Páka je pohyblivá a blok je pevný. Jednoduché mechanismy

Člověk není příliš silný na zvedání velkých břemen, ale přišel s mnoha mechanismy, které tento proces zjednodušují, a v tomto článku budeme diskutovat o kladkách: účelu a konstrukci takových systémů a také se pokusíme vytvořit co nejjednodušší verzi takového zařízení vlastníma rukama.

Nákladní kladka je systém skládající se z lan a bloků, díky kterému můžete získat efektivní sílu při ztrátě délky. Princip je vcelku jednoduchý. Na délku prohrajeme přesně tolikrát, kolikrát vyhrajeme v síle. Díky tomuto zlatému pravidlu mechaniky lze bez velkého úsilí postavit velké hmoty. Což v zásadě není tak kritické. Uveďme příklad. Nyní jste vyhráli 8x v síle a budete muset natáhnout lano dlouhé 8 metrů, abyste zvedli předmět do výšky 1 metru.

Použití takových zařízení vás bude stát méně než pronájem jeřábu a kromě toho můžete sami ovládat nárůst síly. Kladka má dvě různé strany: jedna z nich je pevná, která je připevněna k podpěře, a druhá je pohyblivá, která přilne k samotnému nákladu. K nárůstu pevnosti dochází díky pohyblivým blokům, které jsou namontovány na pohyblivé straně kladky. Pevná část slouží pouze ke změně trajektorie samotného lana.

Typy kladek se vyznačují složitostí, paritou a multiplicitou. Z hlediska složitosti existují jednoduché a složité mechanismy a násobnost znamená násobení síly, to znamená, že pokud je násobnost 4, tak teoreticky získáte 4násobek síly. Také zřídka, ale stále se používá, vysokorychlostní kladkostroj, tento typ poskytuje zvýšení rychlosti pohybu břemen při velmi nízké rychlosti hnacích prvků.

Podívejme se nejprve na jednoduchou montážní kladku. Lze jej získat přidáním bloků k podpěře a zátěži. Chcete-li získat lichý mechanismus, musíte zajistit konec lana k pohyblivému bodu nákladu a pro dosažení sudého lana připevníme lano k podpěře. Při přidávání bloku získáme +2 k síle a pohybující se bod dává +1, resp. Chcete-li například získat kladku pro naviják s násobkem 2, musíte zajistit konec lana k podpěře a použít jeden blok, který je připevněn k nákladu. A budeme mít sudý typ zařízení.

Princip činnosti řetězového kladkostroje s násobností 3 vypadá jinak. Zde je konec lana připevněn k zátěži a jsou použity dva válečky, z nichž jeden připevníme k podpěře a druhý k zátěži. Tento typ mechanismu poskytuje trojnásobný nárůst síly, což je lichá možnost. Abyste pochopili, jaký bude nárůst síly, můžete použít jednoduché pravidlo: kolik lan pochází ze zátěže, to je náš nárůst síly. Typicky se používají kladky s hákem, na kterých je ve skutečnosti upevněno břemeno, je mylné se domnívat, že jde jen o špalek a lano.

Nyní zjistíme, jak funguje řetězový kladkostroj složitého typu. Tento název označuje mechanismus, kdy je několik jednoduchých verzí tohoto nákladního zařízení spojeno do jednoho systému, navzájem se táhnou. Zisk pevnosti takových konstrukcí se vypočítá vynásobením jejich násobků. Například táhneme jeden mechanismus s násobkem 4 a druhý s násobkem 2, pak bude teoretické zesílení síly rovno 8. Všechny výše uvedené výpočty probíhají pouze pro ideální systémy, které nemají žádnou třecí sílu, ale v praxi jsou věci jinak.

