Πόσο βάρος απογειώνεται μια τροχαλία;

Μια τροχαλία δεν χρησιμοποιεί καύσιμο ή ηλεκτρικό ρεύμα και δεν λειτουργεί μόνη της, αλλά εξακολουθεί να είναι μηχανή. Όχι μια μηχανή με τον τρόπο που ορίζεται η λέξη από το λεξικό Merriam-Webster, αλλά μια μηχανή με τον τρόπο που οι μηχανικοί ορίζουν τη λέξη: "Τα απλά μηχανήματα είναι συσκευές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για πολλαπλασιασμό ή αύξηση της δύναμης που εφαρμόζουμε — συχνά σε βάρος μιας απόστασης μέσω της οποίας εφαρμόζουμε τη δύναμη. "

Ο κατάλογος των απλών μηχανών περιλαμβάνει αντικείμενα που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι κάθε μέρα, όπως σφυριά, κατσαβίδια και πόμολα. Όλα αυτά τα εργαλεία εμπίπτουν σε μία από τις έξι κλασικές κατηγορίες απλών μηχανών. Οι κατηγορίες είναι:

• Τροχός και άξονας
• Τροχαλία
• Μοχλός
• Κεκλιμένο επίπεδο
• Βίδα
• Σφήνα

Μερικοί επιστήμονες θεωρούν τη βίδα και τη σφήνα ως ειδικούς τύπους κεκλιμένων επιπέδων, γεγονός που μειώνει τη λίστα σε τέσσερις καταχωρήσεις. Μπορείτε ακόμη και να θεωρήσετε την τροχαλία ως ειδική θήκη τροχού και άξονα και να μειώσετε τη λίστα σε τρία στοιχεία. Ανεξάρτητα από το πόσα είδη είναι στη λίστα, ωστόσο, μια τροχαλία χαρακτηρίζεται ως μηχανή.

Η αναλογία της δύναμης εξόδου ενός μηχανήματος προς τη δύναμη που εφαρμόζετε σε αυτήν είναι γνωστή ως μηχανικό όφελος (ΜΑ). Για να είναι μηχανή μια μηχανή, η δύναμη εξόδου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη δύναμη εισόδου, πράγμα που σημαίνει ότι το μηχανικό πλεονέκτημα πρέπει πάντα να είναι μεγαλύτερο από 1. Όσο μεγαλύτερο είναι το μηχανικό πλεονέκτημα, τόσο λιγότερη δύναμη πρέπει να εισάγετε στο μηχάνημα για να το λειτουργήσει.

Μπορείτε να υπολογίσετε το μηχανικό πλεονέκτημα ενός συστήματος τροχαλίας υπολογίζοντας τη δύναμη που απαιτείται για την ανύψωση ενός φορτίου σε ένα ορισμένο ύψος χωρίς τροχαλία (η δύναμη εξόδου, F_Ο) και στη συνέχεια τον υπολογισμό της δύναμης που απαιτείται για να το κάνει με την τροχαλία (η δύναμη εισόδου F_Εγώ). Το μηχανικό πλεονέκτημα είναι ο λόγος της δύναμης εξόδου προς τη δύναμη εισόδου: MA = F_Ο/ ΣΤ_Εγώ. Όσο μικρότερη είναι η δύναμη εισόδου σε σχέση με τη δύναμη εξόδου, τόσο μεγαλύτερο είναι το μηχανικό πλεονέκτημα.

Για ένα απλό σύστημα τροχαλίας, ο υπολογισμός του μηχανικού του πλεονεκτήματος είναι γελοία εύκολος. Μετράτε απλά τον αριθμό των σχοινιών που υποστηρίζουν το φορτίο.

Μόλις γνωρίζετε το μηχανικό πλεονέκτημα, μπορείτε να υπολογίσετε τη δύναμη που απαιτείται για την ανύψωση ενός γνωστού βάρους. Η δύναμη και το βάρος σημαίνουν το ίδιο πράγμα, οπότε υπολογίζοντας το μηχανικό πλεονέκτημα, θα μπορείτε να καταλάβετε τη μείωση του φορτίου της τροχαλίας.

"Περιμένετε", λες. "Πώς ξέρετε ότι το μηχανικό πλεονέκτημα ισούται με τον αριθμό των σχοινιών;" Για να απαντήσετε σε αυτήν την ερώτηση, πρέπει να ξέρετε τι εργασία είναι, και όχι το είδος της εργασίας που κάνετε στη δουλειά σας 9 έως 5.

Όσον αφορά τους φυσικούς, εργάζεστε (W) εφαρμόζοντας μια δύναμη (F) σε απόσταση (d). Υπολογίζετε το έργο πολλαπλασιάζοντας τη δύναμη με την απόσταση:

W = F • δ.

Η εργασία σχετίζεται με την ενέργεια, και επειδή ένας από τους πιο θεμελιώδεις νόμους της φύσης είναι ότι η ενέργεια διατηρείται πάντα, η εργασία πρέπει να διατηρείται. Εάν η δύναμη που εφαρμόζεται σε ένα σύστημα τροχαλίας είναι μικρότερη από τη δύναμη που απαιτείται για την ανύψωση του φορτίου, κάτι πρέπει να αλλάξει για να κάνει το ποσό της εργασίας που κάνετε ίσο με το ποσό της εργασίας που απαιτείται για την ανύψωση του φορτίου.

