第 8 章 第 5 节 机械效率

随着人类文明的不断发展，各类功能不同的机械逐步代替人类完成一些繁重而复杂的工作，例如，机械手（图 8–5–1）能模仿人类手部的动作用以抓取、搬运物件或操作工具。机械的大量使用也使人类对能源的需求越来越大。机械工作的过程中，是否做的功越多，能量利用的效率也越高呢？

使用机械可以省功吗？

生活中，许多机械都能达成省力效果。例如，使用省力杠杆可以省力，使用动滑轮也可以省力。长期以来，人们很想知道使用机械能否省功。为了回答这个问题，我们就要测量使用机械前后的做功情况。通过比较使用机械前后所做的功来判断使用机械是否可以省功。

什么是机械效率？

实际情况下，使用任何机械都不可避免地要做一些额外功，有用功只是总功的一部分，有用功在总功中所占比例越大，机械对外界输入能量的利用程度就越高，也就是机械工作的效率越高。物理学中把有用功与总功之比叫做机械效率（mechanical efficiency），通常用百分率表示，符号是 η，即

\[\eta = \frac{{{W_{有用}}}}{{{W_总}}} \times 100\% \]

示例 · 机械手臂将 G = 60 N 的重物匀速提升了 h = 0.5 m（空气阻力忽略不计）。在这个过程中机械手臂一共做功 W_总 = 100 J。该机械手臂提升重物的机械效率是多少？

解：机械手臂匀速提升重物的拉力 F = G，提升距离 s = h，因此，机械手臂做的有用功

W_有用 = Fs = Gh = 60 N×0.5 m = 30 J

因此，机械手臂的机械效率

η = \(\dfrac{{{W_{有用}}}}{{{W_总}}}\)×100% = \(\dfrac{{30\;{\rm{J}}}}{{100\;{\rm{J}}}}\)×100% = 30%

提升机械效率可以通过减少额外功从而提升有用功在总功中的占比来实现。任何机械的机械效率总小于 100%。起重机的机械效率一般为 40% ~ 50%，抽水机的机械效率一般为 60% ~ 80%。

减少额外功的方法通常是减小摩擦或者使用质量更小的轻型机械。