Система блоков для подъема грузов своими руками: кто придумал, как можно увеличить КПД, формула в физике

Содержание

кто придумал, как можно увеличить КПД, формула в физике


Содержание:


  • Какие бывают блоки


  • Устройство и принцип работы полиспаста


    • Как работает простая конструкция блоков


  • Виды полиспастов


    • Что влияет на эффективность подъемника


  • Как можно увеличить КПД, формула в физике


    • Расчет полиспаста


    • Вычисление КПД полиспаста


  • Как сделать полиспаст своими руками


Содержание


  • Какие бывают блоки


  • Устройство и принцип работы полиспаста


    • Как работает простая конструкция блоков


  • Виды полиспастов


    • Что влияет на эффективность подъемника


  • Как можно увеличить КПД, формула в физике


    • Расчет полиспаста


    • Вычисление КПД полиспаста


  • Как сделать полиспаст своими руками



Какие бывают блоки

Блоки и системы блоков были известны человечеству с античных времен. Они служили для подъема грузов на высоту или перемещения грузов. Блоки выполняют важную задачу — изменяют направление действия силы и дают выигрыш в силе.

Блок — это простой механизм, который используют для преобразования силы.

Различают подвижный и неподвижный блоки.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Неподвижный блок представляет собой диск, который вращается вокруг своей оси, и имеет желоб по окружности. Желоб предназначен для скольжения в нем цепи, ремня, каната и т.д. У неподвижного блока ось закреплена, и при подъеме грузов не поднимается и не опускается. 

Неподвижный блок можно представить в виде равноплечего рычага, у которого плечи сил равны радиусу колеса. Поэтому неподвижный блок не дает выигрыша в силе, а лишь позволяет менять направление действия силы.

Подвижный блок представляет собой диск, ось которого перемещается вместе с грузом. Можно представить в виде рычага с плечами разной длины. Подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза и проигрыш в расстоянии так же в два раза. При использовании подвижного блока, нужно приложить в два раза меньше силы для подъема груза, но нить, к которой подвешен груз, должна быть в два раза длиннее. 

Для увеличения эффективности используют системы блоков.

Примечание

Объединив подвижные и неподвижные блоки в систему можно получить выигрыш в силе в несколько раз, а также изменить направление прикладываемой силы.

Устройство и принцип работы полиспаста

Полиспаст — это система блоков, в которой неподвижные и подвижные блоки соединены попарно и огибаются общей нитью (тросом, веревкой, цепью).

Полиспаст состоит из двух элементов:

  1. Шкив — это блок, металлическое колесо, которое по внешнему краю имеет желоб для нити. Для легкого вращения шкива используют роликовые подшипники.

  2. Гибкая связь — это нить (трос, цепь), которая огибает шкивы.

Как работает простая конструкция блоков

Принцип действия полиспаста основан на правиле рычага.

Неподвижный блок в полиспасте крепится к опоре и изменяет направление приложения силы, подвижный блок находится на стороне груза и дает выигрыш в силе. Массу груза поднимают, прилагая силу к нити, длина которой прямо пропорциональна выигрышу в силе. 

Виды полиспастов

По предназначению полиспасты делятся на: 

  1. Силовые полиспасты — дают максимальный выигрыш в силе. Но выигрыш в силе дает проигрыш в расстоянии. Например, чтобы поднять груз и выиграть в силе в 6 раз, на каждый метр поднятия груза, нужно натянуть 6 метров веревки. Это замедляет действие системы, потеря в скорости также будет в 6 раз.

  2. Скоростные полиспасты — инвертируемые силовые. Груз крепится к неподвижному блоку, а силу прилагают к подвижному. Затрачивается больше силы, и пропорционально увеличивается скорость поднятия груза.

На рисунке а) силовой полиспаст, б) скоростной.

В зависимости от сложности механизма, различаются:

  1. Простой полиспаст — представляет собой систему последовательно соединенных роликов. Все подвижные и неподвижные блоки, а также сам груз объединяются одной нитью.

  2. Сложный полиспаст — является системой полиспастов. Последовательно соединяются не отдельные блоки, а целые комбинации, которые вполне могут использоваться сами по себе. В этом случае один механизм приводит в движение другой подобный поочередно.

  3. Отличительная черта комплексного полиспаста — независимые ролики, движущиеся навстречу грузу. В состав комплексной модели могут входить как простые, так и сложные полиспасты.

Что влияет на эффективность подъемника

Главной характеристикой эффективности полиспаста считается его кратность.

Кратность показывает на сколько ветвей нити распределена тяжесть груза, и указывает какой выигрыш в силе дает полиспаст.

Кратность делится на: 

  1. Силовую — рассчитывается с учетом преодоления нитью силы трения и не идеальным КПД роликов.

  2. Кинетическую — равна количеству перегибов нити.

На эффективность полиспаста влияет:

  • количество блоков;

  • материал и вес нити;

  • диаметр и длина нити;

  • угол между канатом и средней плоскостью ролика;

  • тип подшипников;

  • отсутствие дефектов нити;

  • скольжение всех элементов.

