اهرم متحرک و بلوک ثابت است. مکانیسم های ساده
یک فرد برای بلند کردن بارهای بزرگ خیلی قوی نیست، اما مکانیسم های زیادی را ارائه کرده است که این فرآیند را ساده می کند، و در این مقاله به قرقره ها می پردازیم: هدف و طراحی چنین سیستم هایی، و همچنین سعی خواهیم کرد ساده ترین آنها را بسازیم. نسخه چنین دستگاهی با دستان خودمان.
قرقره بار سیستمی متشکل از طناب و بلوک است که به لطف آن می توانید در هنگام از دست دادن طول، قدرت موثری به دست آورید. اصل بسیار ساده است. در طول، دقیقاً به همان اندازه که در قدرت برنده می شویم، بازنده می شویم. به لطف این قانون طلایی مکانیک، توده های بزرگ را می توان بدون تلاش زیاد ساخت. که اصولاً چندان انتقادی نیست. بیایید یک مثال بزنیم. حالا شما 8 بار در قدرت پیروز شده اید و برای بلند کردن جسم به ارتفاع 1 متر باید طناب به طول 8 متر بکشید.
استفاده از چنین وسایلی برای شما هزینه کمتری نسبت به اجاره جرثقیل خواهد داشت و علاوه بر این، می توانید افزایش قدرت را خودتان کنترل کنید. قرقره دو طرف مختلف دارد: یکی از آنها ثابت است که به تکیه گاه متصل است و دیگری متحرک است که به خود بار می چسبد.. افزایش استحکام به لطف بلوک های متحرک، که در سمت متحرک قرقره نصب شده اند، رخ می دهد. قسمت ثابت فقط برای تغییر مسیر خود طناب عمل می کند.
انواع قرقره ها از نظر پیچیدگی، برابری و تعدد متمایز می شوند. از نظر پیچیدگی، مکانیسم های ساده و پیچیده وجود دارد و تعدد به معنای ضرب نیرو است، یعنی اگر تعدد 4 باشد، از نظر تئوری شما 4 برابر قدرت می گیرید. همچنین به ندرت، اما همچنان استفاده می شود، از بلوک قرقره با سرعت بالا استفاده می شود؛ این نوع باعث افزایش سرعت حرکت بارها با سرعت بسیار کم عناصر محرک می شود.
بیایید ابتدا یک قرقره مونتاژ ساده را در نظر بگیریم. می توان آن را با افزودن بلوک به یک تکیه گاه و یک بار به دست آورد. برای به دست آوردن مکانیزم عجیب و غریب، باید انتهای طناب را روی یک نقطه متحرک بار محکم کنید و برای بدست آوردن یک مکان زوج، طناب را به تکیه گاه می بندیم. وقتی یک بلوک را اضافه می کنیم، 2+ به قدرت می رسیم و یک نقطه متحرک به ترتیب +1 می دهد. به عنوان مثال، برای گرفتن قرقره برای یک وینچ با تعدد 2، باید انتهای طناب را به یک تکیه گاه محکم کنید و از یک بلوک که به بار متصل است استفاده کنید. و ما یک نوع دستگاه یکنواخت خواهیم داشت.
اصل کار یک بالابر زنجیری با تعدد 3 متفاوت به نظر می رسد. در اینجا انتهای طناب به بار متصل می شود و از دو غلتک استفاده می شود که یکی از آنها را به تکیه گاه و دیگری را به بار وصل می کنیم. این نوع مکانیزم 3 برابر افزایش قدرت می دهد، این یک گزینه عجیب است. برای درک اینکه افزایش قدرت چقدر خواهد بود، می توانید از یک قانون ساده استفاده کنید: چند طناب از بار می آید، این افزایش قدرت ما است. معمولاً از قرقره هایی با قلاب استفاده می شود که در واقع بار روی آن ها وصل می شود؛ این اشتباه است که فکر کنیم فقط یک بلوک و یک طناب است.
