机械效率及其影响

石浩宇

摘 要：机械效率，是一个机械系统的输出功与其输入功的百分比，即有用功和总功的比值。关于机械效率的讨论，中学物理中就有很多的涉及。而随着工业化成为现代社会的常态，生活中的很多环节都与机器机械息息相关。本文就中学物理的滑轮组、杠杆传动为切入点，初步讨论了机械效率的相关知识，同时探究了如何提高简单机械结构的效率，及机械效率的提高对我们生活的影响。

关键词：机械效率；滑轮组；斜面效率；机械效率的提升

一、机械效率

机械效率作为中学物理中非常具有实用性的知识点，在人们的日常生活中有着广泛的应用。从人类历史伊始，人们的进步就一直与对物理规律的了解与应用息息相关。进入近现代之后，伴随着动力的革新，人类对各种机械的发明与应用产生了爆发性的增长，既在一定程度上推动了社会的发展，促进了现代人们文明程度的极大提升。同时，由于对化石燃料的消耗，随之而来的污染问题也成为人们面临的一大挑战。

实际上，现实的复杂机械都是由简单的机械结构组合而成，通过更合理的利用物理知识，提高机械效率，可以在很大程度上节约能源，减少污染。

比如我们日常生活中接触最频繁的汽车发动机，其实际的机械效率往往维持在22%-27%之间，虽然受限于现在的技术，但不难看出，如果能够将汽油发动机的机械效率进一步提高，那我们面对的尾气污染将能够大大降低。

而我们人类目前常用的机械，其效率都存在着不同程度的提升空间。因此，对机械效率的探究，是一个很有意义也很有作为的方向，非常值得我们去为之努力。

二、机械效率的表达

机械的使用过程中，最常用到的三个概念即总功（W总）、有用功（W有）和额外功（W额）。

用η表示机械效率，则有：

同时W额=W总-W有，这是在机械效率的计算中最常用到的公式，可以看到机械效率总是小于1的。

而在我们日常生活中，很多的机械都是在接受输入功的同时完成机械设定的任务（即输出功），输入与输出的快慢也能够相互的适应。

所以，在日常状态下，机械效率的定义可延伸为：输出功率与输入功率的比值，即：

三、几种简单机械的讨论

（一）滑轮组

滑轮组是我们中学物理中接触非常多的一类机械组合，同样是人们使用非常早的一类机械结构，很大程度上影响了人们的技术发展，即使现代科技环境下，滑轮的概念依然是机械设计中的基础之一。

滑轮是一种由可绕中心轴转动的、通常有沟槽的圆盘和跨过这个圆盘的柔索（常用的有绳、钢索、链条等）所组成的可以绕着中心轴转动的简单机械。

而滑轮组就是由多个动滑轮、定滑轮组合而成的一种非常简单的机械，通过组合既可以实现省力又可以改变用力的方向。

所以，如图对于一个滑轮组而言，其滑轮组的有用功W有=Gh，额外功即克服动滑轮自重，绳重和摩擦力所做的功W额=W总-W有。

在不计绳重、摩擦力的情况下，W额=G动h为动滑轮重力。此时总功W总=Fs。

则此滑轮组的机械效率可表示为：

其中，G为物体所受重力，h为物体被拉升的高度，F为拉力的大小，s为绳子上升的高度。

综上，可以看到滑轮组的机械效率的影响因素主要包括物重、滑轮重、绳重和摩擦。最主要的当然是物重，当额外条件不变的情况下物重越大，机械效率就越高。

其次，额外功的产生与动滑轮自重及绳重和摩擦有关，当物体重力一定时，动滑轮越重，则机械效率越低，实际生活中提高效率应当减小动滑轮重量、减小摩擦。

（二）斜面效率

机械效率是可以反映机械性能的优劣的重要标准之一。通过上文可知W总=W额+W有，对一个机械来说有用功只占总功的一部分。可见，对总功的利用率越高，机械的性能越好。

斜面是最简单的一种机械，通过一个斜面可以更加轻松将重物升高，对于斜面的机械效率的计算，有：

斜面机械效率公式为：

其中，G是物体重量，h为此斜面竖直方向距地面的高度，F为拉力，s为斜面的长度。

如上图所示受力分析：设为斜面倾角，为滑动摩擦系数。在匀速拉动的情况下有将物体重力垂直分解为垂直于斜面的力和平行于斜面的力，则：

四、机械效率的提升

在日常生活的机械的实际应用中，我们所面对的是更加复杂的限制条件，很多机械结构的效率其实都是相对比较低的。在一定程度上对某一机械结构效率的提升，都具有非常广大的影响意义。无论在经济、能源还是环保领域，对提高机械效率，更充分利用资源，都是一种迫切的需求。

其实提升机械效率从本质上来说就是最大程度的降低额外功，提高有用功与总功的比例。提高机械效率，其实就是对各组成部分机械效率的优化。

仍以滑轮组为例，当用滑轮组以匀速竖直提升重物时，同时减小滑轮和绳子的重力以及滑轮组上的摩擦力，可显著提高滑轮组的机械效率。对机械效率的提升，就是在各个环节上减少额外功的消耗。

五、结语

通过本文的讨论可知，机械效率的提高，对我们现代人类生活的影响可谓显而易见。在一定程度上提高各环节机械效率，不仅可以调高经济效率，更能够节约资源，进一步的改善对环境造成的污染。可以看到，对物理的学习在未来的学习生活中都有着很大的意义，值得我们更进一步的去研究与探索。