Как можно увеличить КПД, формула в физике

Расчет полиспаста

Примечание

При расчете полиспаста нужно учитывать, что на механизм действуют силы трения, а нить не является идеальной, и имеет жесткость.

Для расчета выводят уравнение моментов для блока относительно оси:

\(Sсбег\;R\;=\;Sнабег\;R\;+\;q\;Sнабег\;R\;+\;Nfr\)

Где:

  • Sсбег — усилие со стороны сбегающей нити;

  • Sнабег — усилие со стороны набегающей нити;

  • q Sнабег — усилие для сгибания нити с учетом жесткости q;

  • Nf — сила трения в блоке, с учетом коэффициента трения f.

Для определения момента все силы умножаются на плече (R или r):

  • R — радиус блока;

  • r — радиус втулки.

Вычисляя воздействие на ось блока, часто пренебрегают силой разгибания блока. Формула получает вид:

\(N\;=\;2\;Sнабег\;\times\;\sin\;\alpha\)

Где:

  • N — воздействие на ось блока;

  • α — угол отклонения от оси.

Подставив это соотношение в вышеприведенное определение моментов получим:

 \(S_{сбег}\;=\;S_{набег}\;(1\;+\;q\;+\;2f\frac dD\;\sin ɑ)\)

Где:

  • D — диаметр блока;

  • d — диаметр оси блока.



 

Вычисление КПД полиспаста

Коэффициент полезного действия блока (КПД блока) — это отношение полезной работы к полной работе с учетом потерь на трение и жесткости нити.

Формула для расчета КПД блока (ηб):\(\eta б\;=\;\frac{S_{набег}}{S_{сбег}}\;=\;\frac1{1\;+\;q\;+\;2f\;\sin\;ɑ\;\times\;{\displaystyle\frac dD}}

\)Где:

  • D — диаметр блока;

  • d — диаметр оси блока;

  • q — коэффициент жесткости нити;

  • f — коэффициент трения;

  • α — угол отклонения от оси. t

    \)Где:

    • a — кратность полиспаста;

    • t — число отклоняющих блоков.

    Примечание

    КПД полиспаста, как и КПД блока, всегда меньше 1.

    В таблице представлены КПД полиспаста, при разной кратности и КПД блока.

    Как сделать полиспаст своими руками

     Для изготовления простого двукратного полиспаста потребуются:

    • 2 ролика;

    • подшипники;

    • 2 втулки;

    • нить;

    • 2 обоймы для блоков;

    • крюк для подвеса груза.

     Этапы работы:

    1. Соединить ролики, втулку и подшипники в обойму, таким образом получить два блока.

    2. Пропустить нить в первый блок.

    3. Прикрепить первый блок к неподвижной опоре.

    4. Пропустить нить через второй блок.

    5. Прикрепить ко второму блоку крюк.

    6. Зафиксировать свободный конец нити.

    7. Прикрепить груз к крюку.


    Насколько полезной была для вас статья?

    Рейтинг: 4.00 (Голосов: 4)

    Выделите текст и нажмите одновременно клавиши «Ctrl» и «Enter»

    Поиск по содержимому

    Полиспаст своими руками – чтобы стать сильней в несколько раз!

    ≡  5 апреля 2017   ·  Рубрика: Интересно знать   

    Для подъема больших грузов человек не очень силен, но он придумал очень много механизмов, которые облегчают данный процесс, и в данной статье мы обговорим полиспасты: направление и устройство систем такого типа, а еще попытаемся выполнить самый простой вариант подобного устройства собственными руками.

    1 Как мы упрощаем подъем грузов?

    Грузовой полиспаст – это система, которая состоит из канатов и блоков, благодаря которой можно выиграть в эффектной силе при потере в длине. Принцип очень простой. В длине мы проигрываем именно столько, во сколько раз оказался выигрыш в силе. За счёт этого золотому правилу механики можно приподнимать грузы большой массы, не прилагая при этом немалых усилий. Что как правило не очень критично. Приведем пример. Вот вы выиграли в силе в 8 раз, при этом вам потребуется вынуть веревку длиной в 8 метров, чтобы поднять объект на высоту 1 метр.

    Использование подобных устройств для Вас обойдется доступнее, чем аренда крана для подъемных работ, более того, вы можете сами контролировать выигрыш в силе. У полиспаста имеется две противоположные стороны: одна из них неподвижная, которая фиксируется на опоре, а остальная – подвижная, которая цепляется на самом грузе. Выигрыш в силе выполняется благодаря подвижным блокам, которые закрепляются на подвижной стороне полиспаста. Неподвижная часть служит исключительно для перемены пути движения самой веревки.

    Виды полиспастов выделяют по проблемы, четности и кратности. По проблемы есть обычные и трудные механизмы, а кратность означает умножение силы, другими словами, если кратность будет равна 4, то в теории вы выигрываете в силе в 4 раза. Также нечасто, но все таки применяется скоростной полиспаст, подобный вариант предоставляет выигрыш в скорости перемещения грузов при совсем небольшой скорости компонентов привода.

