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动滑轮斜拉如何求机械效率

(2013-10-31 18:15:49)
标签:

平行四边形

何求

图形

重物

机械效率

教育

分类: 学习

下面讨论一个有争议的物理题目,某同学用重为10N的动滑轮匀速提升重为40N的物体,不计摩擦和绳重,则该动滑轮的机械效率为多少?这个题目还配了一张图,绳子不是竖直向上拉的而是斜向上拉的。很多老师认为这里的机械效率不等于80%,有的认为大于80%,有的认为小于80%。当然有一定经验的老师还是认为机械效率是80%的,因为按总功有用功来分析就很容易得出这个结论。这里总功是将40N的重物和10N的动滑轮提升起来的功,有用功则是将40N重物提升所做的功,这里的拉力F与物重G的关系并非简单的一半关系,接力通过的距离s与物体上升的高度h之间也不是两倍关系,如何不用有用功与总功的关系如何计算这个问题呢?下面是详细计算过程。

我先将图形进行简化,简化为如下图形,将重物G与滑轮的重物G'合并为一个重物,记为G,如果能够算出这个系统的机械效率为100%,那么就能证明此题。这里要用到积分知识,要用到三角函数的求导知识,如果忘记的话,建议翻下高等数学书。

先来看s与h的求解,如图,存在三角函数关系s=L/sinθ,h=L/tanθ,两边求导得到ds=L(cscθ)'dθ=-[Lcosθ/(sinθ)^2]dθ,dh=L(ctanθ)'dθ=-[L/(sinθ)^2]dθ。

由平行四边形可以求出F与G的关系F=G/(2cosθ)。

这里的有用功是Gdh=-[GL/(sinθ)^2]dθ,总功是Fds*2=[G/(2cosθ)]*[-Lcosθ/(sinθ)^2dθ]*2=-[GL/(sinθ)^2]dθ。这里F通过的距离为2ds,因此要乘以2。

显然这里的有用功与总功相等,即Gdh=Fds*2,机械效率为100%。

动滑轮斜拉如何求机械效率

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