V každém z bloků dochází k malé ztrátě výkonu v důsledku tření, protože se stále vynakládá na překonání třecí síly. Pro snížení tření je nutné pamatovat: čím větší je poloměr ohybu lana, tím menší bude třecí síla. Pokud je to možné, je nejlepší použít válečky s větším poloměrem. Při použití karabin byste měli vytvořit blok stejných možností, ale válečky jsou mnohem účinnější než karabiny, protože ztráta na nich je 5-30%, ale na karabinách je to až 50%. Je také užitečné vědět, že pro dosažení maximálního účinku musí být nejúčinnější blok umístěn blíže k zátěži.

Jak vypočítáme skutečný nárůst síly? K tomu potřebujeme znát účinnost použitých jednotek.Účinnost se vyjadřuje čísly od 0 do 1 a pokud použijeme lano s velkým průměrem nebo příliš tuhé, pak bude účinnost bloků výrazně nižší, než uvádí výrobce. To znamená, že je potřeba s tím počítat a upravit účinnost bloků. Pro výpočet skutečného přírůstku pevnosti jednoduchého typu zvedacího mechanismu je nutné vypočítat zatížení každé větve lana a sečíst je. Pro výpočet zesílení pevnosti složitých typů je nutné vynásobit skutečné síly jednoduchých, ze kterých se skládá.

Také byste neměli zapomínat na tření lana, protože jeho větve se mohou mezi sebou kroutit a válečky pod těžkým zatížením se mohou sbíhat a lano svírat. Aby k tomu nedocházelo, měly by být bloky vzájemně rozmístěny, například mezi nimi můžete použít obvodovou desku. Měli byste si také zakoupit pouze statická lana, která se nenatahují, protože dynamická lana způsobují vážnou ztrátu pevnosti. K sestavení mechanismu lze použít buď samostatné nebo nákladní lano, připevněné k nákladu nezávisle na zvedacím zařízení.

Výhodou použití samostatného lana je, že zvedací konstrukci můžete rychle sestavit nebo připravit předem. Využít můžete i celou jeho délku, to také usnadňuje předávání uzlů. Jednou z nevýhod je, že chybí možnost automatické fixace zvedaného nákladu. Výhodou nákladního lana je, že je možná automatická fixace zvedaného předmětu a není potřeba samostatné lano. Důležité na nevýhodách je, že je obtížné procházet uzly během provozu a také musíte utratit nákladní lano na samotný mechanismus.

Hovořme o zpětném pohybu, který je nevyhnutelný, protože k němu může dojít při zachycení lana, nebo v okamžiku sejmutí zátěže nebo při zastavení na klid. Aby nedocházelo k vůlí, je nutné použít bloky, které umožňují průchod lana pouze jedním směrem. Současně organizujeme konstrukci tak, aby se blokovací válec připevnil nejprve od zvedaného předmětu. Díky tomu se nejen vyhneme zpětnému vyjetí, ale také nám umožní zajistit náklad při vykládce nebo pouhém přeskupování bloků.

Pokud používáte samostatné lano, uzamykací kladka se připojuje jako poslední od zvedáného nákladu a uzamykací kladka by měla být vysoce účinná.

Nyní něco málo o připevnění zvedacího mechanismu k nákladnímu lanu. Je vzácné, že máme po ruce správnou délku lana k zajištění pohyblivé části bloku. Zde je několik typů montáže mechanismu. První způsob je pomocí úchopových uzlů, které se pletou ze šňůr o průměru 7-8 mm ve 3-5 otáčkách. Tato metoda, jak ukázala praxe, je nejúčinnější, protože uchopovací uzel z 8 mm šňůry na laně o průměru 11 mm začíná klouzat až při zatížení 10-13 kN. Zároveň lano nejprve nedeformuje, ale po nějaké době roztaví oplet a přilepí se k němu a začne hrát roli pojistky.

Dalším způsobem je použití univerzální svorky. Čas ukázal, že se dá použít na zledovatělá a mokrá lana. Začíná se plazit až se zátěží 6-7 kN a lehce zraní lano. Další metodou je použití osobní svorky, která se však nedoporučuje, protože se začne plazit silou 4 kN a zároveň trhá oplet nebo může dokonce překousnout lano. Všechno jsou to průmyslové vzory a jejich aplikace, ale my se pokusíme vytvořit domácí řetězový kladkostroj.