    2 Как работает обычная блочная конструкция?

    Рассмотрим сначала простой монтажный полиспаст. Его можно получить при добавлении блоков на опору и груз. Дабы получить нечётный механизм, следует укрепить конец верёвки на подвижной точке груза, а дабы получить чётный, то закрепляем веревку на опоре. При добавлении блока приобретаем +2 к силе, а подвижная точка предоставляет +1, исходя из этого. К примеру, дабы получить полиспаст для лебедки с кратностью 2, следует укрепить конец верёвки на опоре и применять один блок, который фиксируется на грузе. И у нас будет чётный вид устройства.

    Рабочий принцип полиспаста с кратностью 3 смотрится по-иному. Тут конец веревки фиксируется на грузе, и применяются два ролика, один из которых мы закрепляем на опоре, а иной – на грузе. Подобный тип механизма предоставляет выигрыш в силе в 3 раза, это нечётный вариант. Чтобы понимать, каков выигрыш в силе выйдет, воспользоваться можно несложим правилом: сколько канатов идет от груза, такой наш выигрыш в силе. Применяются в большинстве случаев полиспасты с крюком, на котором, говоря по существу, и фиксируется груз, неправильно размышлять, что это только блок и веревка.

    3 Трудная система блоков – как высчитать выигрыш в силе?

    Сейчас выясним, как работает полиспаст трудного типа. Под этим наименованием имеется в виду механизм, где соединены в одну систему несколько обычных вариантов данного грузового устройства, они тянут друг друга. Выигрыш в силе подобных конструкций рассчитывается путем умножения их кратностей. К примеру, мы тянем один механизм с кратностью 4, а иной с кратностью 2, тогда теоретический выигрыш в силе у нас будет равным 8. Все указанные выше расчеты имеют место быть только у замечательных систем, у которых нет силы трения, как показала практика же обстоят дела иначе.

    В любом из блоков выполняется невелика потеря в мощности из-за трения, так как она еще тратится как раз на преодоление силы трения. Для того чтобы сделать меньше трение, нужно не забыть: чем больше у нас радиус перегиба веревки, тем меньше будет сила трения. Целесообразно применять ролики с большим радиусом там, где это реально. При эксплуатации карабинов необходимо делать блок из похожих вариантов, но ролики намного эффектнее карабинов, так как на них у нас потеря составляет 5-30 %, а вот на карабинах же до 50 %. Также не лишним будет знать, что наиболее эффектный блок нужно располагать ближе к грузу для получения самого большого эффекта.

    Как же нам высчитать настоящий выигрыш в силе? Нам для этого важно знать КПД используемых блоков. КПД выражается числами от 0 до 1, и если мы применяем веревку крупного диаметра или через чур жёсткую, то результативность от блоков будет намного меньше, чем указана изготовителем. А это означает, нужно это предусмотреть и подкорректировать КПД блоков. Чтобы высчитать настоящий выигрыш в силе обычного типа грузоподъемного механизма, нужно высчитать нагрузку на каждую ветвь веревки и сложить их. Для расчета выигрыша в силе трудных видов нужно перемножить настоящие силы обычных, из которых он состоит.

    4 Веревка и ее роль в работе полиспаста

    Необходимо помнить так же и о трении веревки, так как ветви ее могут перекручиваться между собой, а ролики от высоких нагрузок могут собираться и зажимать веревку. Дабы этого не случалось, следует разнести блоки по отношению друг к другу, к примеру, можно между ними применять монтажную плату. Необходимо также покупать только статические канаты, не растягивающиеся, так как динамические дают серьёзный провал в силе. Для сбора механизма может применяться как отдельная, так и грузовая веревка, присоединенная к грузу независимо от устройства подъема.

    Плюсы применения индивидуальной веревки заключается в том, что вы можете быстро собрать или подготовить заблаговременно грузоподъемную конструкцию. Вы также можете применять всю ее длину, это также делает легче проход узлов. Из минусов можно вспомнить то, что отсутствует возможность автоматической фиксации поднимаемого груза. Плюсы грузовой веревки в том, что вероятна автофиксация поднимаемого объекта, и Отсутствует необходимость в индивидуальной веревке. Из недостатков главное то, что во время работы тяжело идти узлы, а еще доводится тратить грузовую веревку на сам механизм.

    Побеседуем об обратном ходе, который неизбежен, так как он может появиться при прихватывании веревки, либо же в момент снятия груза, или при остановке на отдых. Чтобы обратного хода не появилось, нужно применять блоки, которые пропускают веревку исключительно в одну сторону. При этом организовываем конструкцию так, что блокирующий ролик фиксируется первым от поднимаемого объекта. За счёт этого, мы не только избегаем обратного хода, но еще позволяем зафиксировать груз на определенный период времени разгрузки либо же просто перестановки блоков.

    Если вы применяете отдельную веревку, то блокирующий ролик фиксируется заключительным от поднимаемого груза, при этом фиксирующий ролик должен владеть большой эффективностью.

