--機(jī)器人常識(shí)..................................................................1

1.機(jī)器人歷史事件及重要理論...............................................1

2.主流機(jī)器人影視及形象...................................................6

3.機(jī)器人定義及組成.......................................................8

二.基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)認(rèn)知..............................................................11

三.力的基礎(chǔ)認(rèn)知..............................................................13

1.力的效果...............................................................13

3,二力平衡................................................................15

4.常見(jiàn)力的介紹............................................................15

四.簡(jiǎn)單機(jī)械...................................................................20

1.斜面...................................................................20

2.楔形...................................................................21

3.螺旋...................................................................22

4.杠桿..................................................................23

5.滑輪...................................................................30

6.輪軸...................................................................39

五.功與能量..................................................................40

............................................................................................................................................43

六.常用傳動(dòng)裝置

1.齒輪嚙合..............................................................43

2.皮帶傳動(dòng)................................................................51

3.傳動(dòng)鏈.................................................................56

一.機(jī)器人常識(shí)

1.機(jī)器人歷史事件及重要理論

古代機(jī)器。機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的問(wèn)世

都是近幾十年的事。然而人們對(duì)機(jī)器人的幻想與追求卻已有

3000多年的歷史。人類希望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便代

替人類完成各種工作。

機(jī)器馬車。西周時(shí)期，中國(guó)的能工巧匠偃師用動(dòng)物皮、木頭、樹(shù)

脂制出了能歌善舞的伶人，這是中國(guó)最早記載的木頭機(jī)器人雛

形。

公元前2世紀(jì)，亞歷山大時(shí)代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人

—自動(dòng)機(jī)。它是以水、空氣和蒸汽壓力為動(dòng)力的會(huì)動(dòng)的雕像，

它可以自己開(kāi)門(mén)，還可以借助蒸汽唱歌。

漢代，大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動(dòng)儀，而且發(fā)明了計(jì)里鼓車。

計(jì)里鼓車每行一里，車上木人擊木馬車鼓一下，每行十里擊鐘一

下。

1

久讀萬(wàn)卷書(shū)行萬(wàn)里路

后漢三國(guó)時(shí)期，蜀國(guó)丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬"，

并用其運(yùn)送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭(zhēng)。

機(jī)器人的產(chǎn)生

1920年，捷克斯洛伐克作家卡雷爾?恰佩克在他的科幻小說(shuō)《羅

薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中，根據(jù)Robota和Robotnik兩個(gè)單詞，

創(chuàng)造出了"Robot"機(jī)器人這個(gè)詞。從此之后機(jī)器人在歷史舞臺(tái)

上拉開(kāi)了序幕。

1939年，美國(guó)西屋電氣公司制造出家用機(jī)器人，它由電纜控制，

可以行走，會(huì)說(shuō)話，甚至可以抽煙，讓人們對(duì)家用機(jī)器人更加憧

憬。

1942年美國(guó)的西莫夫在的科幻小說(shuō)中提出“機(jī)器人三大定律”：

1.機(jī)器人不應(yīng)傷害人類；

2.機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除

外；

2

3n讀萬(wàn)卷書(shū)行萬(wàn)里路

3.機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己，與前兩條條相抵觸者除外。

這是給機(jī)器人賦予的倫理性綱領(lǐng)。機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則

作為機(jī)器人開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)則。

1948年諾伯特維納出版《控制論》，闡述了機(jī)器中的通信和

控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺(jué)機(jī)能的共同規(guī)律，率先提出以計(jì)算機(jī)

為核心的自動(dòng)化工廠。

1954年美國(guó)人喬治德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)

器人并注冊(cè)了專利。這種機(jī)械手能按照不同的程序從事不同的

工作。

1959年美國(guó)發(fā)明家約瑟夫?英格伯格和德沃爾制造出第一臺(tái)工

業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠一一

Unimation公司。約瑟夫英榴白格被稱為“工業(yè)機(jī)器人之父”。

1966年斯坦福大學(xué)人工智能研究中心發(fā)明了謝克機(jī)器人

(ShakeTheRobot)，它是第一臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人它被賦予了有

一、3

y

讀萬(wàn)卷書(shū)行萬(wàn)里路

限的觀察和環(huán)境建模能力，控制它弘提的計(jì)算機(jī)要填滿整個(gè)房

間。

1969年日本的機(jī)器人專家森昌弘出了“恐怖谷理論"：人形

玩具或機(jī)器人的仿真度越高，超過(guò)95%人們?cè)接泻酶校?dāng)超

過(guò)一個(gè)臨界點(diǎn)98%時(shí)，這種好感度會(huì)突然降低，越像人越反感

恐懼，直至谷底，稱之為恐怖谷。正因?yàn)槿绱耍S多機(jī)器人專家

在制造機(jī)器人時(shí)，都盡量避免"機(jī)器人"外表太過(guò)人格化，以求

避免跌入"恐怖谷陷阱"。

國(guó)際上機(jī)器人比賽

國(guó)際上的機(jī)器人足球比賽分為兩大系列RoboCUP(機(jī)器人

世界杯)和FIRA(微型機(jī)器人世界杯足球比賽)

(1)機(jī)器人世界杯(RoboCup)