Blok je typ páky, je to kolo s drážkou (obr. 1), drážkou lze protáhnout lano, lano, lano nebo řetěz.

Obr. 1. Celkový pohled na blok

Bloky se dělí na pohyblivé a pevné.

Osa stacionárního bloku je pevná, při zvedání nebo spouštění břemene se nezvedá ani neklesá. Hmotnost břemene, kterou zvedáme, označíme P, působící sílu F a bod otáčení označíme O (obr. 2).

Obr.2. Pevný blok

Rameno síly P bude segment OA (rameno síly l 1), silové rameno F segment OB (silové rameno l 2) (obr. 3). Tyto segmenty jsou poloměry kola, ramena se pak rovnají poloměru. Pokud jsou ramena stejná, pak se hmotnost břemene a síla, kterou působíme na zvedání, číselně rovnají.

Obr.3. Pevný blok

Takový blok neposkytuje žádné zvýšení pevnosti, z toho můžeme usoudit, že pro snadné zvedání je vhodné použít stacionární blok, snazší je zvednout břemeno nahoru pomocí síly, která směřuje dolů.

Zařízení, ve kterém lze nápravu zvedat a spouštět s nákladem. Činnost je podobná činnosti páky (obr. 4).

Rýže. 4. Pohyblivý blok

Pro ovládání tohoto bloku je jeden konec lana fixován, na druhý konec je aplikována síla F pro zvednutí břemene o hmotnosti P, břemeno je připevněno k bodu A. Otočný bod při rotaci bude bod O, protože při každém momentem pohybu se blok otáčí a bod O slouží jako opěrný bod (obr. 5).

Rýže. 5. Pohyblivý blok

Hodnota ramene síly F jsou dva poloměry.

Hodnota ramene P je jeden poloměr.

Ramena sil se liší dvojnásobně, podle pravidla pákové rovnováhy se síly liší dvojnásobně. Síla potřebná ke zvednutí břemene o hmotnosti P bude poloviční než hmotnost břemene. Pohyblivý blok poskytuje pevnostní výhodu dvojnásobnou.

V praxi se používají kombinace bloků pro změnu směru působení působící síly pro zdvih a její snížení na polovinu (obr. 6).

Rýže. 6. Kombinace pohyblivých a pevných bloků

Během lekce jsme se seznámili se strukturou pevného a pohyblivého bloku a dozvěděli jsme se, že bloky jsou typy pák. Pro řešení úloh na toto téma je nutné pamatovat na pravidlo pákové rovnováhy: poměr sil je nepřímo úměrný poměru ramen těchto sil.

1. Lukashik V.I., Ivanova E.V. Sbírka úloh z fyziky pro 7.-9. ročníky všeobecně vzdělávacích institucí. - 17. vyd. - M.: Vzdělávání, 2004.
2. Peryshkin A.V. Fyzika. 7. třída - 14. vyd., stereotyp. - M.: Drop, 2010.
3. Peryshkin A.V. Sbírka úloh z fyziky, ročníky 7-9: 5. vyd., stereotyp. - M: Nakladatelství „Zkouška“, 2010.

1. Class-fizika.narod.ru ().
2. School.xvatit.com ().
3. scienceland.info().

Domácí práce

1. Zjistěte sami, co je řetězový kladkostroj a jaké výkonové zisky poskytuje.
2. Kde se v každodenním životě používají pevné a pohyblivé bloky?
3. Co je snazší vylézt nahoru: lézt na laně nebo lézt pomocí stacionárního bloku?

Pohyblivý blok se liší od stacionárního bloku tím, že jeho osa není pevná a může stoupat a klesat spolu s nákladem.

Obrázek 1. Pohyblivý blok

Stejně jako pevný blok se pohyblivý blok skládá ze stejného kola s drážkou pro kabel. Jeden konec lanka je zde však upevněn a kolo je pohyblivé. Kolo se pohybuje s nákladem.

