阿基米德螺旋泵
螺旋在生活中较为常见，而它是斜面的一种变形。对它的利用可以从古希腊时代说起……
阿基米德出生于公元前287年的希腊叙拉古城。当时的叙拉古经济空前繁荣，科学研究之风甚浓，城里的许多人对哲学、几何学等颇有研究。他们喜欢辩论，把这当作学习的机会，阿基米德从小生活在这种氛围之中，养成了喜欢思索、学习的良好习惯。
当时处于尼罗河河口的亚历山大城，是地中海东部政治、经济、文化的中心，那里聚集了许多第一流的科学家。好学的阿基米德也来到亚历山大城，在这里学习数学、天文学和力学。一个星期天，阿基米德和同学们一起乘木船，在尼罗河上缓缓地行驶，两岸旖旎的风光让他目不暇接。忽然，他看到一群人在用木桶拎水，便问道：“他们干嘛要拎水？”“河床地势低，农田地势高，农民只好拎水浇地了。”一位当地的同学告诉他。“这样拎水的效率太低了，浇一丘田不知要拎多少桶。”阿基米德心中产生了对农民的同情心。
回去后，阿基米德的眼前总是闪现出农民拎水时吃力的样子。“可不可以让水往高处流呢？”阿基米德开始思考这一问题。渐渐地，在阿基米德的脑海中产生了一个设想：“做一个大螺旋，把它放在一个圆筒里。这样，螺旋转起来后，水不就可以沿着螺旋沟带到高处去了吗？”
阿基米德立即根据这一设想，画出了一张草图。他拿着这张草图去找木匠，请求师傅帮他做一个用于泵水的工具。经阿基米德的指点，木匠制出了一个怪玩意儿形如图5.4.1所示。阿基米德将这个东西搬到河边，并把它的一头放进河水里，然后轻轻地摇动手柄。“咕噜噜”，只见河水在摇动手柄的同时，从怪东西的顶端不断地涌出来。水，果然往高处流了。
图5.4.1 阿基米德螺旋泵
前来围观的农民，被这神奇的东西迷住了。他们纷纷赞扬阿基米德为农民做了一件大好事。不久，这种螺旋水泵在尼罗河流域，乃至更广大的范围流传开了。人们把这种水泵称为阿基米德螺旋泵。一些现代工厂仍然使用这种阿基米德螺旋泵来移动流质和粉物。
表5.4.1 分层学习要求
在大山中常修建“山路十八弯”的盘山公路（见图5.4.2），一段一段的盘山公路可近似的看成是一段又一段的斜面。公路为什么要修建成斜面盘旋向上呢？
图5.4.2 盘山公路
或许你已经猜想到：使用斜面可以省力。没错，它可以省力！斜面是简单机械的一种，是一个与水平面成一定夹角的倾斜平面。是否倾斜度越小越省力呢？
斜面的工作特点
实验探究
斜面的工作特点
（1）如图5.4.3所示，用长木板、小木块组装斜面。
图5.4.3 组装斜面
（2）用弹簧测力计缓慢将物体竖直提升h高度，读出示数F=G物。
（3）将同一物体放在斜面底端，用弹簧测力计把物体从斜面底端缓慢拉至高度h处，记录下弹簧测力计的示数F1，并测量物体沿斜面向上运动的路程s1。
（4）不断增大斜面倾角，重复（3）步骤，记录弹簧测力计示数F和路程s，填入表5.4.2。
表5.4.2 实验数据记录表
分析论证
通过实验数据分析：将同一物体搬运到同一高度，斜面的倾角越小，斜则越________（选填“省力”“费力”），但_______距离（选填“省”“费”）。反之，斜面的倾角越大，则越______（选填“省力”、“费力”），但________距离（选填“省”“费”）。
1.你能分析出斜面为什么省力吗？
斜面的应用
斜面在日常生活中很常见。除了前面提到的盘山公路，还有利用斜面给货车上货（见图5.4.4），城市建设的立交桥（见图5.4.5），还有每天可能会用到的拉链上的拉头（见图5.4.6），其设计前宽后窄，内部有左右两个斜面，轻松一拉就可以将拉链紧紧地咬合在一起。
图5.4.4 搬运货物
图5.4.5 立交桥
图5.4.6 拉链
特殊的斜面
●劈(www.xing528.com)
