轮轴的物理学上的“轮轴”
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外环叫轮,内环叫轴。轮轴两个环是同心圆。
由上式可知:当动力作用在轮上,则轮轴为省力杠杆;动力作用在轴上则轮轴为费力杠杆。
所以轮和轴的半径相差越大则越省力,但越费距离。
像马车,门把手,方向盘和推车这样的轮轴是最简单的,没有动力传递,动力车辆的轮轴就复杂得多。当然扳手也是.
以汽车为例,动力不是简单的传递轮轴,如果是那样,汽车就不能拐弯,在汽车轴的中间,有一个“差速器”,在通过两个半轴给左右车轮传动,这样在汽车拐弯时,两边车轮行驶的距离才能不同。人力三轮车的后轴,为了拐弯,一个后轮和轴是固定的传递动力,另一个后轮是可以和轴转动的,用以差速拐弯。
在用轴带动轮时,如皮带轮的运动,不仅可以传递动力,还能改变转速。
定义:由轮和轴组成,能绕共同轴线轮与轴的简单机械叫做轮轴.半径较大者是轮,半径较小的是轴. 轮轴的实质是可以连续旋转杠杆.使用轮轴时,一般情况下作用在轮上的力和轴上的力的作用线都与轮和轴相切,因此,它们的力臂就是对应的轮半径和轴半径.
由于轮半径总大于轴半径,因此当动力作用于轮时,轮轴为省力费距离杠杆(下面的第一幅图),实际的例子:有自行车脚踏与轮盘(大齿轮)是省力轮轴.当动力作用于轴上时,轮轴为费力省距离杠杆(如下面的第二幅图),实际的例子有:自行车后轮与轮上的飞盘(小齿轮)、吊扇的扇叶和轴都是费力轮轴的应用.
F1R=F2r 轮轴是一种省力的简单机械。(轮半径大,轴半径小,所以省力) 在农业灌溉中人们除了使用如下图所示的辘轳外,还发明了许多的水利工具如水泵水车等.它们中有很多都结合了轮轴的原理.
古希腊时期的阿基米德是有史以来最早的水泵发明者.阿基米德出生于公元前287年的希腊叙拉古城.当时的叙拉古经济空前繁荣,科学研究之风甚浓,城里的许多人对哲学、几何学等颇有研究.他们喜欢辩论,把这当做学习的机会,阿基米德从小生活在这种氛围之中,养成了喜欢思索、喜欢学习的良好习惯.
当时处于尼罗河河口的亚历山大城,是地中海东部政治、经济、文化的中心,那里聚集了许多第一流的科学家.好学的阿基米德也来到亚历山大城,在这里学习数学、天文学和力学.一个星期天,阿基米德和同学们一起乘木船,在尼罗河上缓缓地行驶,两岸旖旎的风光让他目不暇接.忽然,他看到一群人在用木桶拎水,便问道:“他们干嘛要拎水?”
“河床地势低,农田地势高,农民只好拎水浇地了.”一位当地的同学告诉他.“这样拎水的效率太低了,浇一丘田不知要拎多少桶.”阿基米德心中产生了对农民的同情心.那位同学不以为然地说: “祖祖辈辈,人们都是这样做的.你有什么好办法?”
回去后,阿基米德的眼前总是闪现出农民拎水时吃力的样子.“可不可以让水往高处流呢?”阿基米德开始思考这一问题.渐渐地,在阿基米德的脑海中产生了一个设想:“做一个大螺旋,把它放在一个圆筒里.这样,螺旋转起来后,水不就可以沿着螺旋沟带到高处去了吗?”
阿基米德立即根据这一设想,画出了一张草图.他拿着这张草图去找木匠,请求师傅帮他做一个用于泵水的工具.”经阿基米德的指点,木匠制出了一个怪玩意儿.阿基米德将这个东西搬到河边,并把它的一头放进河水里,然后轻轻地摇动手柄.“咕噜噜”,只见河水在摇动手柄的同时,从怪东西的顶端不断地涌出来.水,果然往高处流了.
前来围观的农民,被这神奇的东西迷住了.他们纷纷赞扬阿基米德为农民做了一件大好事.不久,这种螺旋水泵在尼罗河流域,乃至更广大的范围流传开了.人们把这种水泵称为阿基米德螺旋泵.直到现在,一些现代工厂仍然使用这种阿基米德螺旋泵来移动流质和粉物.
在螺旋水泵问世后不久,我国也发明了一种抽水工具——龙骨水车.据说是东汉灵帝时的毕岚发明的.这种水车的主要装置是一个木板制成的槽,槽内相隔一定的距离放置瓦片大小的木块,这些木块通过销子连结起来.整个样子像龙的骨架,因此得名.使用时,人扶着水车顶端上的木架,用脚踩动拐木,就带动下面的木块沿着木槽往上移动,由此把水提上岸;而后木块又往木槽的背后往下移动,直至绕过下端的轴,重新刮水.后来,有人又对龙骨水车进行改进,发明了“畜力龙骨水车”、“水转龙骨水车”.
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