定滑輪和動滑輪

郁從軍

生活中我們常會看到如下幾種情景：如圖1，升旗時，升旗手只要拉動旗桿下面的繩子，國旗就能冉冉升起；如圖2，人站在地面上只要拉動繩子，就可以把重物吊到二樓；如圖3，在施工中，起重機可以把重物吊到高處.

上面3幅圖中的裝置都使用了滑輪這種簡單機械.我國早在戰(zhàn)國時期的《墨經(jīng)》中就有關(guān)于滑輪的記載.所謂滑輪就是一個周邊有槽，能夠繞軸轉(zhuǎn)動的輪子（如圖4）.滑輪有兩種：定滑輪（如圖5）和動滑輪（如圖6），定滑輪和動滑輪可以組合成為滑輪組（如圖7）.

一、定滑輪

使用滑輪時，軸的位置固定不動的滑輪稱為定滑輪.使用定滑輪有什么好處？

（1）我們按圖8所示的方式組裝定滑輪，用彈簧測力計測出繩端的拉力，將該拉力與鉤碼的重力相比較，發(fā)現(xiàn)繩端的拉力等于鉤碼的重力（不計繩重和摩擦）.

（2）如圖9所示，軸心O點固定不動為支點，其動力臂l1=阻力臂l2=圓的半徑r.根據(jù)杠桿平衡條件F1l1=F2l2，可知，當勻速提起重物時杠桿處于平衡狀態(tài)（不計繩重和摩擦），F(xiàn)1=F2=G，即不省力.

（3）如圖10所示，改變力的方向，由圖可知l1=l2=r.根據(jù)杠桿平衡條件可得F1

=F2=G，可見，對于定滑輪來說，無論朝哪個方向用力，定滑輪都是一個等臂杠桿，所用拉力都等于物體的重力G（不計繩重和摩擦），拉力的大小與方向無關(guān).

由此可得出，定滑輪的特點是不省力，但可以改變力的方向.用定滑輪提升重物時，動力移動的距離s等于重物移動的距離h.

二、動滑輪

使用滑輪時，軸的位置隨物體一起移動的滑輪稱為動滑輪.使用動滑輪有什么好處？

（1）我們按圖11所示的方式組裝動滑輪，用彈簧測力計測出繩端的拉力，將該拉力與鉤碼的重力相比較，發(fā)現(xiàn)繩端的拉力等于鉤碼的重力的一半（不計繩重、摩擦和輪重）.

（2）如圖12所示，圖中O點可以看做一個能夠移動的支點，其動力臂l1=2l2=2r.根據(jù)杠桿平衡條件F1l1=F2l2，可知，當勻速提起重物時杠桿處于平衡狀態(tài)（不計繩重、摩擦和輪重），F(xiàn)1=G/2，即省一半的力.

（3）如圖13所示，改變力的方向，由圖可知l1<2r.根據(jù)杠桿平衡條件可得F1>G/2，可見，對于動滑輪來說，只有當拉力豎直向上拉時才省一半的力（不計繩重和摩擦），拉力的大小與方向有關(guān).

由此可得出，動滑輪的特點是省一半的力，但不可以改變力的方向.用動滑輪提升重物時，還可以得到動力移動的距離s等于重物移動的距離h的2倍，即省一半的力就要用2倍的距離.

三、滑輪組

我們把定滑輪和動滑輪組合起來，就可以組合成滑輪組.使用滑輪組時，既可以達到省力又可達到改變力的方向的作用.

四、對應(yīng)練習

1.如圖14為家庭手搖升降晾衣架結(jié)構(gòu)圖，當順時針搖動手柄時，橫梁上升.下列滑輪屬于動滑輪的是（ ）.

A.甲 B.乙 C.丙 D.丁

2.建筑工地上常用如圖15所示的裝置搬運建筑材料，使用的滑輪組由A、B、C、D 4個滑輪組成，其中屬于定滑輪的有 ，

屬于動滑輪的有 （填字母）.

3.如圖16所示，學校國旗的旗桿上有一個滑輪，升旗時往下拉動繩子，國旗就會上升，對該滑輪的說法，正確的是（ ）.

A.這是一個動滑輪，可省力

B.這是一個定滑輪，可省力

C.這是一個動滑輪，可改變力的方向

D.這是一個定滑輪，可改變力的方向

4.如圖17所示，在豎直向上大小為10N的力F的作用下，重物A沿豎直方向勻速上升.已知重物A上升速度為0.2m/s，不計滑輪重、繩重及繩與滑輪間的摩擦，則物體的重力大小和滑輪上升的速度分別為（ ）.

A.20N 0.4m/s B.20N 0.1m/s

C.5N 0.4m/s D.5N 0.1m/s

5.如圖18所示，某同學用重為10N的動滑輪勻速提升重為50N的物體.不計摩擦，則該同學所用拉力F的可能值是（ ）.

A.20N B.25N C.30N D.35N

6.如圖19所示，在用滑輪將同一物體沿相同水平地面勻速移動時，拉力分別為F甲、F乙、F丙、F丁，比較它們的大?。ú挥嫽喼丶盎喤c細繩間的摩擦），正確的是（ ）.

A.F甲>F乙 B.F乙=F丙

C.F丙

7.工人們?yōu)榱税徇\一臺笨重的機器，設(shè)計了如圖20所示的4種方案（機器下方的小圓表示并排放置的圓形鋼管的截面），其中最省力的方案是（ ）.

8.如圖21所示，在健身運動的過程中，物體A的質(zhì)量為4kg，滑輪摩擦不計.當向下擺動腳腕使細繩拉著物體A緩慢（勻速）提升時，腳腕對細繩拉力的方向在改變、大小 （也改變/不變）.

9.如圖22所示，物體A的質(zhì)量m=12kg，在拉力F的作用下，物體A以0.1m/s的速度在水平面上做勻速直線運動，彈簧測力計的示數(shù)為12N，忽略滑輪與繩子的摩擦力以及滑輪、彈簧測力計和繩子所受的重力，并且繩子足夠長.求：（1）物體A與水平面間摩擦力f的大??；（2）拉力F的大小.

10.定滑輪在使用時相當于一個杠桿.如圖23所示，某人用繩子沿著傾斜方向通過定滑輪拉住鉤碼，已知人手的拉力為F，鉤碼重力為G.

（1）請在圖中標出這只“杠桿”的支點O，畫出拉力F、鉤碼重力G及它們的力臂（保留作圖痕跡）；

（2）若不計摩擦、滑輪重和繩重，請用杠桿平衡條件推證：F=G.