اکنون خواهیم فهمید که چگونه یک بالابر زنجیره ای از نوع پیچیده کار می کند. این نام به مکانیزمی اشاره دارد که در آن چندین نسخه ساده از این دستگاه باربری به یک سیستم متصل می شوند؛ آنها یکدیگر را می کشند. بهره در استحکام چنین سازه هایی با ضرب چند برابر آنها محاسبه می شود. به عنوان مثال، یک مکانیسم را با تعدد 4 و دیگری را با تعدد 2 می کشیم، سپس بهره نظری موجود برابر با 8 خواهد بود. تمام محاسبات فوق فقط برای سیستم های ایده آلی انجام می شود که نیروی اصطکاک ندارند. اما در عمل همه چیز متفاوت است.
در هر یک از بلوک ها به دلیل اصطکاک، قدرت کمی از دست می رود، زیرا هنوز برای غلبه بر نیروی اصطکاک صرف می شود. برای کاهش اصطکاک لازم است به یاد داشته باشید: هرچه شعاع خمش طناب بزرگتر باشد، نیروی اصطکاک کمتری خواهد داشت. بهتر است در صورت امکان از غلتک هایی با شعاع بزرگتر استفاده کنید. هنگام استفاده از کارابین ها ، باید بلوکی از گزینه های یکسان تهیه کنید ، اما غلطک ها بسیار مؤثرتر از کارابین ها هستند ، زیرا تلفات روی آنها 5-30٪ است اما در کارابین ها تا 50٪ است. همچنین دانستن این نکته مفید است که موثرترین بلوک باید نزدیکتر به بار قرار گیرد تا حداکثر اثر را به دست آورد.
چگونه افزایش واقعی قدرت را محاسبه کنیم؟ برای این کار باید بازدهی واحدهای مورد استفاده را بدانیم.راندمان به صورت اعداد از 0 تا 1 بیان می شود و اگر از طناب با قطر زیاد یا خیلی سفت استفاده کنیم، کارایی بلوک ها به طور قابل توجهی کمتر از آنچه توسط سازنده نشان داده می شود. به این معنی که باید این را در نظر گرفت و کارایی بلوک ها را تنظیم کرد. برای محاسبه قدرت واقعی یک نوع مکانیزم آسانسور، لازم است بار روی هر شاخه از طناب محاسبه شده و آنها را جمع آوری کنید. برای محاسبه افزایش قدرت انواع پیچیده، لازم است نیروهای واقعی نیروهای ساده ای که از آن تشکیل شده است ضرب شود.
همچنین نباید اصطکاک طناب را فراموش کنید ، زیرا شاخه های آن می توانند در بین خود بپیچند و غلتک ها تحت بارهای سنگین می توانند همگرا شوند و طناب را نیشگون بگیرند. برای جلوگیری از این اتفاق، بلوک ها باید نسبت به یکدیگر فاصله داشته باشند، به عنوان مثال، می توانید از یک برد مدار بین آنها استفاده کنید. شما همچنین باید فقط طناب های استاتیکی را خریداری کنید که کشش ندارند، زیرا طناب های پویا باعث کاهش جدی قدرت می شوند. برای مونتاژ مکانیزم، می توان از یک طناب جداگانه یا یک طناب بار استفاده کرد که مستقل از دستگاه بالابر به بار متصل می شود.
مزیت استفاده از طناب جداگانه این است که می توانید به سرعت یک سازه بالابر را از قبل جمع آوری یا آماده کنید. شما همچنین می توانید از تمام طول آن استفاده کنید، این کار باعث می شود که گره ها راحت تر شوند. یکی از معایب این است که امکان تثبیت خودکار بار برداشته وجود ندارد. از مزایای طناب باری این است که امکان تثبیت خودکار جسم بلند شده وجود دارد و نیازی به طناب جداگانه نیست. نکته مهم در مورد معایب این است که در حین کار عبور از گره ها سخت است و همچنین باید طناب باربری را روی خود مکانیزم خرج کنید.