Jak poznamenal Archimedes, pohyblivý blok je v podstatě páka a funguje na stejném principu, čímž získává na síle díky rozdílu v ramenou.

Obrázek 2. Síly a síly v pohyblivém bloku

Pohyblivý blok se pohybuje spolu s nákladem, jako by ležel na laně. V tomto případě bude opěrný bod v každém časovém okamžiku v místě kontaktu bloku s lanem na jedné straně, náraz břemene bude aplikován do středu bloku, kde je připevněn k ose a tažná síla bude aplikována v místě kontaktu s lanem na druhé straně bloku. To znamená, že rameno tělesné hmotnosti bude poloměrem bloku a rameno naší tažné síly bude průměr. Momentové pravidlo v tomto případě bude vypadat takto:

$$mgr = F \cdot 2r \Rightarrow F = mg/2$$

Pohyblivý blok tedy poskytuje dvojnásobný nárůst síly.

Obvykle se v praxi používá kombinace pevného bloku a pohyblivého bloku (obr. 3). Pevný blok se používá pouze pro pohodlí. Mění směr síly, což umožňuje například zvednout náklad ve stoje na zemi a pohyblivý blok poskytuje nárůst síly.

Obrázek 3. Kombinace pevných a pohyblivých bloků

Zkoumali jsme ideální bloky, tedy takové, ve kterých se nepočítalo s působením třecích sil. Pro reálné bloky je nutné zavést korekční faktory. Používají se následující vzorce:

Pevný blok

$F = f 1/2 mg $

V těchto vzorcích: $F$ je použitá vnější síla (obvykle síla rukou osoby), $m$ je hmotnost břemene, $g$ je gravitační koeficient, $f$ je koeficient odporu v bloku (pro řetězy přibližně 1,05 a pro lana 1,1).

Pomocí systému pohyblivých a pevných bloků zvedne nakladač bednu s nářadím do výšky $S_1$ = 7 m, přičemž působí silou $F$ = 160 N. Jaká je hmotnost krabice a kolik metrů lana bude nutné odstranit při zvedání nákladu? Jakou práci v důsledku toho nakladač vykoná? Porovnejte ji s prací vykonanou na nákladu, abyste jej přesunuli. Zanedbávejte tření a hmotnost pohybujícího se bloku.

$m, S_2, A_1, A_2$ - ?

Pohyblivý blok poskytuje dvojnásobný nárůst síly a dvojnásobnou ztrátu pohybu. Stacionární blok neposkytuje zesílení síly, ale mění svůj směr. Působená síla tedy bude poloviční než hmotnost břemene: $F = 1/2P = 1/2mg$, odkud zjistíme hmotnost krabice: $m=\frac(2F)(g)=\frac (2\cdot 160)(9,8)=32,65\ kg$

Pohyb břemene bude poloviční než délka vybraného lana:

Práce vykonaná nakladačem se rovná součinu působící síly a pohybu břemene: $A_2=F\cdot S_2=160\cdot 14=2240\ J\ $.

Provedené práce na nákladu:

Odpověď: Hmotnost krabice je 32,65 kg. Délka zvoleného lana je 14 m. Provedená práce je 2240 J a nezávisí na způsobu zvedání břemene, ale pouze na hmotnosti břemene a výšce zdvihu.

Problém 2

Jaké břemeno lze zvednout pomocí pohyblivého bloku o hmotnosti 20 N, pokud je lano taženo silou 154 N?

Zapišme momentové pravidlo pro pohybující se blok: $F = f 1/2 (P+ Р_Б)$, kde $f$ je korekční faktor pro lano.

Potom $P=2\frac(F)(f)-P_B=2\cdot \frac(154)(1,1)-20=260\ N$

Odpověď: Hmotnost nákladu je 260 N.

Bloky a kladky- jednoduché mechanismy používané ke zvedání břemen buď s malou námahou, nebo s námahou v poloze vhodné pro uživatele.

