本文通过利用牛顿运动定律分析证明了利用滑轮组或减速机牵引物体,不仅可以省力,而且可以通过将更多的物体输送至目的地的形式节约能源。
对于沿水平方向作牵引物体运动的滑轮组(减速机)分析如下:
一个质量为M的A物体放置在水平面上,利用滑轮组(减速器)的输出端通过绳子与A物体相连,绳子牵引A物体的段数为K,或者是减速器的传动比为K,绳子的牵引力为F,利用滑轮组(减速器)牵引使A物体沿水平面由静止状态开始作加速运动,则由牛顿运动定律可知:
KF=Ma2 (1)
式中a2为A物体的加速度,并且
a2=a1/K (2)
式中a1为滑轮组(减速器)输入端绳子的加速度,解(1)、(2)式可得:
a1=K2F/M (3)
使用滑轮组(减速器)的目的是运输或提升一定数量货物到达目的地,每个从事具体劳动的人都希望多拉快跑,即省力、又迅速地完成工作。
为了对比使用滑轮组与不使用滑轮组的区别,令滑轮组输入端绳子的加速度在使用滑轮组与不使用滑轮组时都为a1值,在此状态下二者消耗的功率相等,设不使用滑轮组运输的B物体质量为mb,使用滑轮组运输的A物体质量为M,则有:
F/mb=K2F/M (4)
化简后可得:
M=K2mb (5)
但使用滑轮组运输A物体的距离是不使用滑轮组的L/K,为了便于对比,分别令两种状态下的动力装置工作K次,这样一来,使用滑轮组就可将质量为K2mb的货物输送至L距离,不使用滑轮组则将质量为Kmb的货物输送L距离,此时通过对比可见,使用滑轮组运输的A物体质量M为不使用滑轮组或者是减速机时(K=1)动力装置运输的B物体质量mb的K倍。
当A物体的运动存在摩擦阻力f时,则式(1)变为
KF-f=Ma2 (6)
其中f=μMg,μ为摩擦系数,M为质量,g为重力加速度。
解(2)、(6)式,并将f=μMg带入可得:
a1=(K2F-KμMg)/M (7)
同样令滑轮组输入端绳子的加速度在使用滑轮组或者是减速机与不使用滑轮组时都为a1值,在此状态下动力装置消耗的功率相等,设不使用滑轮组运输的B物体质量为mb,使用滑轮组运输的A物体质量为M,则有:
(F-μmbg)/mb=(K2F-KμMg)/M (8)
化简后可得:
M=K2Fmb/(F+Kμmbg-μmbg) (9)
同样地,使用滑轮组运输A物体的距离是不使用滑轮组的L/K,为了便于对比,分别令两种状态下的动力装置工作K次,这样一来,使用滑轮组就可将质量为K2Fmb/(F+Kμmbg-μmbg)的货物输送至L距离,不使用滑轮组则将质量为Kmb的货物都输送L距离,此时通过对比可见,使用滑轮组运输的A物体质量M为不使用滑轮组牵引的B物体质量mb的KF/(F+Kμmbg-μmbg)倍。
综上,利用滑轮组或减速机沿水平方向牵引物体,不仅可以省力,而且可以通过将更多的物体输送至目的地的形式节约能源,表现为能量消耗低,输送货物数量大,即杠杆(减速器)的本质是省力节能。
对于沿垂直方向作牵引物体运动的滑轮组(减速机)分析如下:
一个质量为m的B物体悬挂在空中,利用滑轮组(减速机)的输出端通过绳子与B物体相连,绳子牵引B物体的段数为K或者是减速机的传动比为K,绳子的牵引力为F,利用滑轮组(减速机)使B物体在空中由静止状态开始作向上的加速运动,则由牛顿运动定律可知:
KF-mg=ma2 (11)
式中a2为B物体的加速度,并且
a2=a1/K (12)
式中a1为滑轮组输入端绳子的加速度,解(11)、(12)式可得:
a1=(K2F-Kmg)/m (13)
使用滑轮组或者是减速机的目的是运输或提升一定数量货物到达目的地,每个从事具体劳动的人都希望多拉快跑,即省力、又迅速地完成工作。为了对比使用滑轮组或者是减速机与不使用滑轮组或者是减速机的区别,令滑轮组或者是减速机输入端绳子的加速度在使用滑轮组与不使用滑轮组或者是减速机时都为a1值,在此状态下动力装置消耗的功率相等,设不使用滑轮组或者是减速机时(K=1)运输的B物体质量为mb,使用滑轮组或者是减速机时动力装置运输的B物体质量为m,则有:
(F-mbg)/mb=(K2F-Kmg)/m (14)
化简后可得:
m=K2mb/[1+(K-1)mbg/F] (15)
但使用滑轮组时提升B物体的高度是不使用滑轮组的h/K,为了便于对比,分别令两种状态下的都工作K次,这样一来,使用滑轮组就可将质量为K2mb/[1+(K-1)mbg/F]的货物提升至h高度,不使用滑轮组则将质量为Kmb的货物都提升至h高度,此时通过对比可见,使用滑轮组时提升的B物体质量m为不使用滑轮组提升的B物体质量mb的K/[1+(K-1)mbg/F]倍。
当B物体的运动存在摩擦阻力f时,则式(11)变为
KF-mg-f=ma2 (16)
其中f=μmg,μ为摩擦系数。
解(12)、(16)式,并将f=μmg带入可得:
a1=(K2F-Kmg-Kμmg)/m (17)
同样令滑轮组输入端绳子的加速度在使用滑轮组与不使用滑轮组时都为a1值,在此状态下二者消耗的功率相等,设不使用滑轮组提升的B物体质量为mb,使用滑轮组提升的B物体质量为m,则有:
(F-mbg-μmbg)/mb=(K2F-Kmg-Kμmg)/m (18)
化简后可得:
m=K2Fmb/(F+Kmbg+Kμmbg-mbg-μmbg) (19)
同样地,使用滑轮组提升B物体的高度是不使用滑轮组的h/K,为了便于对比,分别令两种状态下都工作K次,这样一来,使用滑轮组就可将质量为K2Fmb/(F+Kmbg+Kμmbg-mbg-μmbg)的货物提升至h距离,不使用滑轮组则将质量为Kmb的货物都提升h高度,此时通过对比可见,使用滑轮组提升的B物体质量m为不使用滑轮组提升的B物体质量mb的KF/(F+Kmbg+Kμmbg-mbg-μmbg)倍。也就是说,利用滑轮组或减速机提升物体,在某些条件下使运输车辆和机械传动装置不仅可以省力,而且可以通过将更多的物体提升至目的地的形式节约能源。
通过以上分析可知,采用本发明的使运输车辆和机械传动装置省力又省功的机械传动方法,令动力装置通过滑轮组或减速机对物体进行输送,无论是沿水平方向,还是沿垂直方向,都能够在消耗一定能量的条件下,将更多的货物输送到目的地。
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