
轮轴(wheel and axle)是经典简单机械装置,由半径较大的轮(wheel)与同轴连接的圆柱形轴(axle)构成,通过力矩原理实现力的传递与放大。其核心功能体现为:当外力作用于轮边缘时,轴端可输出更大的力矩,满足重物提升或阻力克服需求。
物理原理与公式 根据力矩平衡方程: $$ F{text{轮}} times R = F{text{轴}} times r $$ 其中$R$为轮半径,$r$为轴半径,机械优势(MA)可量化为: $$ MA = frac{R}{r} $$ 该公式表明轮轴能将输入力放大$R/r$倍。
汉英术语对比 《牛津汉英双解科技词典》定义轮轴为"通过同轴旋转体实现机械增益的系统",对应英文术语"wheel and axle"特指动力传输装置,区别于普通转轴(shaft)。
工程应用实例 工业领域常见于绞盘、方向盘系统,如起重机通过直径2米的轮配合0.2米的轴,可实现10倍机械优势。该设计被收录于ASME(美国机械工程师协会)基础机械标准库。
权威参考文献
轮轴是一种简单机械,由同轴转动的轮(外圈)和轴(内圈)组成,属于杠杆原理的变形应用。以下是其核心要点:
1. 结构与原理 轮轴通过增大施力半径实现省力效果。当外力作用于轮边缘时,轴心会产生更大的扭矩,满足公式: $$ frac{F{输出}}{F{输入}} = frac{R}{r} $$ 其中R为轮半径,r为轴半径。半径比越大,机械优势越显著。
2. 功能特性
3. 应用场景 常见于门把手、辘轳、方向盘、螺丝刀握柄等装置。古代水车(直径8-10米的木轮配合30-50厘米轴心)就是典型应用,通过放大水力实现高效灌溉。
4. 工程优化 现代机械设计中,轮轴常与轴承、齿轮等组件配合使用,通过润滑剂减少摩擦损耗,提升能量传递效率。工业齿轮箱的轮轴系统传动效率可达95%以上。
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