بیایید در مورد حرکت معکوس صحبت کنیم، که اجتناب ناپذیر است، زیرا ممکن است در هنگام گیرکردن طناب، یا در لحظه برداشتن بار، یا هنگام توقف برای استراحت رخ دهد. برای جلوگیری از بروز واکنش، لازم است از بلوک هایی استفاده شود که طناب را تنها در یک جهت عبور دهد. در همان زمان، ساختار را به گونه ای سازماندهی می کنیم که غلتک مسدود کننده ابتدا از جسم در حال بلند شدن وصل شود. به لطف این، ما نه تنها از عقب نشینی اجتناب می کنیم، بلکه به ما اجازه می دهیم هنگام تخلیه بار یا به سادگی تنظیم مجدد بلوک ها، بار را ایمن کنیم.
اگر از یک طناب جداگانه استفاده می کنید، غلتک قفل آخرین بار از بار در حال برداشتن وصل می شود و غلتک قفل باید بسیار موثر باشد.
اکنون کمی در مورد اتصال مکانیزم بالابر به طناب بار. به ندرت پیش می‌آید که طول طناب مناسبی برای محکم کردن قسمت متحرک بلوک در اختیار داشته باشیم. در اینجا چندین نوع نصب مکانیزم وجود دارد. روش اول استفاده از گره های چنگال است که از طناب هایی به قطر 7-8 میلی متر در 3-5 نوبت گره می خورد. این روش، همانطور که تمرین نشان داده است، موثرترین است، زیرا یک گره گرفتن از طناب 8 میلی متری روی یک طناب با قطر 11 میلی متر فقط تحت بار 10-13 کیلونیوتن شروع به لغزش می کند. در عین حال، ابتدا طناب را تغییر شکل نمی دهد، اما پس از مدتی، قیطان را ذوب می کند و به آن می چسبد و شروع به ایفای نقش فیوز می کند.
راه دیگر استفاده از گیره عمومی است. گذشت زمان نشان داده است که می توان از آن روی طناب های یخی و خیس استفاده کرد. فقط با بار 6-7 کیلونیوتن شروع به خزیدن می کند و کمی به طناب آسیب می زند. روش دیگر استفاده از گیره شخصی است، اما توصیه نمی شود، زیرا با نیروی 4 کیلو نیوتن شروع به خزش می کند و در همان زمان قیطان را پاره می کند یا حتی می تواند طناب را گاز بگیرد. اینها همه طرح های صنعتی و کاربرد آنها هستند، اما ما سعی خواهیم کرد یک بالابر زنجیری خانگی ایجاد کنیم.
بلوک نوعی اهرم است؛ چرخی است با شیار (شکل 1)؛ طناب، کابل، طناب یا زنجیر را می توان از شیار عبور داد.
عکس. 1. نمای کلی بلوک
بلوک ها به متحرک و ثابت تقسیم می شوند.
محور یک بلوک ثابت ثابت است، هنگام بلند کردن یا پایین آوردن بار، بالا یا پایین نمی رود. وزن باری که بلند می کنیم با P، نیروی اعمال شده با F و نقطه تکیه با O نشان داده می شود (شکل 2).
شکل 2. بلوک ثابت
بازوی نیروی P قطعه OA (بازوی نیرو) خواهد بود l 1، بازوی نیرو بخش F OB (بازوی نیرو ل 2) (شکل 3). این بخش ها شعاع چرخ هستند، سپس بازوها برابر با شعاع هستند. اگر شانه ها با هم برابر باشند، وزن بار و نیرویی که برای بلند کردن اعمال می کنیم از نظر عددی برابر است.
شکل 3. بلوک ثابت
چنین بلوکی هیچ افزایشی در استحکام ایجاد نمی کند.از این نتیجه می توان نتیجه گرفت که استفاده از یک بلوک ثابت برای سهولت در بلند کردن توصیه می شود؛ بلند کردن بار به سمت بالا با استفاده از نیرویی که به سمت پایین هدایت می شود آسان تر است.
وسیله ای که در آن می توان محور را با بار بالا و پایین برد. عمل شبیه به عمل یک اهرم است (شکل 4).
برنج. 4. بلوک متحرک
برای کار با این بلوک، یک سر طناب ثابت است، نیروی F به سر دیگر برای بلند کردن باری با وزن P وارد می شود، بار به نقطه A متصل می شود. تکیه گاه در طول چرخش نقطه O خواهد بود، زیرا در هر لحظه حرکت بلوک می چرخد و نقطه O به عنوان تکیه گاه عمل می کند (شکل 5).