Η ποσότητα που αλλάζει είναι απόσταση. Εφαρμόζετε λιγότερη δύναμη για να ανυψώσετε ένα φορτίο όταν χρησιμοποιείτε ένα σύστημα τροχαλίας, αλλά πρέπει να τραβήξετε περισσότερο σχοινί για να ανεβάσετε το φορτίο σε ένα συγκεκριμένο ύψος. Εάν έχετε σύστημα διπλής τροχαλίας, πρέπει να τραβήξετε σχοινί διπλάσιο. σε ένα σύστημα τριπλής τροχαλίας, πρέπει να τραβήξετε τρεις φορές περισσότερο και ούτω καθεξής. Στην πραγματικότητα, για οποιοδήποτε σύστημα τροχαλίας, μπορείτε να υπολογίσετε την ποσότητα επιπλέον σχοινιού που πρέπει να τραβήξετε μετρώντας τον αριθμό των σχοινιών που υποστηρίζουν το φορτίο.

Το βάρος και η δύναμη δεν είναι διαφορετικές ποσότητες. Το βάρος ενός αντικειμένου δεν είναι παρά η δύναμη που ασκείται από τη βαρύτητα, οπότε όταν σηκώνετε ένα αντικείμενο, πρέπει να ασκήσετε μια δύναμη ίση με τη βαρυτική δύναμη. Εάν έχετε ένα σύστημα τροχαλίας, η τροχαλία σάς επιτρέπει να τραβήξετε προς τα κάτω το σχοινί αντί προς τα πάνω, κάτι που είναι σίγουρα πιο εύκολο, αλλά αναγκάζω να ασκήσεις είναι ακόμα ίσο με το βάρος του φορτίου ανυψώνεις.

Εάν προσθέσετε μια τροχαλία κάτω από την πρώτη, περιστρέψτε το σχοινί γύρω από τις δύο τροχαλίες και αναστέλλετε ένα φορτίο από τη δεύτερη τροχαλία, το φορτίο υποστηρίζεται τώρα από δύο σχοινιά. Το μηχανικό πλεονέκτημα αυτού του νέου, βελτιωμένου συστήματος τροχαλίας είναι επομένως 2, και αυτό σημαίνει ότι πρέπει να ασκήσετε μόνο δύναμη ίση με το μισό βάρος του φορτίου για να το σηκώσετε. Αιωρήστε μια τρίτη τροχαλία από την πρώτη, περιστρέψτε το σχοινί έτσι ώστε τρία σχοινιά να αναστέλλουν το φορτίο και η δύναμη που πρέπει να ασκήσετε για να ανυψώσετε το φορτίο είναι μόνο το ένα τρίτο του βάρους του.

Θα μπορούσατε να πείτε, γενικά, ότι η μείωση φορτίου τροχαλίας είναι το αντίστροφο του αριθμού των σχοινιών που υποστηρίζουν το φορτίο, αλλά λίγα πρακτικά συστήματα τροχαλίας έχουν περισσότερα από τέσσερα σχοινιά. Κατά συνέπεια, η μέγιστη μείωση φορτίου τροχαλίας που μπορείτε να συνειδητοποιήσετε είναι το ένα τέταρτο του βάρους του φορτίου. Στην πραγματικότητα, η πραγματική μείωση φορτίου είναι ελαφρώς μικρότερη από αυτήν, επειδή πρέπει να λάβετε υπόψη την τριβή στις τροχαλίες.

Ας υποθέσουμε ότι μπορείτε να ανυψώσετε ένα άτομο 200 κιλών μόνοι σας, αλλά αυτό είναι το όριο των δυνατοτήτων σας για άρση βαρών. Θα μπορούσατε να σχεδιάσετε ένα σύστημα τροχαλίας για την ανύψωση ενός αυτοκινήτου 2.000 λιβρών; Πιθανώς όχι επειδή ακόμη και ένα σύστημα τεσσάρων τροχαλιών θα μείωνε το βάρος κατά μόλις ένα τέταρτο, και αυτό εξακολουθεί να είναι 500 κιλά.

Ας υποθέσουμε ότι θα μπορούσατε να δημιουργήσετε ένα ζευγάρι συστημάτων τροχαλίας και να πάρετε έναν φίλο, που είναι τόσο ισχυρός όσο εσείς, να τραβήξετε ένα από αυτά. Θα εξακολουθούσατε να έχετε πρόβλημα, αλλά ίσως να μπορείτε να το κάνετε γιατί κάθε τροχαλία θα σηκώνει το μισό βάρος, ή 1.000 κιλά, και το ένα τέταρτο αυτού του βάρους είναι 250 κιλά. Εάν προσθέσατε μια τρίτη τροχαλία και ένα τρίτο άτομο στη δουλειά, ωστόσο, κάθε άτομο θα πρέπει να ασκήσει μόνο 167 κιλά δύναμης, κάτι που είναι καλά στη δυνατότητά τους, έτσι αυτό το σύστημα θα λειτουργούσε εύκολα.

Ένας υπολογιστής βάρους τροχαλίας δεν εξαρτάται από το ποιο βάρος θα ανυψωθεί πρώτα καθώς το σχοινί τραβιέται γιατί αν ένα άτομο τραβήξει πριν τα άλλα δύο, το αυτοκίνητο δεν θα κινηθεί. Και τα τρία άτομα πρέπει να τραβήξουν ταυτόχρονα για να μοιραστούν σωστά το φορτίο και να κατανείμουν το βάρος ομοιόμορφα μεταξύ των τριών τροχαλιών. Όταν τα τρία άτομα εργάζονται ταυτόχρονα, υπάρχουν, ουσιαστικά, 12 σχοινιά που υποστηρίζουν το αυτοκίνητο, το οποίο κάνει το μηχανικό πλεονέκτημα του συστήματος τροχαλίας 12 και μειώνει την καθαρή δύναμη που απαιτείται για την ανύψωση του οχήματος σε 2.000 ÷ 12 = 167 λίβρες.