初中直观 · 高中定量拓展 · 机构 · 带传动

换一只大轮,转速与力矩怎样交换?

开式理想无滑动皮带,主动轮半径0.1 m,忽略张力与包角限制。增大右侧皮带轮,比较转速和扭矩。

问题的来处18—19世纪 · 工厂里的传动轴与皮带

皮带传动:问题从哪里来?

蒸汽机时代,一台动力机常通过天花板下的长轴和皮带带动整排机床。工人更换带轮直径,就能让不同机器获得合适转速,而不用每台机器各装一台发动机。

读一段背景,带着问题动手

蒸汽机时代,一台动力机常通过天花板下的长轴和皮带带动整排机床。工人更换带轮直径,就能让不同机器获得合适转速,而不用每台机器各装一台发动机。

开式皮带把两根平行轴连起来,两个轮同向转。大从动轮得到更大扭矩,却转得更慢;沿带的一点每秒走过的距离必须与两轮轮缘一致。真实皮带会打滑、变形且需要张紧,本页先研究无滑动理想情形。

现在,换你来试增大右侧皮带轮,比较转速和扭矩。 固定其他条件,亲手将从动/主动半径比分别设为1和2,各核验一次;输出扭矩增大,输出功率也增大了吗?

皮带传动

S19 / 机构
今天的问题

输出扭矩增大,输出功率也增大了吗?

独立探索要做什么?

增大右侧皮带轮,比较转速和扭矩。 固定其他条件,亲手将从动/主动半径比分别设为1和2,各核验一次;输出扭矩增大,输出功率也增大了吗?

装置 · 尺寸示意,量值见读数看证据图 ↓
主动轮从动轮从动扭矩6 N·m0中线 · 各量独立标定输入=输出功率37.6991 W0中线 · 各量独立标定皮带线速度1.2566 m/s0中线 · 各量独立标定

转速接入轮辐运动;扭矩改变传递功率,不改变无滑动几何。 图中量尺以0为中线,各量按默认值独立作非线性标定,长度不能跨量比较;精确数值与单位见读数。

左轮:主动右轮:从动金线:开式皮带
看这里 · 从动转速60 rpm

无滑移开式皮带:两轮同向、轮缘线速度相同。播放按真实时间的0.15倍慢放;轮径、厚度示意,r₁=0.1 m;忽略滑移、张紧和损耗。 转速接入轮辐运动;扭矩改变传递功率,不改变无滑动几何。

二维可拖动右轮边缘调大小;播放后比较轮辐与皮带标记。三维拖动旋转,检查轮、轴和闭合皮带。

0 s默认暂停 · 隐藏页面自动暂停
从动转速
60 rpm
从动扭矩
6 N·m
输入=输出功率
37.6991 W
皮带线速度
1.2566 m/s
主动轮累计圈数
0 圈
从动轮累计圈数
0 圈

无滑移开式皮带:两轮同向、轮缘线速度相同。播放按真实时间的0.15倍慢放;轮径、厚度示意,r₁=0.1 m;忽略滑移、张紧和损耗。 转速接入轮辐运动;扭矩改变传递功率,不改变无滑动几何。

证据图 参考解随题设重算 · 不计个人完成

启用交互后显示带单位曲线。

换个条件,再想一步

从动轮更小时,会加速还是减速?

先预测,再观察。反例不会替你完成独立任务。

留下两组证据

仅当前页保留最近两组,刷新清除;第三组替换最早一组。保存模型条件与单位;恢复后重算,不恢复任务完成资格。

先留一组,再改变一个条件。

从观察到解释

把证据带回纸上

展开关系与推导

ω₁r₁=ω₂r₂;P=τω守恒,τ₂/τ₁=r₂/r₁。

固定哪些量?改变哪个量?列出两组数值,写出关系,再说明一个不能套用的条件。实验支持猜想,一般证明需要理由。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

右轮半径变成两倍,输出功率也会变成两倍吗?

换个条件,再试一次

只把半径比从1改成2,记录两次转速和扭矩;再改变输入转速,哪些关系仍然成立?

看哪里?

二维拖右轮边缘并看标记运动;三维检查闭合皮带、轮、轴,读数共享。

回到装置再试 ↑

仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。

尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。

先修与两种探索深度

认识转速与圆周;定量层需要功率和比例。

先看现象:改右轮大小,观察轮辐与皮带标记。

再做定量:用同一带速核对转速比,再比较理想功率。

模型、来源与核验边界

v=ω₁r₁=ω₂r₂;理想P=τω。转速rpm、扭矩N·m。

解析核验提示:半径比2时输出转速为输入1/2、扭矩为2倍,输入输出功率相等。

适用范围:开式、无滑动理想带;忽略张力上限、包角、摩擦损耗。

OpenStax University Physics Vol1 §10.8,转动功率P=τω。 ↗

本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。