كم وزن تقلع البكرة؟

لا تستخدم البكرة الوقود أو الكهرباء ، ولا تعمل من تلقاء نفسها ، لكنها لا تزال آلة. ليست آلة بالطريقة التي يتم بها تعريف الكلمة بواسطة قاموس Merriam-Webster ، ولكنها آلة بالطريقة التي يحدد بها المهندسون الكلمة: "الآلات البسيطة هي أجهزة يمكن استخدامها لمضاعفة القوة التي نطبقها أو زيادتها — غالبًا على حساب المسافة التي نطبق من خلالها القوة ".

تتضمن قائمة الآلات البسيطة العناصر التي يستخدمها الأشخاص كل يوم ، مثل المطارق ومفكات البراغي ومقابض الأبواب. تندرج كل هذه الأدوات في واحدة من الفئات الست الكلاسيكية للآلات البسيطة. الفئات هي:

• العجلة والمحور
• بكرة
• رافعة
• مستوى مائل
• أفسد
• وتد

يعتبر بعض العلماء البرغي والإسفين نوعين خاصين من المستويات المائلة ، مما يقلل القائمة إلى أربعة مداخل. يمكنك حتى اعتبار البكرة حالة خاصة للعجلة والمحور وتقليل القائمة إلى ثلاثة عناصر. بغض النظر عن عدد العناصر الموجودة في القائمة ، فإن البكرة مؤهلة كآلة.

تُعرف نسبة قوة خرج الآلة إلى القوة التي تطبقها عليها باسم قوة الآلة ميزة ميكانيكيه (ماجستير). لكي تكون الآلة آلة ، يجب أن تكون قوة الخرج أكبر من قوة الإدخال ، مما يعني أن الميزة الميكانيكية يجب أن تكون دائمًا أكبر من 1. كلما زادت الميزة الميكانيكية ، قلت القوة التي يتعين عليك إدخالها في الجهاز حتى تعمل.

يمكنك حساب الميزة الميكانيكية لنظام البكرة عن طريق حساب القوة المطلوبة لرفع حمولة إلى ارتفاع معين بدون بكرة (قوة الخرج ، F_ا) ثم حساب القوة المطلوبة للقيام بذلك بالبكرة (قوة الإدخال F_أنا). الميزة الميكانيكية هي نسبة قوة الخرج إلى قوة الإدخال: MA = F_ا/ F_أنا. كلما كانت قوة الإدخال أصغر بالنسبة لقوة الخرج ، زادت الميزة الميكانيكية.

بالنسبة لنظام البكرة البسيط ، فإن حساب ميزته الميكانيكية سهل للغاية. يمكنك ببساطة حساب عدد الحبال التي تدعم الحمل.

بمجرد أن تعرف الميزة الميكانيكية ، يمكنك حساب القوة اللازمة لرفع وزن معروف. تعني القوة والوزن نفس الشيء ، لذلك من خلال حساب الميزة الميكانيكية ، ستتمكن من معرفة تقليل حمل البكرة.

أنت تقول "انتظر". "كيف تعرف أن الميزة الميكانيكية تساوي عدد الحبال؟" للإجابة على هذا السؤال ، عليك أن تعرف ماذا الشغل هو ، وليس نوع العمل الذي تقوم به في وظيفتك من التاسعة إلى الخامسة.

بقدر ما يتعلق الأمر بالفيزيائيين ، فأنت تعمل (W) من خلال تطبيق القوة (F) على مسافة (د). تحسب الشغل بضرب القوة في المسافة:

W = F • d.

يرتبط العمل بالطاقة ، وبما أن أحد أهم قوانين الطبيعة هو الحفاظ على الطاقة دائمًا ، فيجب الحفاظ على العمل. إذا كانت القوة المطبقة على نظام البكرة أقل من القوة اللازمة لرفع الحمل ، يجب أن يتغير شيء ما لجعل مقدار العمل الذي تقوم به مساويًا لكمية الشغل اللازمة لرفع الحمل.