    5 Варианты крепежа веревки к грузоподъемному механизму

    Сейчас немножко о креплении грузоподъемного механизма к грузовой веревке. Нечасто, когда у нас рядом пребывает веревка необходимой длины, чтобы зафиксировать подвижную часть блока. Вот пару видов крепления механизма. Первый метод – при помощи схватывающих узлов, которые вяжутся из репшнуров диаметром 7-8 мм, в 3-5 оборотов. Этот вариант, на практике, считается самым лучшим, так как схватывающий узел из 8 мм шнура на веревке диаметром 11 мм начинает сползать только при нагрузке 10-13 кН. При этом сначала он не деформирует веревку, а через некоторое время, оплавляет оплетку и прикипает к ней, начиная играть роль предохранителя.

    Иной вариант состоит в применении зажима общего направления. Время показало, что его можно применить на обледенелых и мокрых канатах. Он начинает ползти только при нагрузке в 6-7 кН и несильно повреждает веревку. Очередной метод состоит в применении личного зажима, но он считается не предлагаемым, так как он начинает ползти при усилии уже в 4 кН и при этом рвет оплетку, либо даже может покушать веревку. Все это промышленные образцы и их использование, мы же попробуем сделать рукодельный полиспаст.

    6 Создаём самый простой подъемник собственными руками

    А вот если механизм для грузов необходим немедленно или на 1 раз, а подбирать по магазинам его не хватает времени и жалко наличных средств, мы расскажем, как выполнить полиспаст собственными руками. Отлично, если у вас в мастерской есть резьбовые шпильки, подшипники, блок, трос, крючек, шестеренка. Нужно будет мало времени: необходимо подшипники насадить на шпильку. Гайку от шпильки неплохо бы закрепить, чтобы не расходовать определенную часть сил коту под хвост на прокручивание своеобразного вала. Конец шпильки можно снабдить шестеренкой, сделав подобным образом намного удобный ручной привод.

    Через блок перекидываем трос и закрепляем его на опоре, а вот на второй конец цепляем крючек, на который станем вешать груз. Также на конце троса можно закрепить систему строп, если характер груза не даст возможность его насадить на крючек. Как правило, самый самый простой вариант полиспаста готов. Остается начать работу, выполняя технику безопасности, которая одинакова для абсолютно всех механизмов, как покупных, так и самодельных. Тщательно контролируйте все детали на цельность перед работой, а в рабочий период не нужно делать резких движений, приподнимать груз следует медлено, и, разумеется, не стоит стоять под подвешенным грузом.

    Как упростить ручной подъем, настроив систему блоков и такелажных шкивов

    27.11.19 — Zoro Staff

    Система блочных и такелажных шкивов представляет собой набор веревок и шкивов, который позволяет распределять силу для расстояния, и их можно найти в повседневных, обычных приложениях, таких как такелаж на парусной лодке, флагштоки, оконные жалюзи, подъемные механизмы или даже большие строительные краны. Проще говоря, блок и захват — это комбинация веревки и двух или более шкивов, которая уменьшает количество силы, необходимой для подъема груза. Это повышенное механическое преимущество (IMA) системы блоков и захватов, которое облегчает подъем, а IMA блоков и захватов определяется количеством раз, которое веревка проходит через шкивы. Один шкив равен одному преимуществу, два шкива равняются двум преимуществам и т. д. Чтобы поднять 100 фунтов, система с одним шкивом будет равна 100 фунтам. необходимой подъемной силы. Однако два шкива будут означать только 50 фунтов. подъемной силы необходимо, чтобы поднять те же 100 фунтов, в то время как для системы с тремя шкивами потребуется всего 33 фунта. подъема на тяговом канате.

    Признанный историей как одна из величайших «шести простых машин», когда-либо созданных, первое задокументированное использование шкива было греческим ученым Архимедом около 250 г. до н.э. Считается, что он почти наверняка использовался при создании знаменитого Стоунхенджа в Соединенном Королевстве.

    Помимо истории, есть шесть аспектов, которые следует учитывать при установке системы блоков и тали: функция, подъем с помощью шкива, подъем с помощью блока и тали, механическое преимущество, сила и работа и трение.

     

    Функция

    Система блокировки и захвата чаще всего используется там, где большегрузная машина не может использоваться для подъема тяжестей. По этой причине требуется искусственная подъемная сила, и именно здесь вы можете увидеть систему, используемую, например, на лодке с парусами (поскольку использовать кран большой мощности было бы крайне непрактично).

     

    Подъем с помощью шкива

    Стандартный шкив представляет собой просто одно колесо на оси с протянутым по нему канатом. Для базового подъема 100 фунтов один стационарный блок можно было прикрепить к стропилам здания, через него пропустить веревку, а затем один конец веревки прикрепить непосредственно к грузу в 100 фунтов. Другой конец веревки предназначен для ручного натяжения груза для его перемещения. В этом случае каждый раз, когда веревку тянут на один фут с усилием 100 фунтов. силы, груз будет поднят на один фут. Если что-то меньше 100 фунтов. приложена подъемная сила, груз вообще не сдвинется.