劈这类工具是斜面的变形，斧头就是常见的一种劈。劈柴时给斧头施加一个向下的力，插入木头里（见图5.4.7），这时两个斜面对侧边的压力之和等效于人所施加的这个向下的力（见图5.4.8），根据平行四边形定则分析可知，此时斜面对两侧面的力大于竖直向下的力，就这样将木头“挤”开，劈成两块。
图5.4.7 斧头劈柴
图5.4.8 受力分析
●楔
楔子的外形与劈相似，如图5.4.9甲所示，但其作用与劈相反，楔子常用于紧固物体。当某些木制家具连接处松动时，在空隙处牢牢插入几根大小合适的木楔（见图5.4.10），由于木楔的挤压，原来松动处接触面上产生较大的摩擦力，使之变得牢固。
图5.4.9 楔子
图5.4.10 楔子固定物体
●螺旋
螺旋也是斜面的变形，它可以看作是将一个小斜面绕在圆柱上。螺旋在机械上应用极广，如螺旋千斤顶（见图5.4.11）、螺丝钉（见图5.4.12）等。当我们将螺丝钉钉入木板后，再顺时针拧它，可以较容易的将其旋进木板里，因为螺旋具有将旋转运动转化为沿轴向运动的作用。
图5.4.11 螺旋千斤顶
图5.4.12 螺丝钉
在本节课前阅读提到的阿基米德螺旋泵也是对螺旋斜面的应用，它是一种输送液体的机械，具有结构简单、工作安全可靠，使用维修方便、出液连续均匀、压力稳定等优点。
●轮轴及在生活中的应用
轮轴是由轮和轴组成，能绕共同的轴线旋转的一种机械。杠杆绕支点可以转动，但有一定的转动范围，而轮轴可以看成连续转动的杠杆，比如一种汲水工具——辘轳（见图5.4.13）。
图5.4.13 辘轳
生活中常见的轮轴还有门把手、水龙头开关、汽车的方向盘，还有熟悉的自行车（见图5.4.14），其中很多部位都利用了轮轴，例如：脚蹬的踏板，车轮、齿轮等，同学们有兴趣可以继续研究……
图5.4.14 生活中轮轴的应用
●轮轴的平衡条件
轮轴在生活中的利用诸多实例，给我们带来了什么便利呢？以辘轳为例，分析轮轴的平衡条件。
人们使用辘轳时，用手柄摇动转轴，使轴上绕有绳索，绳索的另一端系水桶，就这样使水桶一起一落，提取井水。沿轴线方向观察辘轳，其实它就相当于可以绕轴中心能连续转动的杠杆，支点在轴线，如图5.4.15所示，R为轮半径，r为轴半径。F1为作用在轮上的力，F2为作用在轴上的力。
图5.4.15 辘轳的原理分析
与杠杆平衡状态一样，当轮轴匀速转动或处于静止时，我们就说轮轴处于平衡状态。根据杠杆的平衡条件
由于R＞r，因此F1＜F2，辘轳是省力的，因此轮轴在生活中的应用可以省力。
宇航外星探测设备“轮轴”
“轮轴”（Axle）是美国宇航局给类似于“轮轴”的新型外星车所起的名字。“轮轴”看上去非常简单，仅由一个两侧装有轮子的圆柱体组成，这也是美国宇航局新型外星车造型最简单的，但是其功能不容小觑。
轮子能够翻越过半米高的岩石，而且由于其结构非常对称，“轮轴”外星车免除了外星车在陡峭山坡上最大的烦恼：翻车。Axel的机械臂可以绕轮轴进行360°旋转。机械臂的用途是收集土壤样本，并在遭遇复杂地形时为轮子提供推动力。美国宇航局工程师沃尔普说，“纵使它翻了个底朝天也不要紧，因为底朝天就是头朝上，只不过是翻了个个儿”。同“登山者”一样，轮轴外星车通过绳索和悬崖顶部的较大的外星车连接。绳索可以卷绕，“轮轴”能探索对未系绳机器人来说太过陡峭而无法到达的区域。只不过“轮轴”外星车更为皮实，能够承受更大的考验。“轮轴”的轮子能够收起或充气，在着陆时能够缓冲很大的冲击力。美国宇航局曾对“轮轴”的工作样式进行过模拟实验。“轮轴”从宇航局“凤凰”号登陆器实体模型的顶部甲板启程，利用绳索向下“攀爬”一个露出地面的岩层，途中遭遇多岩地形。其机械臂尾端可以摆动，“轮轴”很顺利地取回土壤样本装进连接两个轮子的圆柱体中。接下来只需要通过绳索把“轮轴”摇回来即可。
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