1992年加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)教授Alan

Mackworth提出機(jī)器人進(jìn)行足球比賽

1,:4

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1992年10月日本草擬了規(guī)則和足球機(jī)器人模擬系統(tǒng)的開(kāi)

發(fā)原型。（原型）

1993年6月日本創(chuàng)辦機(jī)器人比賽命名RoboCupJ聯(lián)賽，

隨后,更名機(jī)器人世界杯RoboCup。（創(chuàng)辦）

1997年8月23-29日曰本名古屋舉行比賽（首屆比賽）

2008年6月在中國(guó)蘇州舉行了第12屆機(jī)器人世界杯

（2）微型機(jī)器人世界杯足球比賽（FIRA）

1995年韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院的金鐘煥教授提出比賽

1996年11月在韓國(guó)首次舉辦了微型機(jī)器人世界杯足球比

賽，以后每年舉辦一次機(jī)器人足球比賽。

機(jī)器人的三代發(fā)展

第一代機(jī)器人：“示教再現(xiàn)”型機(jī)器人只具有記憶、存

儲(chǔ)能力，按相應(yīng)程序重復(fù)作業(yè)，但對(duì)周圍環(huán)境基本沒(méi)有感知

*上?：5

讀萬(wàn)卷書(shū)行萬(wàn)里路

與反饋控制能力。（工業(yè)機(jī)器人）

第二代機(jī)器人：感知型機(jī)器人隨著傳感技術(shù)和信息處理

技術(shù)的發(fā)展第二代機(jī)器人能夠獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的

部分有關(guān)信息，進(jìn)行一定的實(shí)時(shí)處理，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。

第三代機(jī)器人：智能機(jī)器人它具有更完善的環(huán)境感知能

力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要

求與環(huán)境信息自主地進(jìn)行工作。

2.主流機(jī)器人影視及形象

電影名稱及機(jī)器人形象總結(jié)如下表

序號(hào)電影/動(dòng)畫(huà)片名稱機(jī)器人形象電影年份

1終結(jié)者（第一部）T-8001984年

一；6

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2薜而±L節(jié)Number51986年

3機(jī)械戰(zhàn)警亞歷克斯?墨菲1987年

4男刀手愛(ài)德華愛(ài)德華1990年

5機(jī)器管家安德魯1999年

6人工智能大衛(wèi)2001年

7LRobot機(jī)械公敵尼桑2004年

8機(jī)器人歷險(xiǎn)記羅德尼2005年

9變形金剛（第一部）汽車人霸天虎2007年

10鋼鐵俠托尼?斯塔克2008年4月

11機(jī)器人總動(dòng)員瓦力2008年6月

12鐵臂阿重木阿童木2009年

7

—Q

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13鐵甲鋼拳亞當(dāng)2011年

14機(jī)器人啟示錄艾克斯2012

15環(huán)太平洋機(jī)甲獵人2013年

16超能陸戰(zhàn)隊(duì)大白2014年

17超能杳派查派2015年

3.機(jī)器人定義及組成

機(jī)器人定義

機(jī)器人是自動(dòng)控制機(jī)器Robot的俗稱啟動(dòng)控制機(jī)器包括一

切模擬人類行為或思想的機(jī)械（模擬其他生物）。

8

一、

%

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理想中的高仿真機(jī)器人是整合了控制論、機(jī)械、電子、計(jì)

算機(jī)與人工智能、材料學(xué)和仿生學(xué)的產(chǎn)物，目前科學(xué)界正在

向此方向研究開(kāi)發(fā)。所以機(jī)器人是綜合微電子技術(shù)，自動(dòng)化

控制技術(shù)，機(jī)械學(xué)，計(jì)算機(jī)等學(xué)科綜合成果

機(jī)器人系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)：機(jī)械部分、傳感部分、控制部分

機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)和

復(fù)雜機(jī)械等組成。

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式：電力驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)。

電機(jī)是發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的統(tǒng)稱，電機(jī)通常分為直流電機(jī)和交

流電機(jī)，交流電機(jī)分為異步電機(jī)和同步電機(jī)兩類。人們對(duì)電

機(jī)的要求是體積小，高速，高精度。

9

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機(jī)器人的特點(diǎn)

機(jī)器人能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括：

1.智能，指感覺(jué)和感知，包括記憶、運(yùn)算、比較、鑒別、判

斷、決策、學(xué)習(xí)和邏輯推理等；

2.機(jī)能，指變通性、通用性或空間占有性等；

3.物理能，指力、速度、可靠性、聯(lián)用性和壽命等。

4.活動(dòng)范圍：機(jī)器人就是具有生物功能的實(shí)際空間運(yùn)行工具,

可以代替人類完成一些危險(xiǎn)或難以進(jìn)行的勞作、任務(wù)等。

各類機(jī)器人特點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人指能自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)的人造機(jī)器裝置，用以取代或

協(xié)助人類工作，所以工業(yè)機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：

1.對(duì)工作環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，能夠代替人類在有害場(chǎng)所

從事危險(xiǎn)工作。

10

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2.動(dòng)作準(zhǔn)確性高，可保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

