Kuinka paljon painoa hihnapyörä ottaa pois?

Talja ei käytä polttoainetta tai sähköä, eikä se toimi yksinään, mutta se on silti kone. Ei kone, jolla sana on määritelty Merriam-Webster-sanakirjassa, vaan kone, jolla insinöörit määrittelevät sanan: "Yksinkertaiset koneet ovat laitteita, joita voidaan käyttää moninkertaistamaan tai lisäämään käyttämäämme voimaa — usein sen etäisyyden kustannuksella, jonka läpi voimaa käytämme. "

Luettelo yksinkertaisista koneista sisältää tavaroita, joita ihmiset käyttävät päivittäin, kuten vasarat, ruuvimeisselit ja ovenkahvat. Kaikki nämä työkoneet kuuluvat johonkin kuudesta klassisesta yksinkertaisten koneiden luokasta. Luokat ovat:

• Rengas ja akseli
• Talja
• Vipu
• Kalteva taso
• Ruuvi
• Kiila

Jotkut tutkijat pitävät ruuvia ja kiilaa erityistyyppisillä kaltevilla tasoilla, mikä vähentää luettelon neljään merkintään. Voit jopa pitää hihnapyörää pyörän ja akselin erityistapauksena ja supistaa luettelon kolmeen kohtaan. Riippumatta siitä, kuinka monta kohdetta on luettelossa, hihnapyörä on kuitenkin kone.

Koneen lähtövoiman suhde siihen voimaan tunnetaan koneen mekaaninen etu (MA). Jotta kone olisi kone, lähtövoiman on oltava suurempi kuin syöttövoima, mikä tarkoittaa, että mekaanisen edun on aina oltava suurempi kuin 1. Mitä suurempi mekaaninen etu, sitä vähemmän voimaa joudut syöttämään koneeseen, jotta se toimisi.

Voit laskea hihnapyöräjärjestelmän mekaanisen edun laskemalla voiman, joka tarvitaan kuorman nostamiseen tietylle korkeudelle ilman hihnapyörää (lähtövoima, F_O) ja lasketaan sitten voima, joka tarvitaan sen tekemiseen hihnapyörällä (syöttövoima F_Minä). Mekaaninen etu on lähtövoiman suhde syöttövoimaan: MA = F_O/ F_Minä. Mitä pienempi syöttövoima on suhteessa lähtövoimaan, sitä suurempi on mekaaninen etu.

Yksinkertaisella hihnapyöräjärjestelmällä sen mekaanisen edun laskeminen on naurettavan helppoa. Lasketaan vain kuormaa tukevien köysien määrä.

Kun tiedät mekaanisen edun, voit laskea tunnetun painon nostamiseen tarvittavan voiman. Voima ja paino tarkoittavat samaa, joten laskemalla mekaanisen edun voit selvittää hihnapyörän kuormituksen pienenemisen.

"Odota", sanot. "Mistä tiedät, että mekaaninen etu on yhtä suuri kuin köysi?" Voit vastata tähän kysymykseen sinun on tiedettävä mitä työ on, eikä sellainen työ, jota teet 9–5-työpaikallasi.

Fyysikoiden osalta teet työtä (W) käyttämällä voimaa (F) etäisyydellä (d). Lasket työn kertomalla voima etäisyydellä:

W = F • d.

Työ liittyy energiaan, ja koska yksi perustavanlaatuisimmista luonnonlaeista on, että energiaa säästetään aina, työ on säästettävä. Jos hihnapyöräjärjestelmään kohdistettu voima on pienempi kuin kuorman nostamiseen tarvittava voima, jotain on muutettava, jotta tekemäsi työ olisi yhtä suuri kuin kuorman nostamiseen tarvittava työ.

