一文读懂初中物理中的轮轴

九年级上册第一章内容是《简单机械和功》，在滑轮的阅读部分中提到了轮轴。课本上是这么讲的：轮轴是由具有公共转轴的大轮和小轮组成。轴心O为支点，大轮半径R和小轮半径r分别为动力臂和阻力臂，根据杠杆原理，可得F1R=F2r，因为R＞r，所以F1＜F2，可见轮轴相当于一个省力杠杆。

书上的解释不够细，本文把它讲的细一些。轮轴一般分为两种，一种是扳手，大轮与小轮是分离的，设计目的是改变大轮与小轮的相对位置（分开或嵌入）；一种是其他，大轮与小轮是一体的，设计目的是改变小轮与外物的的相对位置（分开或嵌入）或通过小轮对外物施加力，比如螺丝刀、门把手、钥匙、汽车方向盘、旋转水龙头。

以下以扳手和螺丝刀为例对这两类轮轴进行解释。

先讲扳手。下面第一张图是立体的使用场景图；第二个图是平面的分析图，它可看做前者的俯视图。

扳手卡在螺母上后，与螺母融为一体，手推动扳手末端，在手的推力的作用下，它们绕着螺栓的轴线，以扳手末端到轴线的距离为半径转动，而螺栓是不动的，因此最终可使螺母套到螺栓上或者从螺栓上拧下来。

扳手与螺母的结合体相当于一个杠杆。支点是点O（俯视轴线看到的就是这个点），特殊的是支点不在杠杆上；动力是人的手给扳手末端的推力；动力臂是动力作用线到点O的距离，当推力垂直扳手的时候，就是扳手末端到点O的距离R，此时最省力；由于螺母与螺栓紧密接触，当螺母转动的时候，螺母与螺栓接触的内表面上处处受到螺栓施加的摩擦力（滑动摩擦力），这就是阻力，我们可以在螺母与螺栓接触的内表面上任意选取一点为代表作为阻力的作用点，阻力方向与螺母内表面相切，且与螺母转动方向相反；阻力臂是螺栓的半径r。

接下来讲螺丝刀。下面第一张图是立体的使用场景图；第二张图是平面的抽象图，它可看做前者的正视图；第三张图是平面的分析图，它可看做立体图的俯视图。

螺丝刀插入到螺丝上端的凹槽（十字形或梅花形）里后，与螺丝融为一体，手握紧螺丝刀转动，在手的摩擦力的作用下，它们绕着螺丝刀和螺丝组合体的轴线，沿着螺丝刀表面所在大圆转动，而桌子是不动的，因此最终可使螺丝转进桌子里或者从桌子里拧出来。

螺丝刀与螺丝的结合体相当于一个杠杆。支点是点O（俯视轴线看到的就是这个点）；由于人的手紧握螺丝刀，螺丝刀转动的时候，螺丝刀表面与手接触的部分处处受到手施加的摩擦力（静摩擦力），这就是动力，我们可以在螺丝刀表面任意选取一点为代表作为动力的作用点，动力方向与螺丝刀表面所在大圆相切，且与螺丝刀转动方向相同；动力臂是螺丝刀表面所在大圆的半径R；由于螺丝与桌子内部紧密接触，当螺丝转动的时候，螺丝表面嵌入桌子的部分处处受到桌子施加的摩擦力（滑动摩擦力），这就是阻力，特殊的是阻力和动力不在一个平面内（分析图为了方便分析沿轴线方向把阻力平移到与动力一个平面内），我们可以在螺丝表面嵌入桌子的部分任意选取一点为代表作为阻力的作用点，阻力方向与螺丝表面所在小圆相切，且与螺丝转动方向相反；阻力臂是螺丝的半径r。

有的轮轴，力不是直接作用在轮上，而是通过缠绕在轮上的绳子来施加力，比如古代用来取水的装置。这种转轴，绳子缠绕在轮上，手拉着缠绕大轮的绳子（或者直接用手推大轮），重物坠着缠绕小轮的绳子。它是上面讨论的第二种轮轴，即大轮与小轮是一体的。当手或重物给绳子施加力的时候，轮表面与绳子接触的部分处处收到绳子的摩擦力（静摩擦力），只是动力和阻力都选取了绳端部分在轮面上的切点为代表作为力的作用点。

以上就是我对轮轴的所有分析。该部分内容设置在课本的阅读部分，显然属于拓展和了解，无须理解和掌握，但是、但是、但是，学生们是喜欢刨根问底的，个别地方个别考试也会考，那么课本的简单阐述就不够用了。无论是满足学生们们的好奇心还是应对可能的考试，将细节的“黑盒子”打开，都十分有必要，因此有了本篇文章。