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文/张虎岗著有《发现不一样的物理》《挑战压轴题·中考物理·轻松入门篇》等为什么使用机械时省力与省距离不可兼得，要实现省力的目的就必然要付出费距离的代价呢？因为：使用任何机械都不能省功。这个结论曾被称为“机械的黄金定律”。当你选择机械代替人工作时，可以以省力为目的，也可以以省距离为目的，或者为了比徒手操作更方便，但是千万别指望着省功。复杂的机械是由简单机械组合而成的，功的原理当然也就适用于一切机械。在物理学中，力和物体在力的方向上移动距离的乘积叫做机械功，简称功。即：功＝力×距离。在物理中，功用W表示、力用F表示、距离用s表示，所以功的表达式为：W＝Fs。在国际单位制中，功的单位是焦耳，简称焦，用J表示。1J＝1N·m。当物体由于受到重力而下落时，是重力做功；克服物体所受重力，把物体匀速举高时，举起物体的力等于它所受的重力。在这两种情况下，F＝G。物体在竖直方向方向上移动的距离等于物体被举高的高度，即s＝h。这样，当重力做功或克服重力做功时，功的公式也可以写作：W＝Gh。因为两个鸡蛋所受的重力大约是1N，所以1J大约等于把两个鸡蛋托起1m高对鸡蛋做的功。运动有长短之分，快慢之别。做功也是一样，不仅有多有少，还有快有慢。比如把同样装满同样一车的沙子，挖掘机比你用的时间要少多了。在物理学中，用功率表示做功的快慢。功与做功所用时间之比叫做功率。功率用P表示，因此它的公式是P=W/t。国际单位制中，功率的单位是瓦特，简称瓦，用W表示。就像物体运动的速度可能会发生改变，物体做功的功率也不总是一成不变的。在这种情况下，利用功率的定义式计算出的功率往往是物体在某段时间内做功的平均功率。要想计算出物体在某一时刻的瞬时功率，则需要用力乘以速度，即P＝Fv。如果物体做匀速直线运动，则瞬间功率与平均功率的数值是一样的。根据P＝Fv可以解释机动车上坡时为什么要用低挡。这是因为上坡时需要较大的牵引力，机动车的功率一定，所以为了获得较大牵引力，应降低车速。功率是机器的一个主要性能。在选购机器时，要根据实际需要选择功率大小合适的机器。利用机械做功来说，不仅会考虑做功多不多、快不快，还会涉及做功好不好的问题。多不多是指利用机械所做的功，快不快是指做功的功率，好不好则是指机械效率。在物理中，将有用功与总功的比值叫做机械效率，机械效率越高，说明有用功在总功中所占比例越大。总功是人们利用机械做功时，作用在机械上的动力对机械做的功，用W总表示；在总功中，有一部分是为了达到目的而做的功，叫做有用功，用W有用表示；剩下的一部分功，并不是人们需要的，但是又不得不做的功，叫做额外功，用W额外。它们的关系是：W总＝W有用＋W额外。为了帮助你理解总功、有用功与额外功，不妨以买西瓜做个类比。买西瓜花的钱相当于总功，但是你买到的不仅包括吃到肚里的瓜瓤，还有丢掉的瓜皮。西瓜瓤是你需要的，西瓜皮是不需要的，但是买西瓜时也不能去皮。这样看来，你买瓜瓤花的钱相当于有用功，买瓜皮花得钱相当于额外功。相信你瓜皮薄一些你会更高兴，如果最后剩下一堆厚厚的瓜皮，一定觉得这瓜买得有点儿不划算了。机械效率的符号是η，常用百分数表示，它的计算式为：因为额外功不能消灭，有用功总是小于总功，所以机械效率总是小于1。使用滑轮组竖直向上提升重物时（如图所示），目的是提升重物，因此克服物重所做的功是有用功，W有用＝Gh；人施加在绳端的拉力所做的功是总功，W总＝Fs。在提升重物的过程中，由于绳重、摩擦的存在，并且也会将动滑轮提升，克服绳重及摩擦、提升动滑轮也要做功，但这些功并不是我们的目的，所以这些功都属于额外功，W额＝W总－W有用。 现在让我们再回忆一下功的原理：使用任何机械都不能省功。这里所说的“功”是指有用功。额外功是可以省一些的，当然总功也就随之减小了。比如，使用滑轮组把一定的重物提升一定高度，有用功是一定的，这部分是无论如何也不能省力。但是，你可以把动滑轮变轻一些，这时额外功变小一些，总功也会随之变小。也就是说，额外功与总功还是可以“省”一些的。 计算滑轮组的机械效率是常见的问题。一般的思路是：先根据W有用＝Gh、W总＝Fs分别计算出有用功和总功，再根据η＝计算出滑轮组的机械效率。但是当s、h未知且无法求出时，便无法求出W有用与W总，自然也就不能根据η＝求出机械效率了。但是天无绝人之路，只要将机械效率公式稍加拓展，不需要求出W有用与W总，也能求出机械效率。计算滑轮组的机械效率的前提是“不计绳重及摩擦”；在考虑绳重与摩擦时，使用该式计算出的机械效率会偏大。另外，从这一计算式中，还可以知道滑轮组的机械效率与绳端移动的距离和物体被提升的高度无关，影响滑轮组机械效率的主要因素是物重与动滑轮重。使用同一滑轮组提升物体时，物重越大，机械效率越高；在物重一定时，使用的动滑轮越轻，机械效率越高。如果考虑摩擦，通过加润滑油来减小摩擦也能提高机械效率。
如果你觉得计算滑轮组的机械效率不过如此，可就错了。因为让物体“入水”，滑轮组还能浮力结合在一起兴风作浪，如图所示。在物体上表面未露出水面的过程中，提升物体所用的力等于物重与它所受的浮力之差，这时有用功W有用＝（G－F浮）h。则在此过程中，滑轮组的机械效率看到这里，再进一步，你或许还能推理出，将物体提出水面的过程中，滑轮组的机械效率会逐渐变大，直到全部露出水面后又保持不变。如果你觉得将物体“入水”后，只是把原来的G替换成了G－F浮，并没有什么大不了，那么让滑轮组“躺平”就不会这么简单了，如图所示。这时不需要克服动滑轮重做额外功了，有用功也变成了克服物体所受地面的摩擦力所做的功，即W有用＝fL，L为物体在水平面上移动的距离。相应计算它的机械效率的公式也就变成了如下几种：在物体“入水”和“躺平”的情景中，可以计算拉力、速度、有用功、总功、机械效率、动滑轮重、浮力、摩擦力等等。除此以外，在重物未离开水平地面时，还可计算重物或人对地面的压强；如果想继续增加难度，还可以将滑轮组与杠杆、斜面结合起来。如果再加上坐标图象，要想解题可真是难上加难了！
由此来看，在力学中，虽然滑轮组算不上最重要的知识，但它却能做为一个节点，连接起力学中的各个知识点。命题者以滑轮组为战场，对力学中的各个知识点排兵布阵。而解题者以各路公式为兵法谋略运筹帷幄。虽然没有刀光剑影血流成河，但也可能殚精竭虑百思莫解。
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