简单机械（物理学领域的基本机械元件）

有关公式

专业名词解释

简单机械

凡能够改变力的大小和方向的装置，统称“机械”。利用机械既可减轻体力劳动，又能提高工作效率。机械的种类繁多，而且比较复杂。根据伽利略的提示，人们曾尝试将一切机械都分解为几种简单机械，实际上这是很困难的，通常是把以下几种机械作为基础来研究。例如，杠杆、滑轮、轮轴、齿轮、斜面、螺旋、劈等。前四种简单机械是杠杆的变形，所以称为“杠杆类简单机械”。后三种是斜面的变形，故称为“斜面类简单机械”。不论使用哪一类简单机械都必须遵循机械的一般规律——功的原理。

用刚性材料制成的形状是直的或弯曲的杆，在外力作用下能绕固定点或一定的轴线转动的一种简单机械。其上有支点（用O表示），动力（F）作用点，阻力（W）作用点，杠杆的固定转轴就是通常所说的“支点”，从转轴到动力作用线的垂直距离叫“动力臂”，从转轴到阻力作用线的垂直距离叫“阻力臂”。上述就是通常所讲的三点两臂。由于杠杆上三点的位置不同，即产生不同的受力效果。

亦称“杠杆平衡条件”。要使杠杆平衡，作用在杠杆上的两个力（动力和阻力）的大小跟它们的力臂成反比。动力×动力臂=阻力×阻力臂，用代数式表示为

任何机械，不论是简单的还是复杂的，在工作时，总要受到两种力的作用：一种是推动机械的力叫作“动力”动力是使杠杆转动的力。另一种是阻碍机械运动的力叫作“阻力”，阻力是阻碍杠杆转动的力。动力可以是人力，也可以是畜力、风力、电力、水力、蒸汽压力等，阻力除了我们要克服的有用阻力之外，还有一些是不可避免的无用阻力。

通过力的作用点沿力的方向所引的直线，叫作“力的作用线”。

从支点到力的作用线的垂直距离叫“力距”。从支点到动力

见动力臂条。

转动是常见的一种运动。当物体转动时，它的各点都做圆周运动，这些圆周的中心在同一直线上，这条直线叫做“转动轴”。门、窗、砂轮、电动机的转子等都有固定转轴，只能发生转动，而不能平动。几个力作用在物体上，它们对物体的转动作用决定于它们的力矩的代数和。若力矩的代数和等于零，物体将用原来的角速度做匀速转动或保持静止。

对杠杆的分类一般是两种方法。第一种是以支点、阻力点和动力点所处的位置来分的；另一种是按省力或费力来区分的。无论怎样来划分，总离不开省力、费力、等臂这几种情况。

表示机械省力程度的物理量。机械虽然绝对不能省功，但可以省力。使机械作功的力称为“动力”（F），阻碍机械作功的力称为“阻力”（P）。使用机械的目的，在于使用很小的动力而与阻力平衡。所谓机械效率（A），就是机械的有用阻力（P）跟动力（F）的比值。

机械效率

不同类型杠杆各具有不同的特点和用途。掌握了杠杆原理，就可根据需要有意识地选用不同类型的杠杆来使用。应明确：省力杠杆省力但要多移动距离，费力杠杆费力但省距离，等臂杠杆不省力也不省距离，又省力又省距离的杠杆是没有的。有的杠杆是否省力或省距离，不是永恒不变的。根据使用情况的不同，会由省力变为省距离。例如，用铁锹铲土，往车上装土的过程都会有所改变。铲土时支点在动力点及阻力点之间，在装土时动力点在支点与阻力点之间。为此，在使用杠杆时应注意几点：

1.解答杠杆问题时，必须根据题意画出示意图，在图上标出杠杆的支点、动力作用线和阻力作用线。同时用线段标明动力臂和阻力臂的大小，再根据杠杆平衡条件，列出方程，进行计算。

2.力臂是一个重要的概念。力臂是从支点到力的作用线的垂直距离，不要理解为力臂是从支点到力的作用点的长度。动力和阻力都是指作用在同一杠杆上的力，而不是作用在重物或其他物体上的力。