Muuttuva määrä on etäisyys. Käytät vähemmän voimaa kuorman nostamiseen käytettäessä hihnapyöräjärjestelmää, mutta sinun on vedettävä enemmän köyttä nostaaksesi kuorman tietylle korkeudelle. Jos sinulla on kaksoispyöräjärjestelmä, joudut vetämään kaksi kertaa niin paljon köyttä; kolmipyöräjärjestelmässä joudut vetämään kolme kertaa niin paljon jne. Itse asiassa minkä tahansa hihnapyöräjärjestelmän osalta voit laskea vedettävän ylimääräisen köyden määrän laskemalla kuormaa tukevien köysien lukumäärän.

Paino ja voima eivät ole erilaisia ​​määriä. Kohteen paino on vain painovoiman sille kohdistama voima, joten kun nostat esinettä, sinun on kohdistettava painovoiman verran yhtä suuri voima. Jos sinulla on yksi hihnapyöräjärjestelmä, hihnapyörän avulla voit vetää köyttä alaspäin ylöspäin, mikä on ehdottomasti helpompaa, mutta pakottaa käyttämään on edelleen yhtä suuri kuin kuorman paino nostat.

Jos lisäät hihnapyörän ensimmäisen alle, kierrät köyden molempien hihnapyörien ympäri ja ripustat kuorman toisesta hihnapyörästä, kuormaa tukee nyt kaksi köyttä. Tämän uuden, parannetun hihnapyöräjärjestelmän mekaaninen etu on siis 2, mikä tarkoittaa, että sinun tarvitsee vain käyttää voima, joka on puolet kuorman painosta nostaaksesi sen. Ripusta kolmas hihnapyörä ensimmäisestä, kierrä köysi läpi siten, että kolme köyttä ripustaa kuorman, ja voima, jonka sinun on kohdistettava kuorman nostamiseen, on vain kolmasosa sen painosta.

Voisit sanoa yleensä, että hihnapyörän kuormituksen vähentäminen on kuormaa tukevien köysien lukumäärän vastavuoroisuus, mutta harvoissa käytännön hihnapyöräjärjestelmissä on enemmän kuin neljä köyttä. Tämän seurauksena suurin hihnapyörän kuormituksen vähennys, jonka voit toteuttaa, on neljännes kuorman painosta. Todellisuudessa todellinen kuormituksen vähennys on hieman pienempi kuin tämä, koska sinun on otettava huomioon hihnapyörien kitka.

Oletetaan, että voit nostaa 200 kilon ihmisen itse, mutta se on painonnostokykysi raja. Voisitko suunnitella hihnapyöräjärjestelmän 2000 kilon auton nostamiseksi? Luultavasti ei, koska jopa nelipyöräinen järjestelmä vähentäisi painoa vain neljänneksellä, ja se on silti 500 kiloa.

Oletetaan, että voisit hankkia pari hihnapyöräjärjestelmää ja saada ystäväsi, joka on yhtä vahva kuin sinä, vetämään yhden heistä. Sinulla olisi edelleen ongelmia, mutta saatat pystyä tekemään sen, koska jokainen hihnapyörä nostaisi puolet painosta eli 1000 kiloa, ja neljäsosa painosta on 250 kiloa. Jos lisäät työhön kolmannen hihnapyörän ja kolmannen henkilön, jokaisella henkilöllä on kuitenkin vain 167 kiloa voimaa, mikä on heidän kykynsä rajoissa, joten tämä järjestelmä toimisi helposti.

Hihnapyörän painolaskuri ei riipu siitä, mikä paino nousee ensin köyttä vedettäessä, koska jos yksi henkilö vetää ennen kahta muuta, auto ei liiku. Kaikkien kolmen ihmisen on vedettävä samanaikaisesti, jotta kuormitus jakautuu oikein ja paino jakautuu tasaisesti kolmen hihnapyörän kesken. Kun nämä kolme ihmistä työskentelevät samanaikaisesti, autoa tukee itse asiassa 12 köyttä, mikä tekee siitä hihnapyöräjärjestelmän 12 mekaaninen etu ja vähentää ajoneuvon nostamiseen tarvittavaa nettovoimaa arvoon 2000 ÷ 12 = 167 kiloa.