Една ролка не използва гориво или електричество и не работи сама, но все пак е машина. Не машина по начина, по който думата се дефинира от речника Merriam-Webster, а машина по начина, по който инженерите определят думата: "Простите машини са устройства, които могат да се използват за умножаване или увеличаване на сила, която прилагаме — често за сметка на разстояние, през което прилагаме силата. "
Всяка машина има механично предимство
Списъкът с прости машини включва предмети, които хората използват всеки ден, като чукове, отвертки и дръжки на вратите. Всички тези приспособления попадат в една от шестте класически категории прости машини. Категориите са:
- Колело и ос
- Ролка
- Лост
- Наклонена равнина
- Винт
- Клин
Някои учени разглеждат винта и клина като специални видове наклонени равнини, което намалява списъка до четири записа. Можете дори да разглеждате ролката като специален случай на колело и ос и да намалите списъка до три елемента. Без значение колко елементи са в списъка, макарата се квалифицира като машина.
Съотношението на изходната сила на машината към силата, която прилагате към нея, е известно като машината механично предимство (MA). За да бъде една машина машина, изходната сила трябва да е по-голяма от входната сила, което означава, че механичното предимство винаги трябва да е по-голямо от 1. Колкото по-голямо е механичното предимство, толкова по-малко сила трябва да вложите в машината, за да работи тя.
Механичното предимство на система от ролки
Можете да изчислите механичното предимство на система от ролки, като изчислите силата, необходима за повдигане на товар до определена височина без ролка (изходната сила, FО) и след това изчисляване на силата, необходима за това с макарата (входната сила FАз). Механичното предимство е съотношението на изходната сила към входната сила: MA = FО/ ЕАз. Колкото по-малка е входната сила спрямо изходната сила, толкова по-голямо е механичното предимство.
За проста система от ролки изчисляването на нейното механично предимство е абсурдно лесно. Просто броите броя на въжетата, които поддържат товара.
След като познаете механичното предимство, можете да изчислите силата, необходима за повдигане на известно тегло. Силата и теглото означават едно и също, така че като изчислите механичното предимство, ще можете да разберете намаляването на натоварването на ролката.
За да получите механично предимство, трябва да изтеглите още въже
„Чакай“, казваш ти. „Откъде знаете, че механичното предимство е равно на броя на въжетата?“ За да отговорите на този въпрос, трябва да знаете какво работа е, а не вида работа, която вършите на вашата работа от 9 до 5.
Що се отнася до физиците, вие работите (W), като прилагате сила (F) на разстояние (d). Изчислявате работата, като умножите силата по разстоянието:
W = F • d.
Работата е свързана с енергията и тъй като един от най-фундаменталните закони на природата е, че енергията винаги се запазва, работата трябва да се запази. Ако усилието, приложено към система с ролки, е по-малко от силата, необходима за повдигане на товара, трябва да се промени нещо, за да се постигне равномерност на работата, която извършвате, на количеството работа, необходимо за повдигане на товара.
Количеството, което се променя, е разстоянието. Прилагате по-малко сила за повдигане на товар, когато използвате система с ролки, но трябва да издърпате повече въже, за да повдигнете товара до определена височина. Ако имате система с двойни ролки, трябва да изтеглите двойно повече въже; в система с тройни ролки трябва да изтеглите три пъти повече и т.н. Всъщност за всяка система на ролки можете да изчислите количеството допълнително въже, което трябва да издърпате, като преброите броя на въжетата, поддържащи товара.
Намаляване на теглото, силата и натоварването на ролката
Теглото и силата не са различни величини. Теглото на обекта не е нищо друго освен силата, упражнена върху него от гравитацията, така че когато повдигате обект, трябва да упражнявате сила, равна на гравитационната сила. Ако имате единична ролкова система, ролката ви позволява да изтегляте въжето вместо нагоре, което определено е по-лесно, но сила, която упражнявате все още е равно на тегло на товара вдигаш.
Ако добавите ролка под първата, завъртете въжето около двете ролки и окачете товар от втората ролка, натоварването вече се поддържа от две въжета. Следователно механичното предимство на тази нова, подобрена система от ролки е 2, а това означава, че трябва само да положите усилия сила, равна на половината от теглото на товара да го вдигнеш. Окачете трета ролка от първата, прекарайте въжето през нея, така че три въжета да окачат товара, а силата, която трябва да упражните, за да повдигнете товара, е само една трета от теглото му.
Като цяло бихте могли да кажете, че намаляването на натоварването на ролката е реципрочното на броя на въжетата, поддържащи товара, но малко практични системи с ролки имат повече от четири въжета. Следователно, максималното намаляване на натоварването на ролката, което можете да осъзнаете, е една четвърт от теглото на товара. В действителност реалното намаляване на натоварването е малко по-малко от това, защото трябва да вземете предвид триенето в ролките.
Примерен калкулатор за тегло на ролката
Да предположим, че можете сами да вдигнете 200-килограмов човек, но това е границата на способностите ви за вдигане на тежести. Бихте ли могли да създадете система от ролки, за да вдигнете 2000-килограмов автомобил? Вероятно не защото дори система с четири ролки би намалила теглото само с една четвърт, а това все още е 500 паунда.
Да предположим, че можете да монтирате чифт ролкови системи и да накарате приятел, който е толкова силен като вас, да изтегли една от тях. Все още ще имате проблеми, но може би ще успеете да го направите, защото всяка ролка ще вдигне половината от теглото или 1000 паунда, а една четвърт от това тегло е 250 паунда. Ако добавите трета ролка и трети човек към работата, обаче, всеки човек ще трябва да упражни само 167 паунда сила, което е напълно в рамките на възможностите му, така че тази система ще работи лесно.
Калкулаторът на теглото на ролката не зависи от това кое тегло ще се вдигне първо, докато се дърпа въжето, защото ако един човек дръпне преди другите два, колата няма да се движи. И тримата души трябва да теглят едновременно, за да разпределят правилно товара и да разпределят тежестта равномерно между трите ролки. Когато тримата работят едновременно, всъщност има 12 въжета, поддържащи колата, което прави механично предимство на системата на ролките 12 и намалява нетната сила, необходима за повдигане на превозното средство до 2000 ÷ 12 = 167 паунда.