书城科普读物探索机器人的世界(海洋与科技探索之旅)
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第5章 小机器大力气——吊车

阿基米德曾说过:“给我一个支点,我就能撬起地球。”日常生活中,我们经常可以见到各种各样的“大力士”,像起重机、千斤顶等;还有一些“小个子大力士”,如斧头、螺丝刀、扳手等。它们是怎样工作的呢?我们一起来动手做一个“大力士”吊车,体验和学习它的工作原理吧世纪,西欧出现了人力和畜力驱动的转动臂架型起重机;19世纪前期,出现了桥式起重机;起重机的重要磨损件如轴、齿轮和吊具等开始采用金属材料制造,并开始采用水力驱动;19世纪后期,蒸汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机;20世纪20年代开始,电气工业和内燃机工业迅速发展,以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本形成。图18是巨型起重机吊装风力发电机的场景。

在物理课中我们学习了杠杆、定滑轮、动滑轮等器械。起重机就是利用这些器械实现了功能的转化,巨型起重机上装有滑轮组(包括定滑轮和动滑轮),用以改变力的方向和大小;其底部设有重物与吊臂形成杠杆。使用了这些器械后,吊车节省了很多力。

要把重力为G的物体拉到高为h的地方,我们需要做的功为W=Gh。图20是一组滑轮组,受力分析可知F=G/2,因此只需重力一半的力就可把重物拉到h的高度。力F移动的距离为2h,虽然没有省功,但是省了力。

普通自行车和变速自行车有何不同?请同学们就自己的切身体会说说变速器的作用和工作原理。图21为一个变速自行车的齿轮装置。

汽车发动机曲轴的转速通常可以高达每分钟7500转,甚至更高,但不能简单地将这种转速直接传递到车轮上,因为那会使轮速过高、扭矩过小,无法克服摩擦力来驱动汽车。因此,在这一前提条件下,人们发明了变速箱用来按不同比例降低输出转速增大扭矩。汽车变速箱实际上就是齿轮箱。

齿轮箱在电机中的应用很广泛,图18的风力发电机组中就经常用到,其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低,无法达到发电机发电所要求的转速,必须通过齿轮箱的增速来实现。

通过前面的学习,我们知道齿轮箱可以加速与减速,可以改变传动方向和速度,而且它还有如下的作用:

.改变转动力矩。同等功率条件下,速度转得越快的齿轮,轴所受的力矩越小,反之越大。(力矩=力×力臂).离合功能。我们可以通过分开两个原本啮合的齿轮,达到把发动机与负载分开的目的。

.分配动力。我们可以用一台发动机,通过齿轮箱主轴带动多个从轴,从而实现一台发动机带动多个负载的功能。

搭建一个微型起重机活动任务让同学们认识到合理巧妙地使用小器械可使它成为“大力士”,使同学们熟练掌握合理使用的方法。

活动准备乐高各种板、轴等零件,RCX,绳子,吊钩,滑轮组,1个马达。

活动步骤先进行小组讨论,提出模型的建议,然后小组选出一种合适的样式,并画出图形:

模型构思出来后,就要开始动手制作了。

在制作过程中,一定要注意:选取合适的重心位置;选取合适的滑轮组;吊车的吊臂不能过长,也不能太短。

搭建好吊车以后,不要急于吊重物,要检查一下连接的地方是否牢固。

检查确定吊车牢固之后,开始试吊重物。试吊时可以逐渐增加重物的重量,直到吊车不能吊动为止。如果吊重物的过程中出现问题,需要对其进行改进。例如在吊起过程中,重物从钩上脱落,可以把钩子换一换。(在对其进行改进时,把问题及解决方法记录下来。)思考:(1)定滑轮和动滑轮的区别有哪些(2)吊车上使用动滑轮是省力还是费力知识链接信息新思考成长博客:http:∥ebfog.cersp.

答案提示实践与思考思考:(1)动滑轮和定滑轮的区别在于:动滑轮要比定滑轮移动的距离大,但是与定滑轮相比,动滑轮省去了一半的力。

(2)在阅读与思考中已经分析过,动滑轮使用在吊车中使吊车省了力。

检测与评估检测:

(提示:因为拖动大卡车需要很大的力,而电动机输出功率是不变的,所以我们应该用减小速度的方式来增大力。)