之前做初中物理滑轮组实操实验时,彻底搞懂了机械效率和哪些因素有关,所有实操的偏差,全是这几个细节在作祟。
最开始做实验的时候,死板的照着课本公式计算,算出来的机械效率永远比仪器测出的数值高一大截,反复核对公式、计算步骤,找不出任何问题,一度以为是实验器材出了故障。当时组装的是最简单的一动一定滑轮组,用来提升不同质量的钩码,每次记录拉力、绳端移动距离、物体提升高度,数据看着都很标准,可实测效率始终不稳定,忽高忽低。
机械效率受摩擦阻力的影响
折腾好久才搞明白,最先被忽略的关键因素就是摩擦。滑轮组的滑轮轴、绳子和滑轮的接触位置,都会产生滑动摩擦和滚动摩擦,这些摩擦力是实打实的额外阻力。每次拉动绳子做功,都要额外消耗一部分力去克服摩擦,这部分做的功全部是无用功,不会对提升物体产生任何帮助,直接拉低了整体的机械效率。
特意做过对比,把滑轮轴擦拭干净、涂抹少量润滑油之后,同样的钩码、同样的组装方式,机械效率直接提升了八个百分点。而且能明显发现,实验次数多了之后,滑轮轴轻微磨损、绳子起毛变粗糙,摩擦力会变大,机械效率就会悄悄下降,这是很多人实操都会踩的坑。
机械效率受机械自身重力的影响
除了摩擦,机械自身的重量也是核心影响因素,这点在动滑轮上体现的最明显。定滑轮只改变力的方向,自身不会随物体移动,而动滑轮会跟着钩码一起上升,提升物体的同时,必须额外做功把动滑轮也抬起来。
换了一个更重的旧动滑轮测试,其他条件完全不变,提升相同钩码时,机械效率出现了明显下跌。反之,用轻质的新动滑轮,无用功消耗变少,效率就会稳步提高。像杠杆、斜面这些简单机械,也是一个道理,杠杆自身重量、斜面支撑结构的自重,都会产生额外做功,干扰机械效率。
机械效率受被提升物体重力的影响
很多人不知道,被做功的物体重量,也会直接改变机械效率。
同一套完好的滑轮组,摩擦、器材自重都固定不变的情况下,依次提升50g、100g、200g的钩码,能清晰测出,物体越重,机械效率越高。因为额外功的消耗基本是恒定的,克服摩擦、抬升动滑轮的做功不会变,但有用功会随着物体重力增大而增加,有用功在总功里的占比变高,整体效率自然就提升了。
轻物,效率低。
之前实验最遗憾的就是,一开始只盯着物体重量做变量调整,完全忽略了器材磨损带来的摩擦变化,导致大半组实验数据全部作废,白白浪费了一节课的时间。