3.能高強(qiáng)度在環(huán)境中從事單調(diào)簡(jiǎn)單的勞動(dòng)。

4.具有很廣泛的通用性。

醫(yī)用機(jī)器人具有特點(diǎn)：

1.不能發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作

2.非專業(yè)人員也可以正確使用

3.對(duì)醫(yī)生提供有效的幫助

4.可以直接與人接觸

二.基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)認(rèn)知

每個(gè)物體都是由簡(jiǎn)單的圖形構(gòu)成的，也就是說(shuō)物體的每個(gè)面都是

由圓，三角形，四邊形和多邊形構(gòu)成的。

11

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三角形有著穩(wěn)固、堅(jiān)定、耐壓的特點(diǎn)。三角形框架、起重機(jī)、三

角形吊臂、屋頂、鋼架橋中都有三角形的身影。

任取三角形兩條邊，在兩條邊角度不變的情況下,在兩條邊的非

公共端點(diǎn)連接第三條邊。

因?yàn)榈谌龡l邊不可伸縮或彎折

所以兩端點(diǎn)距離固定。

按照相同的方式任取兩條邊都復(fù)合上述情況。

所以三角形固定，具有穩(wěn)定性。

12

0，

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一個(gè)結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，除了考慮結(jié)構(gòu)外，還要考慮放置的位置和物

體的重心。總體來(lái)說(shuō)符合以下原則

1.與地面支撐面越大，物體越穩(wěn)。

2.重心越低，物體越穩(wěn)。

3.通過(guò)重心作豎直向下的直線與地面的交點(diǎn)，如果在接觸面

上,則物體較穩(wěn)；如果在支撐面外，物體不穩(wěn)。

三.力的基礎(chǔ)認(rèn)知

1?力的效果

力的概念很抽象，我們一般根據(jù)力的作用效果來(lái)認(rèn)識(shí)力。力

的作用效果有：

13

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改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（速度）改變物體的形狀

力的表示符號(hào)一般為F力的單位是牛頓N,常見(jiàn)的力有重力,

摩擦力，彈力等。

2.力的三要素

影響力的效果不同的三個(gè)重要因素：1.大小2.方向3.作用點(diǎn)

如圖所示，將一薄鋼條的下端固定，分別用不同的力去推它，使其發(fā)生（a）、（b）、（c）、（d）

各圖中的形變，如果力的大小K=F3=F4>F2,那么，能說(shuō)明力的作用效果跟力的作用點(diǎn)

(a)與(b):力的作用效果和力的大小有關(guān)

(a)與(c):力的作用效果和力的方向相關(guān)

(a)與(d):力的作用效果和力的作用點(diǎn)相關(guān)

個(gè)

力的示意圖：3N要標(biāo)明大小，方向，作用點(diǎn)。

口

3.二力平衡.

平衡：運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生改變。靜止或者勻速直線

平衡條件：兩個(gè)力大小相同，方向相反，同一個(gè)物體，同一直

線--------■------->

XZ

相互抵消

4.常見(jiàn)力的介紹

15

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(1)重力

定義：重力是我們生活中無(wú)時(shí)無(wú)刻都存在的一種力，是由于

地球的吸引而受到的力。表示符號(hào)：G

重心：地球吸引物體的每一個(gè)部分，但是對(duì)于整個(gè)物體，重

力作用的表現(xiàn)就好像它作用在物體的一個(gè)點(diǎn)上，這個(gè)點(diǎn)就是

物體的重心。質(zhì)地均勻外形規(guī)則的物體的中心，很容易確定

重力的大小：G=mg重力=質(zhì)量*重力加速度

g=9.8N/Kg

重力的方向：指向地心。豎直向下。

(2)摩擦力

兩個(gè)相互接觸的物體，當(dāng)它們發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者具有相對(duì)運(yùn)

動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，在接觸面上會(huì)產(chǎn)生一種阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力，這種

力叫做摩擦力。

摩擦力的產(chǎn)生需要兩個(gè)條件：第一是至少需要兩個(gè)相互接觸

16

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的物體，第二是物體之間要發(fā)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)或者是相對(duì)運(yùn)動(dòng)

趨勢(shì)。而摩擦力的方向是阻礙物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向，根據(jù)物

體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又分為靜摩擦力、滑動(dòng)摩擦力以及滾動(dòng)摩擦

力。分別介紹如下

靜摩擦力。當(dāng)相互接觸的物體之間沒(méi)有相對(duì)的移動(dòng)，只有相

對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，在接觸面上產(chǎn)生的摩擦力稱為靜摩擦力。

靜摩擦力的大小是不能直接得到的，不過(guò)我們可以根據(jù)力的

平衡來(lái)計(jì)算。靜摩擦?xí)r，雖然有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，但沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，所

以物體是相對(duì)靜止的，靜止的物體是受力平衡的，可以根據(jù)

力的平衡條件求得靜摩擦力，這需要知道物體上的其他力的

大小和方向。而靜摩擦力的方向是與其他作用在物體上力的

總和的方向相反的。

17

讀萬(wàn)卷書(shū)行萬(wàn)里路

當(dāng)物體上的外力過(guò)大，超過(guò)接觸面能產(chǎn)生的最大靜摩擦力

時(shí)，兩物體就會(huì)發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)，此時(shí)摩擦力變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦

力。

最大靜摩擦的大小要大于滑動(dòng)摩擦力。

渭動(dòng)摩擦力。兩個(gè)相互接觸的物體，當(dāng)它們發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),

在接觸面上會(huì)產(chǎn)生一種阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力稱為滑動(dòng)摩擦力。

