Question

如圖所示是某種健身器械的示意圖，輕質(zhì)支架固定在輕質(zhì)杠桿PQ兩端，O為支點(diǎn)，PO：OQ=1：4．液壓裝置B可使支架獲得與作用在踏板上的力大小相同、豎直向下的壓力，配重A重G_A=1500N懸掛在滑輪組下方，其下表面與支架接觸，動(dòng)滑輪重G_動(dòng)=100N．人對(duì)滑輪軸處手柄施水平向右的拉力F=200N時(shí)，杠桿恰在水平位置平衡．為加大訓(xùn)練強(qiáng)度，將支點(diǎn)移至O′處，PO′：O′Q=1：1，人對(duì)手柄施水平向右的拉力F₁，同時(shí)對(duì)踏板施壓力N₁，配重A以v=0.2m/s的速度豎直向上略微提升，杠桿P端勻速略微豎直向上抬起，這時(shí)滑輪組的機(jī)械效率為η₁．繼續(xù)加大訓(xùn)練強(qiáng)度，增加的配重為G_A′，同時(shí)移動(dòng)支點(diǎn)至O″處，PO″：O″Q=4：1，人對(duì)手柄施水平向右的拉力F₂，此時(shí)對(duì)踏板施壓力N₂，配重被豎直向上勻速的略微提升，杠桿P端被勻速略微豎直向上抬起，這時(shí)滑輪組的機(jī)械效率為η₂．滑輪組的繩重、繩的伸長(zhǎng)和輪軸間摩擦可以忽略，F(xiàn)：F₁：F₂=1：2：3，N₁：N₂=3：11．
求：（1）拉力F₁的功率P．
（2）增加的配重G_A′．
（3）η₁：η₂．

Answer 1

解：（1）當(dāng)F=200N，PO：OQ=1：4時(shí)

對(duì)動(dòng)滑輪和A整體受力分析如圖1（a）所示：3F+F_P=G_A+G_動(dòng) ；
F_P=G_A+G_動(dòng)-3F=1500N+100N-3×200N=1000N．
對(duì)杠桿PQ 受力分析如圖1（b）所示：F_P×OP=F_Q×OQ；
F_Q===250N
對(duì)B受力分析如圖1（c），由平衡條件得：G_B=F_Q=250N
（2）當(dāng)F₁=2F=400N，PO′：O′Q=1：1時(shí)

對(duì)動(dòng)滑輪和A整體受力分析如圖2（a）所示：3F₁+F_P1=G_A+G_動(dòng)；
F_P1=G_A+G_動(dòng)-3F₁=1500N+100N-3×400N=400N
對(duì)杠桿PQ 受力分析如圖2（b）所示：F_P1×O′P=F_Q1×O′Q；
F_Q1===400N
對(duì)B受力分析如圖2（c）：N₁+G_B=F_Q1 ，則N₁=F_Q1-G_B=400N-250N=150N．
而：N₁：N₂=3：11； 所以：N₂=550N
由v₁=3v=0.6m/s； F₁ 的功率：P=F₁v₁=240W．
滑輪組效率η₁== ①
（3）當(dāng)F₂=3F=600N，PO''：O''Q=4：1時(shí)

對(duì)B受力分析如圖3（c）：N₂+G_B=F_Q2，F(xiàn)_Q2=N₂+G_B=550N+250N=800N
對(duì)杠桿PQ 受力分析如圖3（b）所示，F(xiàn)_P2×O''P=F_Q2×O''Q；
F_P2===200N
對(duì)動(dòng)滑輪、A和增加的配重整體受力分析如圖3（a）所示：3F₂+F_P2=G_A+G_動(dòng)+G_A′；
則增加的配重A′所受重力為：G_A′=3F₂+F_P2-G_A-G_動(dòng)=3×600N+200N-1500N-100N=400N
不計(jì)繩和滑輪的摩擦，可得滑輪組效率：η₂== ②
得：=．
答：（1）拉力F₁的功率是240W．（2）增加的配重G_A′=400N．（3）=．
分析：1、對(duì)動(dòng)滑輪、配重A組成的整體受力分析，由平衡條件求支點(diǎn)P對(duì)配重A的支持力F_P；對(duì)杠桿進(jìn)行受力分析，由平衡條件求杠桿對(duì)液壓裝置的支持力F_Q；
液壓裝置B進(jìn)行受力分析，由杠桿平衡條件，求出液壓裝置B所受的重力G_B．
2、對(duì)動(dòng)滑輪、配重A組成的整體，由平衡條件求支點(diǎn)P對(duì)配重A的支持力F_P1；對(duì)液壓裝置B進(jìn)行受力分析，由力的平衡條件求對(duì)踏板施壓力N₁，N₂；
對(duì)杠桿進(jìn)行受力分析，由杠桿平衡條件求杠桿對(duì)液壓裝置的支持力F_Q1；由功率公式P=FV求F1的功率，求出滑輪組效率η₁．
3、對(duì)液壓裝置B進(jìn)行受力分析，由平衡條件求杠桿對(duì)B的支持力F_Q2；對(duì)杠桿進(jìn)行受力分析，由杠桿的平衡條件求杠桿P對(duì)A的支持力F_P2；
對(duì)動(dòng)滑輪、配重A，A′組成的整體，由平衡條件，求配重A′所受的重力，然后求滑輪組的效率η₂．
點(diǎn)評(píng)：本題考查了：受力分析、力的平衡、杠桿的平衡、機(jī)械效率等知識(shí)點(diǎn)，物理情景及物理過(guò)程復(fù)雜，是一道難題，解題時(shí)應(yīng)注意解題步驟，總結(jié)解題方法．