Question

5．如圖所示，為平衡箱可移動(dòng)的塔式起重機(jī)簡(jiǎn)易示意圖，它廣泛用于樓房建筑中材料的輸送及建筑構(gòu)件的安裝．平衡臂與起重臂可視為杠桿，O為支點(diǎn)，平衡臂最長(zhǎng)為L(zhǎng)₁=10m、起重臂最長(zhǎng)為L(zhǎng)₂=25m，平衡箱的質(zhì)量為2×10⁴kg．（平衡臂重、起重臂重、動(dòng)滑輪重、繩重及吊鉤重均不計(jì)，g取10N/kg）
（1）為保持平衡，起重臂的長(zhǎng)度越長(zhǎng)的塔式起重機(jī)，配備的平衡箱的質(zhì)量應(yīng)越大．
（2）當(dāng)?shù)蹉^在起重臂的最右端時(shí)（起重臂為最長(zhǎng)），起重機(jī)能吊起貨物的最大質(zhì)量是8000kg；接著，吊起最重的貨物后，在電動(dòng)機(jī)的牽引下，吊起的貨物以2m/s的速度從起重臂的最右端向O點(diǎn)移動(dòng)，同時(shí)平衡箱也以某一速度向O點(diǎn)移動(dòng)，在確保起重機(jī)起重臂、平衡臂始終平衡的情況下，平衡箱移動(dòng)的速度是多少？
（3）在某次起吊重為1.2×10⁴N的貨物過(guò)程中，將貨物提升到30m的高度，用時(shí)50s，此過(guò)程起升電動(dòng)機(jī)的效率為90%，則該起升電動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率是多少？
（4）在確保安全的情況下，該起重機(jī)在不起吊貨物時(shí)，平衡箱應(yīng)處在O點(diǎn)左面、O點(diǎn)右面還是O點(diǎn)？

Answer 1

分析 （1）因動(dòng)力臂及動(dòng)力的乘積不變，則由杠桿的平衡條件可知配重與配重臂的關(guān)系；
（2）根據(jù)杠桿的平衡原理求出物體重力；再結(jié)合重力公式求出質(zhì)量；
（3）根據(jù)功的公式W=Fs求出克服重力做功大��；求出有用功，利用效率公式求總功，再利用P=$\frac{W}{t}$求實(shí)際功率；
（4）根據(jù)杠桿的平衡原理分析平衡箱應(yīng)處的位置．

解答 解：1
（1）由杠桿的平衡條件F₁L₁=F₂L₂（動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂）可得：F₂=$\frac{{F}_{1}{L}_{1}}{{L}_{2}}$，由此可知當(dāng)阻力臂和動(dòng)力不變時(shí)，阻力與動(dòng)力臂成正比；即動(dòng)力臂越大，阻力越大；動(dòng)力臂越小，阻力越�。�故為保持平衡，起重臂的長(zhǎng)度越長(zhǎng)的塔式起重機(jī)，配備的平衡重的質(zhì)量應(yīng)越大；
（2）配重物的重力G=mg=2×10⁴kg×10N/kg=2×10⁵N；
根據(jù)杠桿的平衡條件F₁L₁=F₂L₂可知，
起重機(jī)在最大起吊幅度時(shí)能吊起物體的重力G′=$\frac{G{L}_{1}}{{L}_{2}}$=$\frac{2×1{0}^{5}N×10m}{25m}$=80000N
由G=mg可得：m=$\frac{G′}{g}$=$\frac{80000N}{10N/kg}$=8000千克；
由圖可知，有兩段繩子吊著物體，
而v_物=2m/s，
所以繩子末端移動(dòng)的速度為：v_繩=2v_物=2×2m/s=4m/s
吊起最重的貨物后，在電動(dòng)機(jī)的牽引下，吊起的貨物以2m/s的速度從起重臂的最右端向O點(diǎn)移動(dòng)，同時(shí)平衡箱也以某一速度向O點(diǎn)移動(dòng)，在此過(guò)程中，確保起重機(jī)起重臂、平衡臂始終平衡的情況下，根據(jù)杠桿的平衡條件F₁L₁=F₂L₂可得，
G′（L₂-v_繩t）=G（L₁-vt），
80000N（25m-4m/st）=200000N（10m-vt），
解得v=1.6m/s；
（3）有用功W_有用=Gh=1.2×10^4_N×30m=3.6×10⁵J，
總功W_總=$\frac{{W}_{有用}}{η}$=$\frac{3.6×1{0}^{5}J}{90%}$=4×10⁵焦，
實(shí)際功率P=$\frac{{W}_{總}(cāng)}{t}$=$\frac{4×1{0}^{5}J}{50s}$=8000W；
（4）由于平衡臂重、起重臂重、動(dòng)滑輪重、繩重及吊鉤重均不計(jì)，根據(jù)杠桿的平衡原理，平衡箱應(yīng)處在O點(diǎn)，因?yàn)闊o(wú)論處在左側(cè)還是右側(cè)杠桿都不會(huì)平衡，只有處在O點(diǎn)才能保持平衡，故應(yīng)位于O點(diǎn)．
答：（1）大；
（2）8000kg；平衡箱移動(dòng)的速度是1.6m/s；
（3）該起升電動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率是8000瓦；
（4）平衡箱應(yīng)處在O點(diǎn)．

點(diǎn)評(píng) 本題考查杠桿的平衡條件，要求學(xué)生能熟練應(yīng)用平衡條件解決生產(chǎn)生活中的一些現(xiàn)象；機(jī)械功有兩種表達(dá)式即W=FS和W=Pt，注意在題目中的靈活應(yīng)用．此題應(yīng)用到的公式較多，在計(jì)算時(shí)要注意公式的化簡(jiǎn)．