滑動(dòng)摩擦力的大小等于摩擦因數(shù)乘以壓力，而摩擦因素與物

體表面的粗糙程度有關(guān)。

注意：壓力是垂直于接觸面的力，而不是垂直地面的力。如

下圖中1是壓力，2是重力。

18

①②

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滾動(dòng)摩擦力。當(dāng)一物體在另一物體表面做無(wú)滑動(dòng)的滾動(dòng)或有

滾動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，在接觸面上產(chǎn)生的阻礙滾動(dòng)的摩擦力稱為滾

動(dòng)摩擦力。

前面我們說(shuō)到現(xiàn)在的輪胎上都是有花紋的，這些花紋主要是

為了讓輪胎增加與地面之間的摩擦，防止打滑。

一般情況下，物體之間的滾動(dòng)摩擦力遠(yuǎn)小于滑動(dòng)摩擦力，只

有滑動(dòng)摩擦力的1/40到1/60。所以在地面滾動(dòng)物體比推著

物體滑動(dòng)省力得多。

卓?19

讀萬(wàn)卷書(shū)行萬(wàn)里路

四.簡(jiǎn)單機(jī)械

1.斜面

斜面，是指與水平方向有不為零的夾角的平面。

斜面是一種簡(jiǎn)單機(jī)械，可用于克服垂直提升重物的困難,

省力但是費(fèi)距離。

斜面的工作原理：

斜面與平面的傾角越小，斜面較長(zhǎng)，則省力越大，但費(fèi)距離。

斜面與平面的傾角越大，斜面較短，則省力越小，但省距離。

從底面爬到最高處，延直線1,路程短，但費(fèi)力；延直線2,

路程長(zhǎng)，但省力。

斜面在生活中有廣泛的應(yīng)用，如盤(pán)山公路、搬運(yùn)滾筒、螺絲

釘、斜面?zhèn)魉蛶У?/p>

2.楔形

楔是斜面的應(yīng)用，原指上厚下薄的小木搬，在結(jié)構(gòu)中表示一

頭尖一頭稍粗的物品。如下圖所示。

21

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生活中的斧頭，釘子都是楔形。都是斜面的應(yīng)用，為了更加

省力。

3.螺旋

螺旋是一種簡(jiǎn)單機(jī)械，是斜面的變形。

第一個(gè)描述螺旋物的人是希臘科學(xué)家阿基米德。阿基米德螺

旋是一個(gè)裝在木制圓筒里的巨大螺旋狀物，如圖1.5所示，

它用來(lái)把水從一個(gè)水平面提升到另一個(gè)水平面,對(duì)田地進(jìn)行

灌溉。這個(gè)東西的真正發(fā)明者并非阿基米德本人，他只是描

述了這種已經(jīng)存在的東西。阿基米德螺旋可能是古代埃及的

22

久讀萬(wàn)卷書(shū)行萬(wàn)里路

能工巧匠們?cè)O(shè)計(jì)并在尼羅河兩岸的灌溉中使用的。

圖1.5阿基米德螺旋

4.杠桿

古希臘科學(xué)家阿基米德有這樣一句流傳很久的名言："給我

23

0，

久讀萬(wàn)卷書(shū)行萬(wàn)里路

一個(gè)支點(diǎn)，我就能撬起整個(gè)地球！”這句話便是說(shuō)杠桿原理。

杠桿的定義是能繞某一固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的桿，對(duì)于蹺蹺板來(lái)說(shuō)，

蹺板這個(gè)桿能夠繞支架上的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，而扳手這個(gè)桿能夠繞螺

絲的中心軸旋轉(zhuǎn)。在杠桿結(jié)構(gòu)中，那個(gè)固定的點(diǎn)稱為支點(diǎn)。

支點(diǎn)兩邊力的關(guān)系是

一邊的重量X物體到支點(diǎn)的距離;另一邊重量X另一

邊物體到支點(diǎn)的距離

24

杠桿原理的公式是FiLi=F2L2

杠桿原理的五要素是

動(dòng)力：使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的力叫做動(dòng)力，施力的點(diǎn)叫動(dòng)力作用點(diǎn)。

動(dòng)力臂：從支點(diǎn)到動(dòng)力作用線的垂直距離叫做動(dòng)力臂

支點(diǎn)：杠桿繞著轉(zhuǎn)動(dòng)的固定點(diǎn)叫做支點(diǎn)

阻力：阻礙杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的力叫做阻力，施力的點(diǎn)叫阻力作用點(diǎn)。

阻力臂：從支點(diǎn)到阻力作用線的垂直距離叫做阻力臂

說(shuō)明：通過(guò)力的作用點(diǎn)沿力的方向的直線叫做力的作用線

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杠桿的分類

生活中的杠桿按照施加動(dòng)力的大小分為省力杠桿、費(fèi)力杠桿

和等臂杠桿。三者具體的比較如下表所示

分類條件力力運(yùn)動(dòng)距離

省力杠桿費(fèi)距離

FI>F2

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費(fèi)力杠桿Ll>l_2Fi<F|省距離

等臂杠桿LI=L2Fi=F|不費(fèi)不省

說(shuō)明：省距離、費(fèi)距離中的距離指的是力的作用點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的距

