出繞組。
分析由於人是站在地上拉繩子,只能施加向下的力,脫離天車來改變力的方向,所以可以如圖4B所示連接電線。
示例2滑輪組如圖5A所示。繩子能承受的最大拉力是200N N,如何纏繞繩子才能舉起壹個500N的重物?
因為只有1個動滑輪,所以份額數為n=2或n=3。從F=■,得到n=■式。考慮到動滑輪有重量,我們代入數據只能取n=3。
根據“奇數和偶數,從內向外”的公式,纏繞的起點固定在天車上,最終纏繞如圖5 B所示.
例3滑輪組如圖6(a)所示。體重500N的小明就是用這個滑輪組吊重物的。已知繩索能承受的最大拉力為600N,物體重量為200N,移動滑輪總重量為200N N,如果不考慮繩索重量和滑輪軸的摩擦力,應該如何進行纏繞?
因為有兩個動滑輪,所以份額數是n=4或n=5。
從F=■,n=■,
代入G=2000N,G =200N,F=600N,我們得到n=3.67。因為n是整數,所以n=4或n=5都是可接受的。
真的可以嗎?假設n=4,如圖6(b)所示,代入數據計算人的拉力。
F=■=■=550N
在拉下繩子的過程中,人的自重是500N,拉下繩子的力是550N,這樣的結果,可想而知,這個時候人是提不起重物的,但是會像爬山、爬繩桿壹樣沿著繩子往上爬。所以下拉繩子的情況必須考慮人的自重,這個問題只能取n=5,如圖6(c)所示。
實施例4小明使用圖7A所示的裝置舉起600N的重物,拉力為300N,機械效率為67.7%。請連接。
滑輪組機械效率分析的推導公式:
η=■×100%=■×100%
被s=nh取代
N=■,n=3代入數據,根據相關定律進行連接,如圖7b所示。