
輪軸(wheel and axle)是經典簡單機械裝置,由半徑較大的輪(wheel)與同軸連接的圓柱形軸(axle)構成,通過力矩原理實現力的傳遞與放大。其核心功能體現為:當外力作用于輪邊緣時,軸端可輸出更大的力矩,滿足重物提升或阻力克服需求。
物理原理與公式 根據力矩平衡方程: $$ F{text{輪}} times R = F{text{軸}} times r $$ 其中$R$為輪半徑,$r$為軸半徑,機械優勢(MA)可量化為: $$ MA = frac{R}{r} $$ 該公式表明輪軸能将輸入力放大$R/r$倍。
漢英術語對比 《牛津漢英雙解科技詞典》定義輪軸為"通過同軸旋轉體實現機械增益的系統",對應英文術語"wheel and axle"特指動力傳輸裝置,區别于普通轉軸(shaft)。
工程應用實例 工業領域常見于絞盤、方向盤系統,如起重機通過直徑2米的輪配合0.2米的軸,可實現10倍機械優勢。該設計被收錄于ASME(美國機械工程師協會)基礎機械标準庫。
權威參考文獻
輪軸是一種簡單機械,由同軸轉動的輪(外圈)和軸(内圈)組成,屬于杠杆原理的變形應用。以下是其核心要點:
1. 結構與原理 輪軸通過增大施力半徑實現省力效果。當外力作用于輪邊緣時,軸心會産生更大的扭矩,滿足公式: $$ frac{F{輸出}}{F{輸入}} = frac{R}{r} $$ 其中R為輪半徑,r為軸半徑。半徑比越大,機械優勢越顯著。
2. 功能特性
3. 應用場景 常見于門把手、辘轳、方向盤、螺絲刀握柄等裝置。古代水車(直徑8-10米的木輪配合30-50厘米軸心)就是典型應用,通過放大水力實現高效灌溉。
4. 工程優化 現代機械設計中,輪軸常與軸承、齒輪等組件配合使用,通過潤滑劑減少摩擦損耗,提升能量傳遞效率。工業齒輪箱的輪軸系統傳動效率可達95%以上。
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