離，而不是力到支點(diǎn)的距離

杠桿的應(yīng)用

我們?cè)谏钪袘?yīng)用杠桿原理的時(shí)候并不是都要使用省力杠

桿，而是要看具體的情況，有些情況下是為了省力，而有些

情況下是為了節(jié)省距離。為了省力，就應(yīng)該用動(dòng)力臂比阻力

臂長(zhǎng)的杠桿；如欲省距離，就應(yīng)該用動(dòng)力臂比阻力臂短的杠

桿。

在杠桿結(jié)構(gòu)中要想省力，就必須多移動(dòng)距離；要想少移動(dòng)距

離，就必須多費(fèi)些力。要想又省力而又少移動(dòng)距離，是不可

能實(shí)現(xiàn)的。下面我們就來(lái)列舉一些生活中常見(jiàn)的杠桿結(jié)構(gòu)，

大家可以分析一下其中包含的杠桿五要素。

1,:27

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費(fèi)力杠桿：銀子、釣魚(yú)竿、筷子等，費(fèi)力杠桿的應(yīng)用主要是

為了省距離

省力杠桿：榨汁器、胡桃鉗，門(mén)把手，扳手，鐵鉗,

指甲刀。省力杠桿的應(yīng)用為了省力。

28

—Q

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等臂杠桿：天平，主要用于測(cè)量?jī)蓚?cè)物體質(zhì)量。

29

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5.滑輪

由可繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)有溝槽的圓盤(pán)和跨過(guò)圓盤(pán)的柔索（繩、膠

帶、鋼索、鏈條等）所組成的可以繞著中心軸旋轉(zhuǎn)的簡(jiǎn)單機(jī)

械叫做滑輪。滑輪是可以用來(lái)提升重物并能省力的簡(jiǎn)單機(jī)

械，滑輪有動(dòng)滑輪和定滑輪之分。

定滑輪

定滑輪是中心軸的位置固定不變的滑輪，定滑輪具有以下特

占

/\\\?

1.改變力的方向。如圖6.5所示，如果想讓物體上升，那就

要向下施力。

30

0，

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圖6.5定滑輪能改變力的方向

定滑輪改變力的方向是可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定的，并不一

定是反方向，如圖6.6中展示的是兩個(gè)不同的施力方向。這

兩個(gè)力的大小是一樣的。

31

0，

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圖6.6施力的方向不同

2.不改變力的大小，不省力也不費(fèi)力。

3.施力端運(yùn)動(dòng)距離和物體上升距離相同。

定渭輪原理

定滑輪實(shí)質(zhì)上是一個(gè)等臂杠桿。如圖6.7所示，定滑輪中心

的軸就是這個(gè)等臂杠桿的支點(diǎn)，重物端的滑輪圓邊上為阻力

點(diǎn)，施力端的滑輪圓邊為動(dòng)力點(diǎn)。此時(shí)，無(wú)論什么方向拉動(dòng)

繩子

32

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阻力臂都與動(dòng)力臂相當(dāng)，都是滑輪的半徑，所以定滑輪是等

臂杠桿。

定滑輪

重占

E重物

圖6.7定滑輪的工作原理

動(dòng)滑輪

中心軸的位置隨著被拉物體一起運(yùn)動(dòng)的滑輪叫動(dòng)滑輪。動(dòng)

滑輪的特點(diǎn)是:

33

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1.不改變力的方向，如圖6.8所示，想要讓物體向上，就要

向上拉倒物體，圖中，動(dòng)滑輪的F乙的方向向上，物體向上

運(yùn)動(dòng)。而定滑輪的F甲的方向向下時(shí)，物體是向上運(yùn)動(dòng)的。

圖6.8動(dòng)滑輪和定滑輪的比較

2.改變力的大小，如上圖豎直向上用力時(shí)，力的大小為重物

的一半，所以省了一半力。

34

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3.施力端上升距離為物體上升距離的二倍。

動(dòng)滑輪的原理：

動(dòng)滑輪的實(shí)質(zhì)是一個(gè)省力杠桿，如圖6.9所示，動(dòng)滑輪的中

心軸拉著重物的為阻力點(diǎn)，施力端的圓邊為動(dòng)力點(diǎn)，而支點(diǎn)

為左側(cè)圓的邊界，此時(shí)動(dòng)力臂的長(zhǎng)度是圓的直徑，而阻力臂

的長(zhǎng)度是圓的半徑，所以動(dòng)力臂是阻力臂的兩倍，所以動(dòng)滑

輪省力，且動(dòng)力是阻力（物體的重量）的一半。

卓?35

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圖6.9動(dòng)滑輪的原理

思考：動(dòng)滑輪中，施力方向不是豎直向上的，而是斜向上的,

力的大小是否也是物體重量的一半呢？

滑輪組

滑輪組是由多個(gè)動(dòng)滑輪和定滑輪組成的機(jī)構(gòu)。如圖6.10中

兩個(gè)滑輪就是組合在一起的。

36

0，

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圖6.10滑輪組

滑輪組的特點(diǎn)是：

1.定滑輪可以改變力的方向，但不能省力地拉動(dòng)物體。動(dòng)滑

輪不可以改變力的方向，但能省一半的力地拉動(dòng)物體。滑輪

組結(jié)合了定滑輪和動(dòng)滑輪，這樣既可以改變力的方向，又能

很省力地拉動(dòng)物體。

2.渭輪組用幾段繩子吊著物體，提起物體所用的力就是總重

的幾分之一。繩子的自由端繞過(guò)動(dòng)滑輪的算一段，而繞過(guò)定

卓■37

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滑輪的就不算了。如圖6.11所示，繩子的段數(shù)只計(jì)算繞過(guò)