     

    Подъем с помощью блока и талей

    При такой настройке к грузу можно прикрепить второй шкив вместо того, чтобы прикреплять канат непосредственно к грузу. Затем, пропуская веревку через стационарный блок, прикрепленный к стропилам, создается система блоков и талей. Теперь веревка дважды проходит между стропилами и грузом каждый раз, когда тянут свободный конец веревки. Веревку нужно тянуть на два фута, чтобы поднять груз на один фут в воздух. Однако только 50 фунтов. подъемной силы потребуется, чтобы поднять груз весом 100 фунтов.

     

    Механическое преимущество

    Это несоответствие между силой, необходимой для перемещения объекта, и весом объекта является механическим преимуществом (или увеличенным механическим преимуществом = IMA) блока и снасти. Чтобы рассчитать IMA, либо разделите вес поднимаемого объекта на силу, необходимую для его подъема, либо разделите количество веревки, которую необходимо потянуть. Чтобы определить механическое преимущество машины первым методом, вы должны разделить вес груза, 200 фунтов, на 200 фунтов. например, по количеству силы, необходимой для его подъема, 100 фунтов, что дает вам IMA, равное двум. Разделив количество веревки, протянутой за один раз, два фута, на расстояние, на которое поднимается ящик, один фут, мы получим тот же ответ — IMA, равный двум. Как правило, количество отрезков каната между двумя шкивами в блоке и полиспасте соответствует IMA системы или машины. В приведенном выше примере с блоком и захватом два отрезка веревки, проходящие через два блока, приводят к IMA, равному двум.

     

    Сила и работа

    При этом исследуется отношение выполненной работы (вытягивания каната) к создаваемой силе и создаваемой подъемной силе. В то время как блок и захват могут уменьшить количество силы, необходимой для перемещения груза, они не меняют объем работы. Блок и захват с IMA 4 позволяют поднять груз весом 4 фунта с усилием в один фунт. Однако для подъема груза на один фут требуется, чтобы веревку тянули на 4 фута.

     

    Трение

    Наконец, последний аспект, который необходимо учитывать, это трение. Каждый раз, когда объект движется против другого, часть энергии этого движущегося объекта теряется из-за трения. В случае блока и захвата с движущимся канатом и шкивами трение уменьшит IMA машины. Разделив вес поднимаемого объекта на вес, необходимый для его подъема, вы сможете рассчитать влияние трения на IMA блока и снасти.

     

    С момента своего изобретения в древние времена система блоков и полиспастов стала одной из величайших простых машин всех времен. Если вам нужно поднимать или перемещать тяжелые предметы с меньшими усилиями, установка системы блоков и полиспастов по-прежнему остается подходящим вариантом.

    У Zoro есть все, что вам нужно для создания эффективных блочных и такелажных машин с использованием наших аксессуаров для подъемных кранов, включая шкивы и шкивы для использования с проволочными канатами, волокнистыми канатами и т. д.

    Чтобы защитить себя при переноске грузов вручную, обязательно ознакомьтесь с нашим широким выбором кожаных перчаток для ладоней, чтобы обеспечить улучшенный захват для более безопасного подъема груза.

    Соответствие требованиям и пригодность продукта

    Информация о продукте, содержащаяся в данном руководстве, предназначена только для общих информационных целей. Такие заявления о продукте не являются рекомендацией продукта или заявлением относительно уместности, точности, полноты, правильности или актуальности предоставленной информации. Информация, представленная в этом руководстве, не заменяет использование вами каких-либо инструкций производителя, технических руководств по продукту или других доступных вам профессиональных ресурсов или консультантов. Всегда читайте, понимайте и следуйте всем инструкциям производителя.

    Как работают шкивы? — Объясните, что Stuff

    Как работают шкивы? — Объясните этот материал

    Вы здесь:
    Домашняя страница >
    Инструменты, инструменты и измерения >
    Шкивы

    • Дом
    • Индекс А-Я
    • Случайная статья
    • Хронология
    • Учебное пособие
    • О нас
    • Конфиденциальность и файлы cookie

    Реклама

    Вы, наверное, видели этих потрясающих телесиловиков, которые умеют тянуть машины.
    своими волосами и волочат поезда зубами. Но знаете ли вы
    наука тоже может сделать тебя сильным? Если вам нужно поднимать большие веса,
    не напрягайте спину: используйте силу науки — и удивительную
    устройство под названием шкив . Давайте подробнее рассмотрим, как они работают! №

    Фото: Шкив, установленный на огромной подъемной раме для повышения безопасности использования. Благодаря силе шкивов один человек может поднять гораздо больший вес, чем его собственный вес, не напрягая при этом никаких мышц, потому что дополнительный вес поддерживают несколько веревок или цепей. Фото Р. Б. Хотарда предоставлено Корпусом морской пехоты США.

    Содержание

    1. Что такое шкивы?
    2. Давайте разберемся с массой и весом!
    3. Как работают шкивы
    4. В чем подвох?
    5. Что такое блок и снасть?
    6. Узнать больше

    Что такое шкивы?

    Шкив представляет собой просто набор из одного или нескольких колес, на которые наматывается веревка, чтобы было легче поднимать предметы.

