核心概念
物理学
简单机械
力
能量
摩擦力
引言
在工业时代之前，人们主要依靠肌肉力量来移动和举起重物。滑轮、杠杆和斜坡等简单机械使人类更容易举起岩石和木头等重物。在这个项目中，你将使用简单的家庭材料来探索这些经典机械之一：滑轮。
背景
滑轮是简单的机械，可以使举起物体的工作更容易。它们是由另一种简单机械——轮轴制成的。一个简单的滑轮增加了一个部件——缠绕在轮子上的绳子。绳子的一端可以系在负载上，例如，井底的一桶水。你可以拉绳子的另一端，绳子中的张力会提升负载。简单滑轮的优点是它可以让你改变举起它所需的力的方向。例如，要将水桶从井中提出来，你可以向下拉绳子。
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如果你想改变举起负载所需的力呢？使用一个简单的滑轮，你必须施加的力等于负载的重量。使用复合滑轮——两个或多个滑轮组合在一起——你可以减少举起负载所需的力。然而，这种减少并非免费的——由于能量守恒，它会增加你必须施加力的距离。（能量等于力乘以距离。）例如，为了将你必须施加的力减少到负载重量的一半，那么为了将负载提升一米，你将需要拉绳子两米。
使用滑轮时，你还需要考虑一个因素——摩擦力。“理想”滑轮——你在物理教科书或家庭作业问题中看到的那种——不考虑这一点。现实世界中的滑轮总会有一些摩擦，你需要施加额外的力来克服它。在这个项目中，你将研究简单滑轮和复合滑轮——以及它们如何改变举起负载所需的力。
材料
两个空麦片盒
两支铅笔
四个回形针
至少 10 个相同尺寸的金属垫圈或六角螺母
绳子
剪刀
尺子（可选）
空线轴（可选）
准备工作
将两个麦片盒平行地立在桌子上或桌子上。
小心地在麦片盒顶部（内侧）相对的两侧戳两个孔，这样你就可以将铅笔穿过孔，使其可以被盒子支撑。（如有必要，请成人协助完成此部分。）
剪下一段比一个麦片盒稍长的绳子。
将一个回形针系在绳子的每一端。
步骤
将绳子悬挂在铅笔上，使每个回形针都从两侧悬挂下来。这是你的简单滑轮。
将两个垫圈挂在一个回形针上。（稍微弯曲回形针，这样你可以轻松地将其用作钩子。）这些垫圈是你的“负载”。让它们掉到桌面上。
一次一个，开始从另一个回形针上悬挂垫圈。小心地将垫圈放到回形针上，不要让它们掉下来。这些垫圈是你的“力”力。 你必须在回形针上悬挂多少个垫圈，直到负载开始从桌子上抬起？
接下来，你将构建一个复合滑轮。
再戳两个孔（每个盒子一个），这样你可以插入第二支与第一支平行的铅笔；它们应该相距几厘米。
剪下一段新的绳子，大约是一个盒子高度的两倍。
将绳子的一端系在第二支铅笔上，并将另一端搭在第一支铅笔上。
将一个回形针挂在两支铅笔之间的绳子上，使其在它们之间垂下来。将两个垫圈挂在这个回形针上，让它们掉到地上。这将是你的负载。
将绳子的自由端系到另一个回形针上。这个回形针应该离地面，靠近铅笔。如果没有，你可能需要缩短绳子。
一次一个，开始从第二个回形针上悬挂垫圈。 你必须在回形针上悬挂多少个垫圈，直到负载开始从桌子上抬起？
比较两种不同类型的滑轮的结果。应该有足够的空间同时设置两种类型的滑轮。如果你有足够的垫圈，你可以并排进行测试。与使用简单滑轮相比，使用复合滑轮举起相同的负载需要更多还是更少的垫圈？为什么？
额外：这些滑轮中有很多摩擦，因为绳子直接摩擦铅笔。（没有真正的可以旋转的“轮子”。）你能尝试减少滑轮中的摩擦吗？例如，尝试使用一个空线轴作为轮子。这如何改变你的结果？
额外：使用尺子测量每种类型的滑轮负载和力移动的距离。 为了用简单滑轮将负载提升 10 厘米，你必须移动力多远？使用复合滑轮呢？
观察和结果
你会发现，与简单滑轮相比，使用复合滑轮举起相同的负载需要更少的垫圈。例如，理想情况下，使用简单滑轮，你可以用另外两个垫圈举起两个垫圈。（力力将等于负载力。）实际上，绳子和铅笔之间存在一些摩擦，你必须克服这些摩擦，因此可能需要三到四个垫圈。（力力大于负载力。）使用复合滑轮，理想情况下，你只需使用另一个垫圈就可以举起两个垫圈。同样，有一些摩擦需要克服，因此可能需要两到三个垫圈。但是请记住，这种所需力的减少不是“免费的”——你必须将力力移动两倍的距离。如果你用尺子测量距离，你可以证实这一点。
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