Katrol tidak menggunakan bahan bakar atau listrik, dan tidak berjalan sendiri, tetapi tetaplah sebuah mesin. Bukan mesin dalam cara kata didefinisikan oleh kamus Merriam-Webster, tetapi mesin dalam cara para insinyur mendefinisikan kata: "Mesin sederhana adalah perangkat yang dapat digunakan untuk melipatgandakan atau menambah kekuatan yang kita terapkan — sering dengan mengorbankan jarak yang melaluinya kita menerapkan gaya."
Setiap Mesin Memiliki Keuntungan Mekanis
Daftar mesin sederhana termasuk barang-barang yang digunakan orang setiap hari, seperti palu, obeng, dan gagang pintu. Semua alat ini termasuk dalam salah satu dari enam kategori klasik mesin sederhana. Kategorinya adalah:
- Roda dan poros
- Katrol
- Tuas
- Bidang miring
- Sekrup
- Baji
Beberapa ilmuwan menganggap sekrup dan baji sebagai jenis khusus bidang miring, yang mengurangi daftar menjadi empat entri. Anda bahkan dapat menganggap katrol sebagai kotak khusus roda dan gandar dan mengurangi daftar menjadi tiga item. Tidak peduli berapa banyak item dalam daftar, katrol memenuhi syarat sebagai mesin.
Rasio gaya keluaran sebuah mesin dengan gaya yang Anda berikan padanya dikenal sebagai mesin keuntungan mekanis (MA). Agar mesin menjadi mesin, gaya keluaran harus lebih besar dari gaya masukan, yang berarti keuntungan mekanis harus selalu lebih besar dari 1. Semakin besar keuntungan mekanis, semakin sedikit gaya yang harus Anda masukkan ke dalam mesin untuk membuatnya bekerja.
Keuntungan Mekanik dari Sistem Katrol
Anda dapat menghitung keuntungan mekanis dari sistem katrol dengan menghitung gaya yang diperlukan untuk mengangkat beban ke ketinggian tertentu tanpa katrol (gaya keluaran, FHAI) dan kemudian menghitung gaya yang diperlukan untuk melakukannya dengan katrol (gaya input Fsaya). Keuntungan mekanis adalah rasio gaya keluaran dengan gaya masukan: MA = FHAI/ Fsaya. Semakin kecil gaya masukan dalam kaitannya dengan gaya keluaran, semakin besar keuntungan mekanisnya.
Untuk sistem katrol sederhana, perhitungan keuntungan mekanisnya sangat mudah. Anda cukup menghitung jumlah tali yang menopang beban.
Setelah Anda mengetahui keuntungan mekanisnya, Anda dapat menghitung gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat beban yang diketahui. Gaya dan berat memiliki arti yang sama, jadi dengan menghitung keuntungan mekanis, Anda akan dapat mengetahui pengurangan beban katrol.
Untuk Mendapatkan Keuntungan Mekanis, Anda Harus Menarik Lebih Banyak Tali
"Tunggu," katamu. "Bagaimana Anda tahu bahwa keuntungan mekanis sama dengan jumlah tali?" Untuk menjawab pertanyaan ini, Anda perlu tahu apa kerja adalah, dan bukan jenis pekerjaan yang Anda lakukan di pekerjaan 9-ke-5 Anda.
Sejauh menyangkut fisikawan, Anda melakukan pekerjaan (W) dengan menerapkan gaya (F) pada jarak (d). Anda menghitung pekerjaan dengan mengalikan gaya dengan jarak:
W = F • d.
Usaha berhubungan dengan energi, dan karena salah satu hukum alam yang paling mendasar adalah bahwa energi selalu kekal, maka usaha harus kekal. Jika gaya yang diterapkan pada sistem katrol kurang dari gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat beban, sesuatu harus berubah untuk membuat jumlah pekerjaan yang Anda lakukan sama dengan jumlah pekerjaan yang dibutuhkan untuk mengangkat beban.