Bloky a kladky se skládají ze dvou částí: kola s obvodovou drážkou (kladka) a lana nebo lanka. Blok je zpravidla zařízení skládající se z jedné kladky v rámu se závěsem a jednoho kabelu. Kladkostroj je kombinací kladek a lanek. Princip jeho činnosti je podobný jako u páky - zesílení síly ovlivňuje nárůst vzdálenosti s teoretickou rovností vykonávané práce.

Tyto mechanismy lze používat nezávisle na jiných zvedacích jednotkách, jako jsou navijáky, kladkostroje, jeřáby, a také jako jejich součásti.

Obrázky ukazují princip fungování blok a kladka:

Na obr. 1a je břemeno o hmotnosti W1 zvednuto pomocí jediného bloku silou P1 rovnající se hmotnosti. Na obr. 1b je břemeno W2 zvednuto pomocí nejjednoduššího systému více kladek, sestávajícího ze dvou bloků, se silou P2 rovnou pouze polovině hmotnosti W2. Náraz tohoto závaží je rovnoměrně rozdělen mezi větve lana, na kterém je kladka B2 zavěšena na kladce A2 pomocí háku C2. V důsledku toho, pro zvednutí břemene W2, stačí vyvinout sílu P2 rovnou polovině hmotnosti W2 na větev lanka procházející drážkou kladky A2; Nejjednodušší řetězový kladkostroj tedy poskytuje dvojnásobný nárůst pevnosti. Obr. 1,c vysvětluje činnost řemenice se dvěma řemenicemi, z nichž každá má dvě drážky. Zde je síla P3 potřebná ke zvednutí břemene W3 pouze čtvrtinou jeho hmotnosti. Toho je dosaženo rozložením celé hmotnosti W3 mezi čtyři závěsná lana bloku B3. Všimněte si, že násobek nárůstu síly při zvedání závaží se vždy rovná počtu kabelů, na kterých visí pohyblivý blok B3.

Rýže. 2

V minulosti jako kabel pro bloky a kladky bylo použito pružné a odolné konopné lano. Byla tkaná opletem ze tří pramenů, z nichž každý sestával z mnoha malých pramenů. Kladkostroje s takovými lany se používaly všude tam, kde bylo potřeba zvedat břemena: na námořních plavidlech, v zemědělství, na stavbách. Nejsložitější z nich (obr. 2) byly často používány na plachetnicích. Tam byli potřeba pro práci s plachtami, nosníky a dalším pohyblivým vybavením.

Postupem času byly okraje konopí nahrazeny ocelovými lanky a lanky ze syntetických a minerálních vláken. Jsou odolnější a odolnější proti opotřebení. Kladkostroje s ocelovými lanky a vícedrážkovými kladkami jsou nedílnou součástí zdvihacích mechanismů všech moderních zdvihacích zařízení. Kladky bloky se obvykle otáčejí na válečkových ložiskách a všechny jejich pohyblivé plochy jsou nuceně mazány.

Bloky se používají ke zvedání břemen. Blok je kolečko s drážkou, upevněné v držáku. Blokovým skluzem prochází lano, lano nebo řetěz. bez hnutí nazývají takový blok, jehož osa je pevná a při zvedání břemen se nezvedá ani neklesá (obr. 1, a, b).

Pevný blok lze považovat za rovnoramennou páku, u které jsou ramena působících sil rovna poloměru kola. Z momentového pravidla tedy vyplývá, že stacionární blok neposkytuje žádné zesílení síly. Umožňuje změnit směr síly.

Obrázek 2, a, b ukazuje pohyblivý blok(osa kvádru stoupá a klesá spolu se zátěží). Takový blok se otáčí kolem okamžité osy O. Momentové pravidlo pro něj bude mít tvar

Pohyblivý blok tedy poskytuje dvojnásobný nárůst síly.

Obvykle se v praxi používá kombinace pevného bloku a pohyblivého bloku (obr. 3). Pevný blok se používá pouze pro pohodlí. Změnou směru síly umožňuje např. zvedat břemeno ve stoje na zemi.