3.画杠杆示意图的方法：

（1）画出杠杆：用粗直线表示直杠杆，用变曲的粗线表示曲杠杆。

（2）在杠杆转动时找出支点，并在支点旁用箭头表示杠杆转动的方向。

（3）根据转动方向判断动力、阻力的方向。动力、阻力的作用点应画在杠杆上，可用力的示意图表示。

（4）用虚线表示力的作用线的延长线和力臂。

4.杠杆的平衡条件，适用于任意一个平衡位置上，所谓杠杆的平衡是指杠杆静止不转动或匀速转动。

它是测量物体质量的量度工具，是以提纽为转动轴，根据杠杆平衡原理制造的。杆秤主要由秤杆、秤砣、秤钩（或秤盘）等构成。如图1-23所示。G表示杆秤的重力，B点是它的重点，未挂重物时若将

A点即为杆秤的“定盘星”。在秤钩上加物W后，将秤砣从

力G相对应的刻度A'的位置。杆秤是我国劳动人民所发明并使用已久的测量工具，旧秤以斤，两为单位计量，现代则以以千克计量。

又叫“转矩”，是表示力对物体作用时，使物体发生转动或改变转动状态的物理量。力矩是矢量。力矩的大小等于力与从转轴到力的作用线的垂直距离之乘积。如果物体所受的力不在垂直于转轴O的平面内，就必须把力分解成两个分力：一个分力与转轴平行；另一个分力是在转动的平面内。只有转动平面内的分力才可能改变物体的转动状态。因此，在力矩等于力跟力臂乘积的计算中，应理解力是在它的作用点的转动平面内的分力。如这一点在力的作用线上，则力矩为零。如果若干个力同时作用在一个物体上，则合力矩是所有分力矩的代数和。一个处于平衡的物体，顺时针方向力矩的和等于逆时针方向力矩的和，在国际单位制中，力矩的单位是米·牛顿。其方向用右手螺旋法则决定。在中学阶段，因为只研究有固定转轴的物体的平衡，力矩就只有两种转向。规定物体逆时针转动的力矩为正，使物体顺时针转动的力矩为负。力矩愈大，使物体转动状态发生改变的效果就愈明显。用大小相同的力推门时，力的作用点离转轴愈远，且方向垂直于门，力臂愈大，则推门愈省力。

大小相等、方向相反，但作用线不在同一直线上的两个力叫作“力偶”。用双手攻螺纹或用手旋钥匙、水龙头时，所施加的作用常是力偶。它能使物体发生转动，或改变其转动状态。汽车驾驶员双手转动转向盘时所施加的一对力就是一个力偶。力偶的转动效果决定于力偶矩的大小。力偶矩等于其中任何一个力的大小和两力作用线之间的垂直距离（力偶臂）的乘积。如图1-24所示。如果作用力F的方向跟AB垂直，AB的长度等于d，那么这个力偶的力偶矩（M）为：

式中Fd为力偶矩的大小，符号用来表示力偶的转向。规定力偶逆时针转向取“+”，反之取“-”（也可规定，力偶顺时针转向取“+”，那么力偶逆时针转向就取“-”）。应注意：力偶中力的方向不跟AB垂直时，应像力矩那样分解成垂直分量，再进行计算。力偶的转矩（即力偶矩）和所绕着转动的点无关。由于力偶的合力为零，它不能使物体产生位移，只能使物体发生转动或改变物体的转动状态。

简称为“力偶的力矩”，亦称“力偶的转矩”。力偶是两个相等的平行力，它们的合力矩等于平行力中的一个力与平行力之间距离（称力偶臂）的乘积，称作“力偶矩”，力偶矩与转动轴的位置无关。力偶矩是矢量，其方向和组成力偶的两个力的方向间的关系，遵从右手螺旋法则。对于有固定轴的物体，在力偶的作用下，物体将绕固定轴转动；没有固定轴的物体，在力偶的作用下物体将绕通过质心的轴转动。

力偶之两个力之间的垂直距离。见力偶条图1-24所示。

是固定在同一根轴上的两个半径不同的轮子构成的杠杆类简单机械。半径较大者是轮，半径较小的是轴。从形式上看是圆盘，但从实质上看起来只有它们的直径或半径起力学作用。用R表示轮半径，也就是动力臂；r表示轴半径，也就是阻力臂；O表示支点。当轮轴在作匀速转动时，动力×轮半径=阻力×轴半径，所以轮和轴的半径相差越大则越省力。上式动力用F表示，阻力用W表示，则可写成

即利用轮轴可以省力。若将重物挂在轮上则变成费力的轮轴，但它可省距离。轮轴的原理也可用机械功的原理来分析。轮轴每转一周，动力功等于

日常生活中常见的辘轳、绞盘、石磨、汽车的驾驶盘、手摇卷扬机等都是轮轴类机械。

滑轮是属于杠杆变形的一种简单机械，是可以绕中心轴转动的，周围有槽的轮子。使用时，根据需要选择。滑轮可分为定滑轮、动滑轮、滑轮组、差动滑轮等。有的省力，有的可以改变作用力的方向，但是都不能省功。