動(dòng)滑輪的繩子，在圖中左側(cè)的滑輪組中是4段繩子，所以F

是物體總重量的四分之一。

圖6.11滑輪組的省力情況

3.使用滑輪組雖然省了力，但費(fèi)了距離，施力端移動(dòng)的距離

會(huì)比重物移動(dòng)的距離大很多。比如圖6.11中最左邊的滑輪

38

‘卒讀萬(wàn)卷書(shū)行萬(wàn)里路

組，雖然施力是物體重量的四分之一，但移動(dòng)的距離也延長(zhǎng)

了四倍。

6.輪軸

這種能繞共同軸線旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，叫做輪軸。在輪軸中外環(huán)叫

輪，內(nèi)環(huán)叫軸。輪軸兩個(gè)環(huán)是同心圓。

輪軸的實(shí)質(zhì)實(shí)際是一個(gè)能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)的杠桿。這個(gè)杠桿的支

點(diǎn)就在軸線上，輪軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輪與軸有相同的轉(zhuǎn)速，動(dòng)力點(diǎn)

就是輪的外圓，而阻力點(diǎn)就是軸的外圓（阻力臂就是軸的半

徑），所以當(dāng)動(dòng)力作用在輪上，則輪軸為省力杠桿，輪和軸

的半徑相差越大則越省力，但越費(fèi)距離。動(dòng)力作用在軸上則

輪軸為費(fèi)力杠桿，輪和軸的半徑相差越大則費(fèi)力，但越省距

離。

39

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五.功與能量

這里我們介紹一個(gè)功的概念。當(dāng)一個(gè)力作用在物體上的時(shí)

候，如果這個(gè)力讓物體在這個(gè)力的方向上移動(dòng)了一段距離，

那么這個(gè)力的作用就顯示出了成效，在力學(xué)里就說(shuō)這個(gè)力做

了功。

功的大小是力乘以力的方向上移動(dòng)的距離，單位是焦耳。因

此功包含的兩個(gè)必要因素就是：作用在物體上的力以及物體

在這個(gè)力的方向上移動(dòng)的距離。

在了解了功的概念后，我們來(lái)看一下之前學(xué)過(guò)的杠桿和滑

輪，這兩個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)中，只要省力就會(huì)費(fèi)距離，費(fèi)力就會(huì)省

40

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距離，且力和距離的乘積是固定的。

其實(shí)在力學(xué)中有一個(gè)重要的結(jié)論：任何機(jī)械都不省功。

功率。功率就是單位時(shí)間內(nèi)所做的功，通常用P表示。

功率的單位是瓦特，因?yàn)楣Φ拇笮∈橇Τ艘跃嚯x，而距離又

等于速度乘以時(shí)間，所以

功力X距離力X速度X時(shí)間

功率二二力X速度

時(shí)間時(shí)間時(shí)間

能量轉(zhuǎn)化

一切物質(zhì)都具有能量，能量以多種不同的形式存在；按照物

質(zhì)的不同運(yùn)動(dòng)形式分類，能量可分為機(jī)械能、化學(xué)能、熱能、

電能、輻射能、核能、光能、潮汐能等。這些不同形式的能

量之間可以通過(guò)物理效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)而相互轉(zhuǎn)化。

動(dòng)能是物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有的能。

勢(shì)能包括重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能。

41

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重力勢(shì)能是物體由于被舉高而具有的能量。

彈性勢(shì)能是物體由于彈性形變而具有的能量。

機(jī)械能是動(dòng)能和勢(shì)能的總和。當(dāng)物體下落時(shí)，高度越小，那

么它的重力勢(shì)能就越來(lái)越小，但是物體的速度會(huì)越來(lái)越快，

則動(dòng)能就越來(lái)越大。如果不考慮空氣阻力的話，機(jī)械能是不

變的，重力勢(shì)能減小的部分都變成了動(dòng)能。

在蕩秋千時(shí)，從最低點(diǎn)到最高點(diǎn)的過(guò)程中，速度越來(lái)越小，

而高度越來(lái)越大，這時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能；到達(dá)最高點(diǎn)時(shí),

速度為零，動(dòng)能為零，全部動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能。從最高點(diǎn)

下降到最低點(diǎn)的過(guò)程中，速度越來(lái)越大，而高度越來(lái)越小，

這時(shí)重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)，速度最大，動(dòng)能

最大，重力勢(shì)能最小。

1,:42

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蕩秋千時(shí)的能量變化如下所示。

局）度：最低點(diǎn)---?最I(lǐng)WJ點(diǎn)----?最低點(diǎn)

速度：速度最大x速度為零?速度最大

能量：動(dòng)能最大一>勢(shì)能最大—>動(dòng)能最大

能量守恒

能量不會(huì)憑空消失，也不會(huì)憑空產(chǎn)生，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為其他