Besaran yang berubah adalah jarak. Anda menerapkan lebih sedikit kekuatan untuk mengangkat beban saat menggunakan sistem katrol, tetapi Anda harus menarik lebih banyak tali untuk menaikkan beban ke ketinggian tertentu. Jika Anda memiliki sistem katrol ganda, Anda harus menarik tali dua kali lebih banyak; dalam sistem katrol tiga, Anda harus menarik tiga kali lebih banyak, dan seterusnya. Sebenarnya, untuk sistem katrol apa pun, Anda dapat menghitung jumlah tali tambahan yang harus Anda tarik dengan menghitung jumlah tali yang menopang beban.
Pengurangan Beban Berat, Gaya, dan Katrol
Berat dan gaya bukanlah besaran yang berbeda. Berat suatu benda tidak lain adalah gaya yang diberikan padanya oleh gravitasi, jadi ketika Anda mengangkat sebuah benda, Anda harus mengerahkan gaya yang sama dengan gaya gravitasi. Jika Anda memiliki sistem katrol tunggal, katrol memungkinkan Anda untuk menarik tali ke bawah alih-alih ke atas, yang tentunya lebih mudah, tetapi memaksa Anda mengerahkan masih sama dengan berat beban Anda sedang mengangkat.
Jika Anda menambahkan katrol di bawah katrol pertama, lingkarkan tali di sekitar kedua katrol dan tunda beban dari katrol kedua, beban sekarang ditopang oleh dua tali. Oleh karena itu, keuntungan mekanis dari sistem katrol baru yang ditingkatkan ini adalah 2, dan itu berarti Anda hanya perlu mengerahkan gaya yang sama dengan setengah berat beban untuk mengangkatnya. Tangguhkan katrol ketiga dari katrol pertama, lingkarkan tali melalui itu sehingga tiga tali menahan beban, dan gaya yang harus Anda keluarkan untuk mengangkat beban hanya sepertiga dari beratnya.
Anda dapat mengatakan, secara umum, bahwa pengurangan beban katrol adalah kebalikan dari jumlah tali yang menopang beban, tetapi beberapa sistem katrol praktis memiliki lebih dari empat tali. Akibatnya, pengurangan beban katrol maksimum yang dapat Anda sadari adalah seperempat dari berat beban. Pada kenyataannya, pengurangan beban sebenarnya sedikit lebih kecil dari ini karena Anda harus memperhitungkan gesekan di puli.
Contoh Kalkulator Berat Katrol
Misalkan Anda dapat mengangkat orang seberat 200 pon sendiri, tetapi itulah batas kemampuan angkat besi Anda. Bisakah Anda merancang sistem katrol untuk mengangkat mobil seberat 2.000 pon? Mungkin bukan karena bahkan sistem empat katrol akan mengurangi berat hanya seperempat, dan itu masih 500 pon.
Misalkan Anda dapat memasang sepasang sistem katrol dan meminta seorang teman, yang sekuat Anda, untuk menarik salah satunya. Anda masih akan mengalami kesulitan, tetapi Anda mungkin dapat melakukannya karena setiap katrol akan mengangkat setengah dari berat, atau 1.000 pon, dan seperempat dari berat itu adalah 250 pon. Namun, jika Anda menambahkan katrol ketiga dan orang ketiga ke pekerjaan itu, setiap orang hanya perlu mengerahkan kekuatan 167 pon, yang sesuai dengan kemampuan mereka, sehingga sistem ini akan bekerja dengan mudah.
Kalkulator berat katrol tidak bergantung pada berat mana yang akan diangkat terlebih dahulu saat tali ditarik karena jika satu orang menarik sebelum dua lainnya melakukannya, mobil tidak akan bergerak. Ketiga orang harus menarik secara bersamaan untuk membagi beban dengan benar dan menyebarkan beban secara merata di antara ketiga katrol. Jika ketiga orang tersebut bekerja secara bersamaan, maka ada 12 tali yang menopang mobil tersebut, yang membuat keuntungan mekanis sistem katrol 12 dan mengurangi gaya total yang diperlukan untuk mengangkat kendaraan menjadi 2.000 12 = 167 pound.