wanghobo 发表于 2020-2-3 13:02

分享一道物理滑轮题目,求打赏


一道物理习题难住了正在自鸡的娃。
这是一道关于差动滑轮的题目,题目来自《初中物理竞赛教材拓展篇》,所谓的“物理绿皮书”,很多HY的孩子都在用。



目测这道题目应该是这本书上滑轮题目里面比较难的一类了。难就难在孩子很难想象出来这个滑轮机构具体是怎么工作的。
工作原理理解了,分析下拉距离和重物上升距离之间的关系,根据“省力不省功”的原理题目就迎刃而解了。
书中解析也很详细,最终结果为F=G(R1-R2)/2R1
题目也弄懂了,答案也做对了,这道题目似乎也可以放过去了。

说实话,刚看到这个装置的时候,985毕业的我也没有一下子反应出来它的工作原理。等思考明白以后,确实被它简单但又实用的设计惊艳了。

多日在家躲避新冠病毒,闲着也是闲着。于是顺手去网上兜了一圈,深挖了一下:

题目中的滑轮叫做“差动滑轮” (differential pulley),应用非常广泛,在很多工厂中都可以看到。
差动滑轮最早由美国人Thomas Aldridge Weston发明,所以西方又将这种装置称为Weston Differential Pulley。看下图更容易理解其工作原理。

值得提到的一点是,这个装置是根据中国传统的差动辘轳(西方叫Chinese Windlass)基础上改进而来的。
据传第二次鸦片战争期间,英法军队冲到了北京城(期间烧杀抢掠,无恶不作...)。在北京期间,这些士兵被北京护城河吊桥的卷扬装置吸引了。使用这种装置,只需要很小的力,就可以把重许多倍的物体提起。于是这种设计就传到了欧洲。上面的差动滑轮就是在此基础上改进发明的。而差动辘轳,据说是元朝一个叫王祯的人发明的。


顺手又给孩子出了一道题目,上面辘轳半径分别为r与R,摇把半径L。如果下面所挂重物为G的话,需要多大的力才能均匀摇动摇把?
娃一会儿就给出了答案 F=G(R-r)/2L。

注意到2个答案形式上类似。

再进一步,讨论极端情况 r=0 (或前者R2=0), 此时前者退化成了一个简单的动滑轮,F=G/2,是不是有一种豁然开朗的感觉?

后者稍微复杂一些 F=G*R/2L,相当于一个普通的辘轳配合一个动滑轮。

另一个极端情况,R=r (或者前者R1=R2),此时两个F均为零,重物也无法上升,类似脖子上挂了一个带吊坠项链的感觉。

再进一步,又给娃留了2道思考题:
如果下面挂上重物,然后松开手,忽略所有摩擦,两个装置是否自动保持平衡(重物是否会下落)?
还有,差动滑轮为何采用链条替代绳子,有啥好处。

西西古来 发表于 2020-2-3 19:39

虽然我没看懂,但是我觉得设计好棒,涨知识了。

jog 发表于 2020-2-3 20:36

支持楼主。

胡说八道 发表于 2020-2-4 00:12

写得不错!大致看懂了

kuingz 发表于 2020-2-4 02:58

楼主确实好学不倦

kuingz 发表于 2020-2-4 03:24

只要链条是刚性的,这个装置上的重物就可以不动

kuingz 发表于 2020-2-4 03:25

绳子只要被拉升一点,重物往下掉一点产生初速度,接下来就掉个不停了

wanghobo 发表于 2020-2-6 13:32

我感觉一松手重物会掉下来

kamnpap 发表于 2022-12-29 09:25

牛,学习了,

Bud 发表于 2022-12-29 12:52

把它当作黑盒子。

huhuyang2010 发表于 2022-12-29 14:04

这类题用杠杆原理可以解释,逆时针力矩=顺时针力矩。
F*R1+G*R2/2=G*R1/2 =>F=G*(R1-R2)/2R1
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