滑轮的轴固定不动，它实质上是一个等臂杠杆。动力臂和阻力臂都是滑轮的半径r，根据杠杆原理

滑轮的轴和重物一起移动的滑轮。它实质上是一个动力臂二倍于阻力臂的杠杆。根据杠杆平衡的原理

动滑轮和定滑轮组合在一起叫“滑轮组”。因为动滑轮能够省力，定滑轮能改变力的方向，若将几个动滑轮和定滑轮搭配合并而成滑轮组，既可以改变力的大小，又能改变力的方向。普通的滑轮组是由数目相等的定滑轮和动滑轮组成的。而这些滑轮或者是上下相间地坐落在同一个轮架（或叫“轮辕”），或者是左右相邻地装在同一根轴心上。绳子的一端固定在上轮架上，即相当于系在一个固定的吊挂设备上，然后依次将绳子绕过每一个下面的动滑轮和上面的定滑轮。在绳子不受拘束的一端以F力拉之，被拉重物挂在活动的轮架上。对所有各段绳子可视为是互相平行的，当拉力与重物平衡时，则重物W必平均由每段绳子所承担。若有n个定滑轮和n个动滑轮时，且为匀速运动时，则所需之F力的大小仍和上面一样。因此，在提升重物时才能省力。其传动比乃为

前边所分析的定滑轮、动滑轮以及滑轮组，都是在不计滑轮重力，滑轮与轴之间的摩擦阻力的情况下得出的结论。但在使用时，实际存在轮重和摩擦阻力，所以实际用的力要大些。

即链式升降机，是一种用于起重的滑轮组。上面是由两个直径不同装在同一个轴上的圆盘A、B组成的定滑轮。下面是一个动滑轮，用铁索与上面的定滑轮联结起来而成滑轮组。若大轮A的半径是R，小轮B的半径是r，如图所示。当动力F拉链条使大轮转一周，动力F拉链条向下移动了

由于2R大于

简单机械的一种，可用于克服垂直提升重物之困难。距离比和力比都取决于倾角。如摩擦力很小，则可达到很高的效率。用F表示力，L表示斜面长，h表示斜面高，物重为G。不计无用阻力时，根据功的原理。得

属于斜面一类的简单机械。例如螺旋千斤顶可将重物顶起，它是省力的机械。千斤顶是由一个阳螺旋杆在阴螺旋管里转动上升而将重物顶起。根据功的原理，在动力F作用下将螺杆旋转一周，F对螺旋做的功为

两个相互咬合的齿轮，在它们处于平衡状态时，不省力，因为齿轮的实质是两个等臂杠杆，所以咬合的齿轮不省力，只省圈数。

亦称“尖劈”，俗称“楔子”。它是简单机械之一，其截面是一个三角形（等腰三角形或直角三角形）。三角形的底称作劈背，其他两边叫劈刃。施力F于劈背，则作用于被劈物体上的力由劈刃分解为两部分，P是加在劈上的阻力，如果忽略劈和物体之间的摩擦力，利用力的分解法，知P与劈的斜面垂直，P的作用可分成两个分力：一个是与劈的运动方向垂直，它的大小等于

是描述物体状态改变过程的物理量，能量变化的量度。功的概念来源于日常生活中的“工作”一词。在物理学中，它有特殊的含义。当物体在恒力F的作用下，力的作用点的位移是S时，这个功就等于力跟距离的乘积。对初中学生来说，只要明确“在力的作用下，物体沿力的方向通过了一段距离，那么这个力就对物体做了功”，这是指物体在恒力作用下，沿力的方向作单向直线运动的情况，所以对功的计算可用公式

1.当

2.当

3.当

4.当

5.当

必须注意：在研究有关“功”的问题时，应分清有没有做功，谁在做功。功是一个只有大小而没有方向的物理量，它是标量而不是矢量。至于正功和负功，不过是区别外力对物体做功还是物体克服阻力做功，或用来表示力与路程同向还是反向，并不是功有方向性。