    Шкивы являются примерами того, что ученые называют простыми механизмами. Это не значит, что они напичканны двигателями и
    шестерни; это просто означает, что они помогают нам умножать силы. Если вы хотите поднять очень тяжелый
    веса, силы, которую могут приложить ваши мышцы, не так много, даже если
    ты самый сильный человек в мире. Но используйте простую машину, такую ​​как
    шкив, и вы сможете эффективно увеличить силу, которую производит ваше тело.

    Фото: Шкив и крюк большого крана. Любой вес, свисающий со дна этого крюка, будет поддерживаться 16 отрезками проволочного каната над ним. Чем больше отрезков веревки намотано на шкив, тем легче его поднять. Фото Джета Лоу, Historic American Engineering Record (HAER), любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.

    Давайте разберемся с массой и весом!

    Прежде чем мы двинемся дальше, давайте четко разберемся с разницей между весом и массой.
    Это поможет в тот момент, когда мы будем говорить об использовании шкивов для подъема весит (что на самом деле является массой ) с определенной суммой силы . В двух словах:

    • Масса — это количество материала, из которого что-то сделано или содержится, измеряемое в килограммах (или фунтах).
    • Вес – это сумма силы , с которой гравитация Земли притягивает определенную массу:
      чем массивнее что-то, тем больше гравитационная сила, и тем больше мы говорим, что оно весит.

    Фото: Сколько силы в ньютоне? Этот апельсин имеет массу около 100 г (0,1 кг), поэтому мне нужно приложить силу 1 Н (один ньютон), чтобы удержать его в воздухе. Грубо говоря, мы говорим, что апельсин «весит» 100 г; строго говоря, он весит 1 Н.

    Если вы человек массой 80 кг, земное притяжение притягивает вас с силой 800 ньютонов.
    (на Земле ваш вес в ньютонах всегда примерно в 10 раз больше вашей массы в килограммах, потому что
    Земля притягивает каждый килограмм массы с силой 10 ньютонов).
    Строго говоря, мы должны взвешивать вещи в единицах силы (ньютонах), так что если ваша масса
    80 кг, ваш вес на самом деле 800 ньютонов. Но в повседневной речи мы склонны путать массу и вес и вместо этого говорить о весе в килограммах (или фунтах). Точно так же, хотя килограмм является единицей массы, а не силы, можно говорить о силе, эквивалентной данной массе, потому что все массы
    обычно преобразуются в силы таким же образом. Подробнее об этом вы можете прочитать в нашей статье о
    веса и балансы.

    Как работают блоки

    Чем больше у вас колес и чем больше раз вы обвиваете их веревкой, тем больше вы можете поднять.

    Одно колесо

    Если у вас есть одно колесо и веревка,
    шкив помогает изменить направление подъемной силы. Таким образом
    на картинке ниже вы тянете веревку вниз, чтобы поднять
    взвесить. Если вы хотите поднять что-то весом 100 кг, вам нужно
    тянуть вниз с силой, эквивалентной 100 кг, что составляет 1000 Н (ньютонов). Если вы хотите поднять
    вес 1 м в воздухе, вы должны потянуть за свободный конец веревки всего
    расстояние 1 м на другом конце.


    Иллюстрация: как работают шкивы №1: с одним колесом шкив просто меняет направление прилагаемой силы на противоположное. Это не изменяет силу каким-либо другим образом.

    Два колеса

    Теперь, если вы добавите дополнительные колеса и обмотаете их веревкой,
    вы можете уменьшить усилия, необходимые для подъема веса.
    Предположим, у вас есть два колеса и веревка, обмотанная вокруг них, как показано на рисунке ниже.
    Масса 100 кг (вес 1000 ньютонов) теперь эффективно поддерживается двумя секциями одной и той же веревки.
    (две нити слева) вместо одной (не обращая внимания на свободный конец веревки, за которую вы тянете),
    а это значит, что вы можете поднять его, потянув с усилием всего в 500 ньютонов — вдвое меньше!
    Вот почему мы говорим о шкиве с двумя колесами и обмотанном вокруг него канате.
    таким образом, дает механическое преимущество (ME) из двух.

    Механическое преимущество — это измерение того, насколько простое
    машина умножает силу. Чем больше механическое преимущество, тем меньше силы вам нужно,
    но чем больше расстояние вы должны использовать эту силу. Вес поднимается на 1м, но теперь мы
    необходимо тянуть свободный конец веревки в два раза дальше (2 м). Почему? Чтобы груз поднялся на 1 м, вы должны поднять две секции веревки, поддерживающие его, на 1 м каждая. Для этого нужно потянуть свободный конец веревки на 2 м.
    Обратите внимание, что мы также можем вычислить механическое преимущество, разделив
    расстояние, на которое мы должны тянуть веревку, на расстояние, на которое перемещается груз.


    Рисунок: Как работают шкивы#2: С двумя колесами груз как бы висит на двух веревках (две нити одной и той же веревки слева), а шкив вдвое уменьшает необходимую вам подъемную силу. Это как поднимать вес с помощью двух веревок вместо одной. Но теперь вам нужно тянуть за конец веревки в два раза дальше, чтобы поднять груз на такое же расстояние.