برنج. 5. بلوک متحرک
مقدار بازوی نیرو F دو شعاع است.
مقدار بازوی نیرو P یک شعاع است.
بازوهای نیروها ضریب دو با هم تفاوت دارند؛ طبق قانون تعادل اهرمی، نیروها به ضریب دو تفاوت دارند. نیروی لازم برای بلند کردن بار با وزن P نصف وزن بار خواهد بود. بلوک متحرک مزیت قدرت را دو برابر می کند.
در عمل، از ترکیب بلوک ها برای تغییر جهت عمل نیروی اعمال شده برای بلند کردن و کاهش آن به نصف استفاده می شود (شکل 6).
برنج. 6. ترکیب بلوک های متحرک و ثابت
در طول درس با ساختار یک بلوک ثابت و متحرک آشنا شدیم و یاد گرفتیم که بلوک ها از انواع اهرم هستند. برای حل مسائل مربوط به این موضوع، لازم است قانون تعادل اهرمی را به خاطر بسپاریم: نسبت نیروها با نسبت بازوهای این نیروها نسبت معکوس دارد.
- لوکاشیک V.I.، Ivanova E.V. مجموعه مسائل فیزیک پایه های 7-9 موسسات آموزش عمومی. - ویرایش هفدهم - م.: آموزش و پرورش، 1383.
- پریشکین A.V. فیزیک. درجه 7 ام - ویرایش چهاردهم، کلیشه. - M.: Bustard، 2010.
- پریشکین A.V. مجموعه مسائل فیزیک، پایه های 7-9: ویرایش پنجم، کلیشه. - م: انتشارات امتحان، 1389.
- Class-fizika.narod.ru ().
- School.xvatit.com ().
- Scienceland.info().
مشق شب
- خودتان بفهمید که بالابر زنجیری چیست و چه قدرتی می دهد.
- بلوک های ثابت و متحرک کجا در زندگی روزمره استفاده می شوند؟
- بالا رفتن از چه چیزی آسان تر است: بالا رفتن از طناب یا بالا رفتن با استفاده از یک بلوک ثابت؟
یک بلوک متحرک با یک بلوک ثابت تفاوت دارد زیرا محور آن ثابت نیست و می تواند همراه با بار بالا و پایین بیاید.
شکل 1. بلوک متحرک
مانند بلوک ثابت، بلوک متحرک از همان چرخ با یک شیار برای کابل تشکیل شده است. با این حال، یک سر کابل در اینجا ثابت است و چرخ متحرک است. چرخ با بار حرکت می کند.
همانطور که ارشمیدس اشاره کرد، بلوک متحرک اساساً یک اهرم است و بر اساس همان اصل کار می کند و به دلیل تفاوت در شانه ها، قدرت بیشتری می بخشد.
شکل 2. نیروها و نیروها در بلوک متحرک
بلوک متحرک همراه با بار حرکت می کند، گویی روی یک طناب خوابیده است. در این حالت، تکیه گاه در هر لحظه از زمان در نقطه تماس بلوک با طناب در یک طرف قرار می گیرد، ضربه بار به مرکز بلوک، جایی که به محور متصل می شود، وارد می شود. و نیروی کشش در نقطه تماس با طناب در طرف دیگر بلوک اعمال خواهد شد. یعنی شانه وزن بدن شعاع بلوک و شانه نیروی کشش ما قطر خواهد بود. قانون لحظه در این مورد به صورت زیر خواهد بود:
$$mgr = F \cdot 2r \Rightarrow F = mg/2$$
بنابراین، بلوک متحرک افزایش دو برابری در استحکام می دهد.
معمولا در عمل از ترکیب یک بلوک ثابت و یک بلوک متحرک استفاده می شود (شکل 3). بلوک ثابت فقط برای راحتی استفاده می شود. جهت نیرو را تغییر می دهد و به عنوان مثال اجازه می دهد باری را در حالی که روی زمین ایستاده بلند کند و بلوک متحرک افزایش نیرو را ایجاد می کند.