功是力对空间的累积效应。力对物体做功，使物体发生位置或运动状态的改变，因而也就发生了机械能的改变。功即是反映在这一过程中，物体机械能改变多少的物理量。在力学中功的狭义概念仅指机械能转换的量度；而在物理学中功的广义概念指除热传递外的一切能量转换的量度。所以功也可定义为能量转换的量度。一个系统总能量的变化，常以系统对外做功的多少来量度。能量可以是机械能、电能、热能、化学能等各种形式，也可以多种形式的能量同时发生转化。功的单位和能量单位一样，在国际单位制中，都是焦耳。

计算变力做功是把运动的轨迹分成许许多多无限小的小段，在每个小段内，可以把力看作为恒力，按恒力做功的定义来计算在各个小段内所做的功，最后把各个小段的功加起来，就是变力做的功，即

亦称“机械功的原理”。即动力对机械所做的功等于机械克服阻力所做的功。也就是说利用任何机械都不能省功。动力功W动，又称输入功或总功。阻力功W阻，包括克服有用阻力所做的W有用（又称输出功）和克服无用阻力所做的W无用（又称损失功），即W动

作用力的方向和力的作用点的位移方向之夹角小于90°且大于或等于0°时（即α为锐角），根据公式作用力A做正功。当力F与位移S夹角

当作用力方向与力的作用点位移方向夹角

功跟完成这些功所用时间的比值叫做“功率”。最初定义功率为“单位时间里完成的功”，它是指做功快慢不变的情况，初中学生易于掌握。“功跟完成这些功所用时间的比值”这一定义功率，对于做功快慢不变的情况，既表示平均功率，又表示即时功率。对于做功快慢不均匀的情况，如时间取得长些，则为平均功率；时间趋于零，这一率，只能表示机器在一段时间t内的平均功率。而由公式

公式中力是一个矢量，速度也是一个矢量，而功率却是一个标量。

方法，一为“标积”；一为“矢积”。两矢量的“标积”为一标量，其大小（к）为两矢量的大小和两矢量夹角的余弦的乘积，用公式表示为

式

所以得到的功率P应为一标量。

关于公式

功率的常用单位是瓦特（焦耳/秒），简称瓦，单位符号W。瓦特这个单位较小，技术上常用千瓦做功率的单位。过去还有尔格/秒、牛顿·米/秒、千克力·米/秒。

间t内的平均功率。当物体受恒力作用时也可表示为

即“瞬时功率”，简称功率。描述机械在某一瞬间作物体运动即时速度的乘积。作平均速度时，P当然代表平均功率，如果作即时速度，那么P就代表机械在某瞬时的即时功率。当作匀速运动时，即时功率和平均功率相同

杠杆概念：当动力点离支点的距离小于阻力点离支点的距离时，省力。

当动力点离支点的距离大于阻力点离支点的距离时，费力。

当动力点离支点的距离等于阻力点离支点的距离时，不省力也不费力。

分类法

第一类杠杆：是动力F和有用阻力W分别在支点的两边。这类杠杆

不省力也不费力。例如，剪金属片用的剪刀，刀口很短，它的机械利益远大于1。这是因为金属板很硬，刀口短，刀把长，即动力臂大于阻力臂，可以少用力。属于这种情况的杠杆还有克丝钳等。家庭裁衣剪布用的剪刀，把与刃基本是等长的，即动力臂等于阻力臂，属于不省力也不费力的类型。因为布的厚度较薄，不需太大的力，剪布要直故刀口要长些，为此用力不大，布剪的也直。属于这种类型的还有物理天平。又如理发用的剪刀，刀口很长，即动力臂小于阻力臂，它的机械利益小于1。这是因为剪发本来不需要多大的力，刀口长一些，能够剪得快一些和齐一些。

第二类杠杆：是支点和动力点分别在有用阻力点的两边。这类杠杆的动力臂大于阻力臂，其机械利益总是大于1，所以总是省力的。例如，用铡刀铡草、独轮车等都是这类杠杆。

第三类杠杆：是支点和有用阻力点分别在动力点的两边，这类杠杆的动力臂小于阻力臂，其机械利益总是小于1，所以总是费力的。例如，缝纫机的脚踏板、夹食品的竹夹子都属于这类杠杆。

第一类杠杆：是省力的杠杆，即动力臂大于阻力臂。例如，羊角锤、木工钳、独轮车、汽水板子、铡刀等等。

第二类杠杆：是费力的杠杆，即动力臂小于阻力臂。如镊子、钓鱼杆、理发用的剪刀。

第三类杠杆：不省力也不费力的杠杆，即动力臂等于阻力臂。其机械利益等于1。如天平、定滑轮等。