    Четыре колеса

    Хорошо, а что если использовать четыре колеса, скрепленные длинной веревкой,
    петли над ними, как на картинке ниже? Вы видите, что 100 кг
    масса (1000 ньютонов) теперь висит на четырех участках веревки (те, что слева,
    игнорируя свободный конец веревки, за которую вы тянете). Это означает
    каждая секция веревки поддерживает четверть общего веса в 1000 ньютонов или 250 ньютонов,
    и чтобы поднять вес в воздух, вы должны тянуть только с
    четверть силы — тоже 250 ньютонов. Чтобы поднять вес на 1 м, вы должны укоротить каждый
    отрезок веревки на 1 м, поэтому вам придется тянуть свободный конец веревки на 4 м. Мы говорим, что блок с четырьмя колесами и веревкой, обернутой таким образом, дает механическое преимущество, равное четырем, что в два раза лучше, чем блок с двумя канатами и колесами.


    Иллюстрация: как работают шкивы № 3: с четырьмя колесами и канатом, работающим в четырех секциях, шкив сокращает необходимую вам подъемную силу до одной четверти. Но вы должны тянуть конец веревки в четыре раза дальше.

    Рекламные ссылки

    Чем шкив похож на рычаг

    Вероятно, вы видите, что шкив увеличивает силу так же, как качели, которые являются своего рода рычагом. Если вы хотите поднять на качелях человека, который в четыре раза тяжелее вас, вам нужно сесть в четыре раза дальше от точки равновесия (точки опоры), чем он сам. Если вы переместите свой конец рычага вниз на 4 см, их конец качелей поднимется только на 1 см. Когда они поднимаются вверх, они получают определенное количество потенциальной энергии, равное их весу, умноженному на расстояние, которое они преодолевают. Вы теряете точно такое же количество энергии, равное вашему весу (в четыре раза меньше), умноженному на расстояние, которое вы преодолеваете (в четыре раза больше). Вы можете переместить их гораздо больший вес, потому что вы перемещаете свой конец качелей на гораздо большее расстояние: рычаг качелей позволяет производить большее усилие, работая на большем расстоянии.

    То же самое происходит и со шкивом, за исключением того, что вы тянете веревку вместо того, чтобы двигать конец качелей. Чтобы поднять что-то в четыре раза тяжелее, вы можете использовать точно такую ​​же силу, но только если вы потянете веревку в четыре раза дальше. Если вы посмотрите, что происходит с обеих сторон шкива, и умножите силу на пройденное расстояние, вы обнаружите, что это одно и то же. Со своей стороны вы используете небольшую силу на большом расстоянии. С другой стороны, вес намного больше, но он перемещается на меньшее расстояние.


    Иллюстрация: Как шкив работает как рычаг: Как и в случае с рычагом, шкив может «волшебным образом» создавать больше силы, но только если вы используете эту силу на более длинном расстоянии. Почему это? Читайте ниже!

    В чем подвох?

    Шкивы звучат блестяще — и это действительно так. Но обязательно должно быть
    ловить? Если вы можете поднять 100 кг (1000 ньютонов), потянув с силой, эквивалентной
    всего 25 кг (250 ньютонов), наверняка вы выполняете только четверть меньше работы и используете
    только четверть энергии? И если это правда, вы могли бы построить
    своего рода шкив, который действительно будет производить для вас энергию: поставьте
    только в одной единице энергии и получить четыре единицы! Звучит блестяще!

    Фото: Есть ли скрытая защелка при использовании шкива? Почему бы не сделать свой собственный простой блок из конструктора (или просто самодельных материалов, таких как хлопковые катушки и веревка) и проверить его на себе. Нет ничего лучше
    способ понять, как работают шкивы. С таким простым двухколесным шкивом легко увидеть, что вы должны
    потяните за веревку в два раза выше, чем поднимается груз.

    К сожалению такие удивительные вещи строго запрещены
    по закону физики, называемому законом сохранения энергии, который
    говорит, что вы всегда должны вкладывать столько энергии, сколько получаете. Итак, начнем
    подумайте о шкивах с точки зрения энергии. Если вы поднимете вес
    100 кг (1000 ньютонов) на расстоянии 1 метра от земли, вы должны сделать то же самое
    объем работы независимо от того, используете вы шкив или нет: вы должны переместить
    одинаковая сила на одном и том же расстоянии. Если вы используете шкив и уменьшаете
    силы, которую вы используете на четверть, вам все равно придется делать столько же
    работы. Просто ты должен потянуть за конец веревки четыре
    раз дальше, чтобы каждая из четырех опорных секций веревки поднялась на
    То же количество. Это улов со шкивом. Вы тянете с меньшим
    силой, а тянуть дальше (и, вообще говоря, использовать
    усилие дольше). Далеко от того, чтобы использовать меньше энергии со шкивом, вы
    на самом деле придется использовать немного больше из-за трения, где
    веревка трется о шкивы. Но кажется и чувствует
    проще использовать шкив, и это главное!