形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中,

能量的總和保持不變。

六.常用傳動(dòng)裝置

1.齒輪嚙合

_#?43

金、

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齒輪嚙合方式

齒輪嚙合方式常用兩種：平行嚙合，垂直嚙合

齒輪傳動(dòng)的方向(垂直嚙合不在同一平面，不考慮方向)

(1)兩齒輪平行嚙合:兩個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反；當(dāng)大齒輪

作為主動(dòng)輪，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小齒輪作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2)若多個(gè)齒輪嚙合：接近的兩個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反；而

中間隔了一個(gè)齒輪的1號(hào)和3號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，如圖7.4所

ZFo

_>s44

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(a)(b)

圖7.4齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向

圖中，1號(hào)齒輪和2號(hào)齒輪嚙合，轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反；2號(hào)與3

號(hào)齒輪嚙合，轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，所以1號(hào)齒輪和3號(hào)齒輪的轉(zhuǎn)

動(dòng)方向相同。

這里我們?cè)俳榻B幾個(gè)概念：

角速度：圓周運(yùn)動(dòng)中在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的弧度，即齒輪每秒轉(zhuǎn)動(dòng)的

角度。

線速度：圓周運(yùn)動(dòng)中在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的曲線長(zhǎng)度。

轉(zhuǎn)速：圓周運(yùn)動(dòng)中在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。

45

0，

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在齒輪嚙合方式傳動(dòng)下

(1)轉(zhuǎn)動(dòng)的齒數(shù)相同，故而線速度相同，角速度和轉(zhuǎn)速根據(jù)齒輪大

小而判斷。齒輪越大，角速度和轉(zhuǎn)速越小。如圖5.5所示

圖5.5齒輪大小不同

(2)在同一根軸上的兩個(gè)齒輪傳動(dòng)，由于同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的速度相同，固

角速度和轉(zhuǎn)速相同，而線速度很據(jù)齒輪的大小判斷。齒輪越大，線速

度越大。如圖5.6所示

46

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圖5.6同軸齒輪

齒輪傳動(dòng)的速度比

齒輪傳動(dòng)時(shí)齒輪傳動(dòng)的速度與半徑和齒數(shù)的關(guān)系如下

47

0，

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齒輪嚙傳動(dòng)

半徑直徑周長(zhǎng)齒數(shù)轉(zhuǎn)速作用

合力

大齒輪

加速變小加速

帶動(dòng)小3:13:13:13:1

羈

1:33:1

齒輪

小齒輪

減速變大減速

帶動(dòng)大1:31:31:31:3

3:11:3

齒輪

多個(gè)齒輪傳動(dòng)的速度比

在多個(gè)齒輪組成的齒輪組中，計(jì)算傳動(dòng)速度比大致分為以下

兩種情況

(1)齒輪并排依次嚙合(各齒輪都不在同一軸上)

卓■48

5金、

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根據(jù)兩個(gè)齒輪嚙合的速度比，如圖7.4所示,大齒輪與小齒

輪半徑比為3:1,那么1號(hào)齒輪和2號(hào)齒輪的速度比為1:3,

2號(hào)齒輪和3號(hào)齒輪的速度比為3:1,所以1號(hào)齒輪與3號(hào)

齒輪的速度比為1:1。

說(shuō)明：計(jì)算并排依次嚙合的齒輪間輸出的齒輪速度，可以越

過(guò)中間所有的傳動(dòng)過(guò)程，直接比較主動(dòng)輪和輸出輪的半徑比

或齒輪比。

（2）多重加速（減速）齒輪裝置（有同軸帶動(dòng)的齒輪）

這種情況如圖7.5所示。

49

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圖7.5有同軸帶動(dòng)的齒輪組

根據(jù)兩個(gè)齒輪嚙合的速度比，與把手同軸的大齒輪帶動(dòng)小齒

輪，大齒輪與小齒輪半徑比為3:1,那么大齒輪與小齒輪的

速度比為1:3。而同一軸上的齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同（即角速

度相同），中間軸上的大齒輪帶動(dòng)小齒輪，速度比為1:3。

所以，主動(dòng)輪與輸出輪的速度比為1:9。

多重加速裝置最終速度比不能按照主動(dòng)輪和輸出輪的半徑

或齒輪比直接計(jì)算。需要一步步計(jì)算，按照倍數(shù)乘積得出最

后的速度。

50

卓■

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齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn):

(1)可以準(zhǔn)確無(wú)誤的傳遞動(dòng)力：齒輪傳動(dòng)時(shí)，是通過(guò)輪齒

嚙合，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)輪齒，從動(dòng)輪跟著轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)輪齒，

這樣的傳遞方式保證了運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。

(2)齒輪傳動(dòng)力大：齒輪傳動(dòng)通過(guò)輪齒與輪齒之間的嚙合,

傳動(dòng)力大于皮帶等裝置。

(3)結(jié)構(gòu)緊湊，適用于近距離傳動(dòng)，不能直接嚙合時(shí)，可

以通過(guò)多個(gè)齒輪傳動(dòng)。

齒輪傳動(dòng)缺點(diǎn)：

(1)噪音大：齒輪傳動(dòng)力大，所以產(chǎn)生的噪音較大

(2)易損壞：變速時(shí)，由于傳動(dòng)力大，齒輪的輪齒容易斷

型

2.皮帶傳動(dòng)

