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還在說用繩子“拉”滑輪?原來我一直都錯(cuò)了…

 雨下云 2023-05-18 發(fā)布于北京
本文所講的問題,或許在很多人看來不是問題。但它卻被多個(gè)物理愛好者反復(fù)質(zhì)疑和討論,所以還是有寫一寫的必要。
如下圖,一根輕繩繞過輕質(zhì)動(dòng)滑輪,滑輪上吊著一個(gè)重物,當(dāng)斜向上拉繩時(shí),滑輪和重物被拉起來了。

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圖1. 動(dòng)滑輪示意圖

問題:既然繩只能提供沿自身方向的拉力,但滑輪卻受到了向上的力,該如何解釋這個(gè)力?
你可能認(rèn)為很簡單:把滑輪和重物的整體當(dāng)作質(zhì)點(diǎn),按力的合成法則,這個(gè)力就是繩的拉力的合力嘛,其值為  ,方向豎直向上。

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圖2. 力的合成法則

但有很多人對(duì)此并不認(rèn)同:繩明明是沿著切向拉的,滑輪怎么會(huì)獲得向上的力呢?他們認(rèn)為:拉力作用在繩上的,沒有作用在滑輪上,但滑輪卻莫名其妙地獲得了一個(gè)向上的力,這是為什么呢?
仔細(xì)想想,這個(gè)問題的確不簡單。
按力的合成來分析,雖然結(jié)論是對(duì)的,但并沒有解釋滑輪所受的向上的力是如何產(chǎn)生的。
畢竟,力的作用,必須要明確,受力、施力物體是什么?作用點(diǎn)在哪里?
很多人并沒有想清楚,他們甚至想當(dāng)然地認(rèn)為:滑輪受到了向上的拉力!
但問題是,繩子又沒有系在輪子上,它只是繞過滑輪,你說它在拉滑輪?但拉力不是只能沿著繩子的方向嗎?
其實(shí),繩子壓根沒有拉滑輪,實(shí)際上,它在壓滑輪!
沒錯(cuò),起作用的是繩子對(duì)滑輪的壓力!壓得越厲害,拉得越有力。
是不是有點(diǎn)懵?沒關(guān)系,繼續(xù)往后看,你肯定會(huì)懂的。
由于繩子和滑輪都是輕質(zhì)的,因此繩子的拉力大小處處相同,但方向是變化的,它總是沿著所在位置的切線方向,正是這種變化提供了對(duì)滑輪的各處的正壓力。
如下圖所示,綠色粗線代表繞在輪邊緣上的繩子,現(xiàn)在取某個(gè)點(diǎn)  處的一段微元  來研究,如圖中紅色粗線所示,它對(duì)應(yīng)的圓心角為  。

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圖3. 對(duì)繩的微元的受力分析

注意,微元  看起來比較長,這是為了看清楚而故意畫長了的,其實(shí)它無限短,可看作  處的一個(gè)點(diǎn)。
現(xiàn)在對(duì)  作受力分析,如圖3所示。
首先,它受兩端的拉力,大小都為  ,方向分別沿  的端點(diǎn)的切向,與  的中點(diǎn)的切向的夾角都為  ;
另外,  還受到輪子給它的正壓力  ,方向沿法向往外。
由于是輕繩,其所受法向合外力必為零,即 回想剛才說過的,  其實(shí)是一個(gè)點(diǎn),故  無窮小,此時(shí) 故所受正壓力  即為 根據(jù)牛頓第三定律,滑輪也受到來自  同樣大小的正壓力  ,方向沿法向往內(nèi),即將這個(gè)正壓力除以  ,得繩對(duì)滑輪邊緣單位長度的正壓力,記作  ,即 這是一個(gè)定值,故繩對(duì)滑輪的正壓力是均勻的,它總是等于繩拉力與輪半徑的比值。
上面給出的  只是滑輪邊任意點(diǎn)的受繩的正壓力,其它任意點(diǎn)  也都如此,因此可記作 所有這些正壓力沿豎直方向的分量  的總和,就是繩為滑輪提供的豎直方向的力  ,如下圖中紅色箭頭所示。

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圖4. 滑輪邊緣各處的正壓力的豎直分力

現(xiàn)在你明白了,動(dòng)滑輪所受到向上的力  ,是由無數(shù)個(gè)這樣的  積累而成的,它們對(duì)應(yīng)無數(shù)個(gè)正壓力  豎直分量。
將繞滑輪的繩看作對(duì)稱的兩半來算,得  為 
當(dāng)  趨于零時(shí),上式變?yōu)榉e分式 計(jì)算得  。
由于  與圖1中的  互余,故結(jié)論與用力的合成法則得到的結(jié)果一致。     
到此,關(guān)于動(dòng)滑輪是如何被繩子拉起來的問題,解釋完畢。所得結(jié)論是:
動(dòng)滑輪之所以被繩子'拉'起來,并非是拉力直接導(dǎo)致的,而是繩子在所有點(diǎn)的壓力的豎直分力的合力造成的。
實(shí)際上,不光動(dòng)滑輪如此,定滑輪,甚至任何被繩子纏繞的物體都是因?yàn)槭艿嚼K子的壓力,才被繩子拉動(dòng)的。
例如,對(duì)定滑輪來說,它受到繩的正壓力也滿足上述規(guī)律,讀者可自行分析之。

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圖5. 定滑輪的情形

很多人以為輕繩只能產(chǎn)生拉力,現(xiàn)在看到,輕繩還可以產(chǎn)生壓力。
而既然繩子能產(chǎn)生壓力,那么它當(dāng)然還可以產(chǎn)生摩擦力!
因此,順著本文所給的正壓力的分析結(jié)果,你就可以直達(dá)摩擦力的規(guī)律。它的最終結(jié)論由著名數(shù)學(xué)家歐拉給出,是無數(shù)個(gè)“歐拉公式”中的一個(gè)。
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來源:物含妙理

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