الكمية التي تتغير هي المسافة. أنت تستخدم قوة أقل لرفع الحمل عند استخدام نظام البكرة ، ولكن عليك سحب المزيد من الحبل لرفع الحمل إلى ارتفاع معين. إذا كان لديك نظام بكرة مزدوجة ، يجب عليك سحب ضعف الحبل ؛ في نظام البكرة الثلاثية ، عليك أن تسحب ثلاثة أضعاف ، وهكذا. في الواقع ، بالنسبة لأي نظام بكرة ، يمكنك حساب مقدار الحبل الإضافي الذي يتعين عليك سحبه عن طريق حساب عدد الحبال التي تدعم الحمل.

الوزن والقوة ليسا كميات مختلفة. وزن الجسم ما هو إلا القوة التي تمارس عليه عن طريق الجاذبية ، لذلك عندما ترفع شيئًا ، عليك بذل قوة مساوية لقوة الجاذبية. إذا كان لديك نظام بكرة واحد ، فإن البكرة تسمح لك بسحب الحبل لأسفل بدلاً من أعلى ، وهو بالتأكيد أسهل ، ولكن إجبارك على بذل مجهود لا يزال يساوي وزن الحمولة أنت ترفع.

إذا أضفت بكرة أسفل البكرة الأولى ، ولف الحبل حول كلتا البكرتين وعلق حمولة من البكرة الثانية ، فإن الحمل الآن مدعوم بحبلين. وبالتالي ، فإن الميزة الميكانيكية لنظام البكرة الجديد والمحسّن هذا هي 2 ، وهذا يعني أنه عليك فقط بذل الجهد قوة تساوي نصف وزن الحمولة لرفعها. قم بتعليق بكرة ثالثة من الأولى ، ثم قم بلف الحبل من خلالها بحيث تقوم ثلاثة حبال بتعليق الحمل ، والقوة التي يجب عليك بذلها لرفع الحمل هي ثلث وزنها فقط.

يمكنك القول ، بشكل عام ، أن تقليل حمل البكرة هو متبادل لعدد الحبال الداعمة للحمل ، لكن القليل من أنظمة البكرات العملية بها أكثر من أربعة حبال. وبالتالي ، فإن الحد الأقصى لتقليل حمل البكرة الذي يمكنك تحقيقه هو ربع وزن الحمولة. في الواقع ، يكون تقليل الحمل الفعلي أقل بقليل من ذلك لأنه يجب عليك مراعاة الاحتكاك في البكرات.

لنفترض أنك تستطيع رفع 200 رطل بنفسك ، ولكن هذا هو الحد من قدراتك في رفع الأثقال. هل يمكنك ابتكار نظام بكرة لرفع سيارة تزن 2000 رطل؟ ربما ليس لأنه حتى نظام البكرات الأربع سيقلل الوزن بمقدار الربع فقط ، ولا يزال هذا 500 رطل.

لنفترض أنه يمكنك تجهيز زوج من أنظمة البكرات والحصول على صديق ، قوي مثلك ، لسحب أحدهما. ستظل تواجه مشكلة ، لكن قد تتمكن من القيام بذلك لأن كل بكرة ترفع نصف الوزن ، أو 1000 رطل ، وربع هذا الوزن يساوي 250 رطلاً. ومع ذلك ، إذا أضفت بكرة ثالثة وشخصًا ثالثًا إلى الوظيفة ، فسيتعين على كل شخص بذل 167 رطلاً من القوة فقط ، وهو ما يعد في حدود قدراته ، لذلك سيعمل هذا النظام بسهولة.

لا تعتمد آلة حاسبة لوزن البكرة على الوزن الذي سيرفع أولاً لأن الحبل يُسحب لأنه إذا سحب شخص ما قبل أن يفعل الآخران ، فلن تتحرك السيارة. يتعين على الأشخاص الثلاثة السحب في وقت واحد لمشاركة الحمل بشكل صحيح وتوزيع الوزن بالتساوي بين البكرات الثلاث. عندما يعمل الأشخاص الثلاثة في وقت واحد ، يوجد ، في الواقع ، 12 حبلاً تدعم السيارة ، مما يجعل الميزة الميكانيكية لنظام البكرة 12 ويقلل من صافي القوة المطلوبة لرفع السيارة إلى 2000 12 = 167 جنيها.