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皮帶傳動(dòng)連接方式

(1)平行傳動(dòng)。皮帶直接繞過(guò)兩個(gè)傳動(dòng)輪，這種傳動(dòng)方式

也稱作開(kāi)口傳動(dòng)。如下圖14.7所示,傳動(dòng)時(shí)兩個(gè)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)

方向相同。當(dāng)小滑輪作為主動(dòng)輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，大滑輪也順

時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖14.7皮帶平行傳動(dòng)

(2)交叉?zhèn)鲃?dòng)。皮帶反方向180度繞過(guò)兩傳動(dòng)輪，如下圖

12.8所示，這種傳動(dòng)方式叫交叉?zhèn)鲃?dòng)。交叉?zhèn)鲃?dòng)時(shí)，兩個(gè)滑

輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，當(dāng)小滑輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則大滑輪逆時(shí)

針轉(zhuǎn)動(dòng)。

52

0，

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圖14.8皮帶交叉?zhèn)鲃?dòng)

(3)半交叉?zhèn)鲃?dòng)。皮帶交叉90。繞過(guò)兩傳動(dòng)輪，穿過(guò)兩個(gè)

傳動(dòng)輪的軸位置異面垂直,如下圖12.9所示,這種傳動(dòng)方

式叫半交叉?zhèn)鲃?dòng)。兩個(gè)滑輪不在同一平面上，所以不討論轉(zhuǎn)

動(dòng)方向。半交叉?zhèn)鲃?dòng)使用較少，軸的位置需要異面垂直，兩

個(gè)傳動(dòng)輪的中心位置連線又要和兩個(gè)軸都垂直，限制較多，

不容易調(diào)節(jié)。

53

0，

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圖14.9半交叉?zhèn)鲃?dòng)

皮帶裝置的優(yōu)點(diǎn)：

(1)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)：皮帶是有一定的長(zhǎng)度的，這樣就

可以只利用兩個(gè)滑輪和一根皮帶將力傳遞到較遠(yuǎn)距離。

(2)在突然施加外力或者突然變速時(shí)，可以保護(hù)機(jī)械，不

會(huì)損壞零件。

(3)噪音小：相對(duì)于齒輪嚙合，皮帶傳動(dòng)的噪音較小。

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皮帶裝置的缺點(diǎn):

(1)在傳遞動(dòng)力過(guò)程中，會(huì)有時(shí)間上的延緩：皮帶有彈性,

在主動(dòng)輪從靜止到轉(zhuǎn)動(dòng)的一刻，皮帶被拉動(dòng)伸長(zhǎng)，從動(dòng)輪并

沒(méi)有馬上運(yùn)動(dòng)，會(huì)有一瞬間的延緩。

(2)不能準(zhǔn)確無(wú)誤的傳動(dòng)：前面章節(jié)我們講過(guò)減速和加速

裝置，在傳動(dòng)時(shí)，齒輪速度和齒輪半徑成反比，可以得到準(zhǔn)

確的數(shù)值，比如半徑為3:1的齒輪，大齒輪為主動(dòng)輪時(shí)，為

加速裝置，大齒輪速度與小齒輪速度比應(yīng)該為1:3，小齒輪

速度為大齒輪的三倍。而皮帶由于彈力和打滑的問(wèn)題，在傳

動(dòng)時(shí)，不能準(zhǔn)確無(wú)誤的傳遞運(yùn)動(dòng)與力，同樣的大滑輪為主動(dòng)

輪的加速裝置，小滑輪的速度沒(méi)有達(dá)到大滑輪的三倍，

(2)在傳動(dòng)時(shí)，能量損失比較大：和第二條同理。

(3)皮帶容易破損。

；55

3國(guó)號(hào)‘、讀萬(wàn)卷書(shū)行萬(wàn)里路

3.傳動(dòng)鏈

傳動(dòng)鏈通常用于低速度大負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)型動(dòng)力傳動(dòng)裝置，主要

有滾子鏈和齒形鏈等種類。傳動(dòng)鏈具有如下的特點(diǎn)：

(1)傳動(dòng)鏈傳動(dòng)時(shí)要求必須在同一平面連接，否則傳動(dòng)鏈

兩側(cè)受力不均而容易斷裂。

(2)傳動(dòng)鏈傳動(dòng)時(shí)，兩個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同，屬于同向

傳動(dòng)。這種傳動(dòng)方式不像齒輪嚙合的傳動(dòng)方式那樣可以改變

運(yùn)動(dòng)的方向。

(3)在突然變速時(shí)，傳動(dòng)鏈的反應(yīng)較慢，容易斷裂。

(4)傳動(dòng)鏈每一節(jié)都可以拆卸，所以傳動(dòng)的距離可以自由

調(diào)節(jié)。

(5)可以準(zhǔn)確無(wú)誤的傳遞動(dòng)力，傳動(dòng)時(shí)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一格，

從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一格。

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讀萬(wàn)卷書(shū)行萬(wàn)里路

(6)傳動(dòng)鏈裝置的速度和力的計(jì)算均與齒輪嚙合傳動(dòng)相同。

圖9.5傳動(dòng)鏈

齒輪、皮帶、傳動(dòng)鏈之間的區(qū)別

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傳動(dòng)距

安裝方向轉(zhuǎn)動(dòng)方1可優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)