شکل 3. ترکیب بلوک های ثابت و متحرک
ما بلوک های ایده آل را بررسی کردیم، یعنی بلوک هایی که در آنها عمل نیروهای اصطکاک در نظر گرفته نشد. برای بلوک های واقعی لازم است فاکتورهای اصلاحی معرفی شوند. از فرمول های زیر استفاده می شود:
بلوک ثابت
F $ = f 1/2 میلی گرم $
در این فرمول ها: $F$ نیروی خارجی اعمال شده (معمولا نیروی دستان شخص)، $m$ جرم بار، $g$ ضریب گرانش، $f$ ضریب مقاومت در بلوک است. (برای زنجیر تقریباً 1.05 و برای طناب 1،1).
با استفاده از سیستمی از بلوک های متحرک و ثابت، لودر جعبه ابزار را تا ارتفاع $S_1$ = 7 متر، با اعمال نیرویی برابر با 160$ F$ = N بالا می برد. جرم جعبه چقدر است و چند متر طناب دارد. آیا در حین برداشتن بار باید برداشته شود؟ در نتیجه لودر چه کاری انجام خواهد داد؟ آن را با کار انجام شده بر روی بار برای جابجایی آن مقایسه کنید. اصطکاک و جرم بلوک متحرک را نادیده بگیرید.
$m، S_2، A_1، A_2$ - ?
بلوک متحرک افزایش دو برابری در قدرت و کاهش مضاعف در حرکت می دهد. یک بلوک ثابت افزایش نیرو را ایجاد نمی کند، بلکه جهت خود را تغییر می دهد. بنابراین، نیروی اعمال شده نصف وزن بار خواهد بود: $F = 1/2P = 1/2mg$، از آنجا جرم جعبه را پیدا می کنیم: $m=\frac(2F)(g)=\frac (2\cdot 160)(9،8)=32.65\ kg$
حرکت بار نصف طول طناب انتخابی خواهد بود:
کار انجام شده توسط لودر برابر است با حاصل ضرب نیروی وارد شده و حرکت بار: $A_2=F\cdot S_2=160\cdot 14=2240\ J\ $.
کار انجام شده بر روی بار:
پاسخ: جرم جعبه 32.65 کیلوگرم است. طول طناب انتخابی 14 متر است، کار انجام شده 2240 ژول است و به روش بلند کردن بار بستگی ندارد و فقط به جرم بار و ارتفاع بالابر بستگی دارد.
مشکل 2
اگر طناب با نیروی 154 نیوتن کشیده شود چه باری را می توان با استفاده از یک بلوک متحرک با وزن 20 نیوتن بلند کرد؟
بیایید قانون لحظه برای بلوک متحرک را بنویسیم: $F = f 1/2 (P+ Р_Б)$، که $f$ ضریب تصحیح طناب است.
سپس $P=2\frac(F)(f)-P_B=2\cdot \frac(154)(1,1)-20=260\ N$
پاسخ: وزن بار 260 نیوتن است.
بلوک و قرقره- مکانیسم های ساده ای که برای بلند کردن بارها با تلاش کم یا با تلاش در موقعیتی مناسب برای کاربر استفاده می شود.
بلوک ها و قرقره ها از دو قسمت تشکیل شده اند: یک چرخ با شیار محیطی (قرقره) و یک طناب یا کابل. بلوک، به عنوان یک قاعده، دستگاهی است که از یک قرقره در یک قاب با یک تعلیق و یک کابل تشکیل شده است. بلوک قرقره ترکیبی از قرقره و کابل است. اصل عملکرد آن شبیه به عملکرد یک اهرم است - افزایش نیرو بر افزایش فاصله با برابری نظری کار انجام شده تأثیر می گذارد.
این مکانیزم ها می توانند مستقل از سایر واحدهای بالابر مانند وینچ، بالابر، جرثقیل و همچنین به عنوان قطعات آنها مورد استفاده قرار گیرند.
