傾斜是一種簡單的機器,可以用來克服垂直提升重物的困難,省力但消耗距離。 距離比和力比都取決于傾角:斜面與平面的傾角越小,斜面越長,省力越大,但會浪費距離。
中國戰國時期,墨子所著的《墨子》一書中也描述了斜面的原理及其省力。 1
斜面是古希臘人提出的六種簡單機械之一。 亞歷山大的帕普斯( of ,290-350)在其著作《數學》(《》)第八卷中試圖分析斜面上的重量平衡問題。 他似乎是古希臘唯一一位進行此類研究的幾何學家。 他的方法雖然不正確,但卻給后世學者很大的啟發。 歐洲物理學家尼莫喬丹努斯( of Nemo)的一位不知名的學生在 13 世紀寫了《喬丹努斯關于重量理論的書》。 這本書后來于1565年印刷。在這本書中,首先應用喬丹努斯最初的“位置引力”概念( , sitem)給出了正確答案。 1608年,西蒙·斯特芬出版了《數學筆記》(《數學筆記》)一書,對這個問題給出了正確而精彩的分析,后面會更詳細地介紹。 伽利略還花了很多時間找出問題的出處,并使用不同的方法得出正確的答案。
概念分析 斜面與平面的傾斜角度越大、斜面越短,省力就越省,但距離也省。 斜面在日常生活中應用廣泛,如蜿蜒的山路、運輸滾筒、傾斜的輸送帶等。在不計算任何阻力時,斜面的機械效率為100%。 如果摩擦力很小,則可以實現非常高的效率。 即F2代表力,s代表斜坡長度,h代表斜坡高度,物體的重量為G。在不考慮無用阻力時斜面機械效率公式的應用,根據做功原理,可得求得:F2s=Gh。
飛機是一塊傾斜的平板,可以用相對較小的力將物體從較低的地方提升到較高的地方,但提升物體的路徑長度也會增加。 斜面是古希臘人提出的六種簡單機械之一。 斜面的斜率越小,即斜面與水平面的夾角越小,則需要施加在物體上的力就越小,但移動的距離就會越長; 反之亦然。 假設移動負載時沒有存儲或消耗能量,則斜坡的機械效益是其長度與提升高度的比率。 2
在日常生活中,經常使用斜面。 供車輛行駛的坡道為普通斜面; 卡車裝載大件貨物時,常常在卡車后部斜放置一塊木板,將貨物從木板上向上推。 斜面理論也被應用。 3
受力情況:靜止在斜面上的物體受到這些力:物體自身的重力(G)、斜面的支撐力(F支)、物體上的摩擦力(f靜)等。知道了斜面的傾角和物體的重力,我們就可以求出另外兩個力:
假設斜面的傾角為θ,其他同上斜面機械效率公式的應用,那么我們將重力分解為沿斜面垂直線(F1=F分支)向下的力F1和平行于斜面垂直線的向下的力F2到斜面。 (當物體靜止在斜坡上時,F2=f。注意,這里施加力的物體是地球,而不是斜坡上的物體)。 建立平行四邊形后,我們可以看到重力邊與F2的夾角為90-θ,因此:
此時物體在斜面上所施加的摩擦力(F靜力)就等于F2。 我們還可以推導出F1的大小:
因此,當力(途中的Fl)將物體以平行于斜面的勻速向上拉時,我們有(fm代表物體上的動摩擦力,μ為滑動摩擦因數):
我們有:
因此,拉力的值為:
分類 從山頂到山腳的傾斜面稱為斜坡,也稱為斜坡或山坡。 明確地圖上斜坡的具體形狀,對于定向運動有一定的價值。 斜坡按形狀可分為:地面坡度基本相同的斜坡稱為均勻斜坡,所有斜坡均可觀看。 在地圖上,從山頂到山腳的一組近似等距的等高線用均勻的坡度表示。
凸斜角
頂部緩坡、底部陡坡的斜坡稱為凸坡,有的區域看不到。 地圖上,從山頂到山腳,間隔是一組上疏下密的等高線,用凸坡表示。
凹坡
上陡下緩的斜坡稱為凹坡,所有坡度都是可見的。 地圖上,從山頂到山腳,間隔是一組上密下疏的等高線,用凹坡表示。
波浪坡度
坡度交叉變化、陡峭緩緩不一、地面呈波浪狀的不規則斜坡稱為波浪坡,有的地區看不到。 在地圖上,代表該坡度的等高線間隔稀疏且不規則。
日常生活中使用的螺釘的應用就是斜角原理的最好體現。 其他還有金字塔、樓梯、登機橋、電梯、蜿蜒的道路等。
機械效率公式 對于一般的斜面,如果不計算阻力,根據做功原理,斜面的斜率
機械效率是100%,但不可避免地存在一些阻力,例如摩擦力和空氣阻力。 接下來我們使用摩擦力來計算機械效率。 我們用θ表示斜坡的傾斜角度,G表示物體的重量,Fl表示拉力,fm表示摩擦力,μ表示斜坡的摩擦系數,s表示長度h代表斜坡的高度,Wy代表有用功,Wz代表總功,We代表附加功,F2為沿斜坡向下移動的分力。 這些都在“勢力情況”部分提到過。
則其機械效率為:
因為我們有:
,和
(根據工作原理),可得:
因為我們有:
,這樣就可以得到:
(適用于勻速拉動平行于斜面的物體)
這就是斜面的傾角和摩擦系數已知時的機械效率公式。
衍生機械坡道使用可移動坡道輕松地將貨物裝載到封閉的卡車上或從封閉的卡車上卸載。 滑梯是兒童游樂場所常見的設施。 工業滑梯利用滑梯硬面的法向力抵抗重力,可以安全快速地將易碎物體(包括人體)從高處滑向低處。 民用飛機上的充氣逃生滑梯允許乘客在飛機出口緊急疏散時滑落至地面。
螺旋 螺旋是圍繞圓柱體斜面形成的簡單機器。 阿基米德螺旋機是古希臘哲學家阿基米德的眾多發明和發現之一。 從那時起,人們經常使用阿基米德螺旋來移動許多不同類型的物質,例如水、礦物質、谷物等。 4
楔子 楔子是一種簡單的機器,由兩個背靠背的斜面組成。 楔子可用于分離物體。 其主要工作原理是將作用在楔塊上的向下的力轉換成作用在物體上的水平力,并且這兩個力幾乎是垂直的。 應用楔子原理的常用工具包括軸。
擺錘是由繩子和擺錘組成的實驗儀器。 擺錘的運動軌跡是一條對稱向上的圓弧。 這條圓弧可以分為許多小圓弧,每兩個相鄰的小圓弧最多只相交一個端點。 連接每個小圓弧兩個端點的線段稱為弦。 每個和弦都可以被視為一個斜角。 通過將分割數增加到無窮大,每個小弧的弧長趨于無窮小極限,得到的無窮多個小弧對應的斜率將形成原始弧。 因此,在任何時刻,單擺的擺錘都可以被認為是在具有特定斜率的斜面上運動。
本條目內容的貢獻者是:
尚華娟 - 上海財經大學副教授