    Фото: Шкивное оборудование. 1) На этих маленьких шкивах есть крючки, поэтому их легко подвешивать к потолку. Обратите внимание, что на колесах есть канавки, чтобы веревка не соскальзывала с них. Фото Паулы Арагон. 2) Гигантские шкивы на стреле большого железнодорожного крана. В этом используется огромная прочная проволочная веревка.

    Что такое блок и снасть?

    В машиностроении тип шкива, который я здесь описывал, иногда называют блоком и захватом : колеса и их крепления — это блоки, а веревки, обвивающие их, — снасти. В моих примерах один блок закреплен вверху, а другой блок движется вверх вместе с нагрузкой. В более общем смысле для инженеров шкив — это колесо, на которое наматывается веревка или ремень, чтобы соединить одну часть машины с другой, будь то подъем вещей, передача энергии или что-то еще. Однако в простой науке мы склонны использовать «шкив» только для обозначения набора колес и канатов для подъема.


    Фото: Два типа шкивов. Слева: Блок и полиспаст — это система на основе шкива для подъема вещей, состоящая из блоков (секций колеса) и полиспаста, соединяющих их вместе. Этот использовался для подъема ракетного оборудования в Центре космических полетов НАСА имени Маршалла. Фото Джеймса У. Розенталя, Historic American Engineering Record, любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.
    Справа: шкивы также можно использовать для соединения различных частей машины. Здесь шкив большого двигателя приводит в движение другой шкив машины, находящейся на некотором расстоянии. В этом случае шкивы просто передают мощность. Фото: Historic American Engineering Record, любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.

    Узнайте больше

    На этом сайте

    • Краны
    • Двигатели
    • Шестерни
    • Гидравлика
    • Простые машины

    На других веб-сайтах

    • Шкивы, блоки и другие приспособления: отличная коллекция фотографий шкивов, составленная пользователем Flickr «Элси» (Лес Чатфилд), у которого отличный глазомер.
      для деталей и выявления скрытой красоты в механическом мире.

    Книги

    Для юных читателей

    Почему-то существует множество книг о шкивах для юных читателей (от 6 до 10 лет). Вот лишь некоторые из них для начала:

    • Рычаги и шкивы Алекса Бриндеда, Кидхейвен/Гринвуд, 2019 г. Простое введение для самых маленьких читателей, которое является частью базовой инженерной серии под названием «Как заставить вещи работать». Текст написан четко, хотя фотографии и дизайн немного устарели. 6–9 лет.
    • Exploring Science: Machines: Chris Oxlade, Anness, 2016. Практическое знакомство с шестернями, рычагами, шкивами и двигателями посредством 20 простых экспериментов. Эта книга помогает поместить шкивы в более широкий контекст простых машин. Возраст 8–10 лет.
    • Создание машин со шкивами: Крис Окслейд, Raintree/Capstone, 2015. Еще одно очень практичное 32-страничное введение, которое логически ведет нас через простые шкивы, составные шкивы, исторические машины, ремни и многое другое. Есть полезные дополнения к школьной библиотеке, в том числе забавные факты и глоссарий. 7–9 лет.
    • Как работают шкивы: Джим Меццанотт. Гарет Стивенс, 2007 г. 24-страничное руководство, знакомящее со шкивами и показывающее, как мы используем их различными способами в повседневной жизни. Акцент здесь делается на шкивах как на средстве использования силы в наших интересах.
    • Что такое шкивы ?: Хелен Фрост, Capstone Press, 2001. Очень простое иллюстрированное введение для младших читателей (думаю, 7–10 лет).

    Эти две книги более общего характера, в которых наука о силе рассматривается в более широком контексте:

    • «Можете ли вы почувствовать силу» Ричарда Хаммонда. Дорлинг Киндерсли, 2006/2015. Легкая книга о силах и физике для младших читателей. (Я был одним из консультантов и авторов этой книги.)
    • Сила и движение Питера Лафферти. Дорлинг Киндерсли, 2000. Классическая книга DK Eyewitness, которая охватывает историю науки, а также современные технологии. Устарело, но все еще полезно.
    Для читателей старшего возраста
    • Принципы машиностроения Джона Берда и Карла Росса, 2017 г. Подробное (288 страниц) введение в общие науки и принципы машиностроения.
    • Трактат Джона Говарда Кромвеля о ремнях и шкивах, 1903 год. Классическая книга из более раннего возраста! Объясняет теорию шкивов (с математикой) и содержит множество иллюстраций. Доступен в различных форматах электронных книг.

    Видео

    • Как работают шкивы: простое введение Чарли Марца. К сожалению, он использует имперские (американские) единицы измерения футов и фунтов, но вы поняли идею. Если вы европеец, то можете в уме заменить метры и килограммы.
    • Как работают шкивы: более длинное и запутанное введение от Академии Хана. Этот объясняется ясно и очень хорошо, но страдает от каракулей рисования мышью и смешивания единиц (Ньютоны, футы, метры).

    Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты

    Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.