تصاویر اصل عملکرد را نشان می دهند بلوک و قرقره:
در شکل 1a، باری با وزن W1 با استفاده از یک بلوک منفرد با نیروی P1 برابر با وزن برداشته می شود. در شکل 1b، بار W2 با ساده ترین سیستم قرقره چندگانه، متشکل از دو بلوک، با نیروی P2 برابر با نصف وزن W2 برداشته می شود. ضربه این وزنه به طور مساوی بین شاخه های کابلی که قرقره B2 به وسیله قلاب C2 از قرقره A2 آویزان است تقسیم می شود. در نتیجه، برای بلند کردن بار W2، کافی است نیروی P2 برابر با نصف وزن W2 به شاخه کابلی که از شیار قرقره A2 می گذرد اعمال شود. بنابراین، ساده ترین بالابر زنجیری استحکام مضاعف می دهد. شکل 1,c عملکرد یک قرقره با دو قرقره را توضیح می دهد که هر کدام دارای دو شیار هستند. در اینجا نیروی P3 مورد نیاز برای بلند کردن بار W3 تنها یک چهارم وزن آن است. این با توزیع کل وزن W3 بین چهار کابل تعلیق بلوک B3 به دست می آید. توجه داشته باشید که مضربی افزایش قدرت هنگام بلند کردن وزنه ها همیشه برابر با تعداد کابل هایی است که بلوک متحرک B3 به آن آویزان است.
برنج. 2
در گذشته به عنوان کابل برای بلوک ها و قرقره هااز طناب کنفی انعطاف پذیر و بادوام استفاده شد. با قیطانی از سه رشته بافته می شد که هر یک از رشته های کوچک زیادی تشکیل می شد. بالابرهای قرقره ای با چنین طناب هایی در هر کجا که برای بلند کردن بار لازم بود استفاده می شد: در کشتی های دریایی، در کشاورزی، در سایت های ساخت و ساز. پیچیده ترین آنها (شکل 2) اغلب در کشتی های بادبانی استفاده می شد. در آنجا به آنها برای کار با بادبان ها، قطعات یدکی و سایر تجهیزات متحرک نیاز بود.
با گذشت زمان، لبه های کنفی با کابل های فولادی و کابل های ساخته شده از الیاف مصنوعی و معدنی جایگزین شد. آنها بادوام تر و مقاوم تر در برابر سایش هستند. بالابر قرقره ایبا کابل های فولادی و قرقره های چند شیار جزء جدایی ناپذیر مکانیزم های بالابر تمام تجهیزات بالابری مدرن هستند. قرقره ها بلوک هامعمولاً روی رولبرینگ ها می چرخند و تمام سطوح متحرک آنها به اجبار روغن کاری می شوند.
از بلوک ها برای بلند کردن بار استفاده می شود. بلوک یک چرخ با یک شیار است که در یک نگهدارنده نصب شده است. یک طناب، کابل یا زنجیر از طریق کانال بلوک عبور داده می شود. بی حرکتآنها چنین بلوکی را می نامند که محور آن ثابت است و هنگام بلند کردن بارها بالا نمی رود یا سقوط نمی کند (شکل 1، a، b).
یک بلوک ثابت را می توان به عنوان یک اهرم هم بازو در نظر گرفت که در آن بازوهای نیروهای وارده برابر با شعاع چرخ است. در نتیجه، از قاعده لحظه‌ها برمی‌آید که یک بلوک ثابت هیچ بهره‌ای در نیرو ایجاد نمی‌کند. این به شما امکان می دهد جهت نیرو را تغییر دهید.
شکل 2، a، b نشان می دهد بلوک متحرک(محور بلوک همراه با بار بالا و پایین می رود). چنین بلوکی حول محور آنی O می چرخد. قانون لحظه ای برای آن شکل خواهد داشت
بنابراین، بلوک متحرک افزایش دو برابری در استحکام می دهد.
معمولا در عمل از ترکیب یک بلوک ثابت و یک بلوک متحرک استفاده می شود (شکل 3). بلوک ثابت فقط برای راحتی استفاده می شود. با تغییر جهت نیرو، به عنوان مثال، امکان بلند کردن بار در حالت ایستاده روی زمین را فراهم می کند.
