Ile waży koło pasowe?

Koło pasowe nie zużywa paliwa ani elektryczności i nie działa samodzielnie, ale nadal jest maszyną. Nie maszyna w sposób, w jaki słowo jest definiowane przez słownik Merriam-Webster, ale maszyna w sposób, w jaki inżynierowie definiują słowo: „Proste maszyny to urządzenia, które można wykorzystać do zwielokrotnienia lub zwiększenia siły, którą przykładamy — często kosztem odległości, na jaką przykładamy siłę.”

Lista prostych maszyn obejmuje przedmioty, których ludzie używają na co dzień, takie jak młotki, śrubokręty i klamki. Wszystkie te narzędzia należą do jednej z sześciu klasycznych kategorii prostych maszyn. Kategorie to:

• Koło i oś
• Krążek linowy
• Dźwignia
• Równia pochyła
• Wkręt
• Klin

Niektórzy naukowcy uważają śrubę i klin za specjalne rodzaje pochylonych płaszczyzn, co ogranicza listę do czterech pozycji. Możesz nawet uznać koło pasowe za szczególny przypadek koła i osi i zredukować listę do trzech pozycji. Bez względu na to, ile pozycji znajduje się na liście, koło pasowe kwalifikuje się jako maszyna.

Stosunek siły wyjściowej maszyny do siły, którą do niej przykładasz, jest znany jako siła maszyny przewaga mechaniczna (MAMA). Aby maszyna była maszyną, siła wyjściowa musi być większa niż siła wejściowa, co oznacza, że ​​przewaga mechaniczna musi być zawsze większa niż 1. Im większa przewaga mechaniczna, tym mniej siły trzeba włożyć w maszynę, aby działała.

Możesz obliczyć mechaniczną przewagę systemu kół pasowych, obliczając siłę wymaganą do podniesienia ładunku na określoną wysokość bez koła pasowego (siła wyjściowa, F_O), a następnie obliczenie siły potrzebnej do wykonania tego z kołem pasowym (siła wejściowa F_ja). Zaletą mechaniczną jest stosunek siły wyjściowej do siły wejściowej: MA = F_O/ F_ja. Im mniejsza siła wejściowa w stosunku do siły wyjściowej, tym większa przewaga mechaniczna.

Jak na prosty system kół pasowych, obliczenie jego mechanicznej przewagi jest śmiesznie proste. Po prostu liczysz ilość lin, które podtrzymują ładunek.

Gdy poznasz przewagę mechaniczną, możesz obliczyć siłę potrzebną do podniesienia znanego ciężaru. Siła i waga oznaczają to samo, więc obliczając przewagę mechaniczną, będziesz w stanie obliczyć zmniejszenie obciążenia koła pasowego.

„Czekaj”, mówisz. „Skąd wiesz, że przewaga mechaniczna jest równa liczbie lin?” Aby odpowiedzieć na to pytanie, musisz wiedzieć co praca jest, a nie rodzaj pracy, którą wykonujesz w swojej pracy od 9 do 17.

Jeśli chodzi o fizyków, pracujesz (W) przez przykładanie siły (F) na odległość (d). Pracę oblicza się mnożąc siłę przez odległość:

W = F • śr.

Praca jest związana z energią, a ponieważ jednym z najbardziej podstawowych praw natury jest to, że energia jest zawsze zachowywana, praca musi być zachowywana. Jeśli siła przyłożona do układu kół pasowych jest mniejsza niż siła potrzebna do podniesienia ładunku, coś musi się zmienić, aby ilość pracy, którą wykonujesz, była równa ilości pracy potrzebnej do podniesienia ładunku.

Zmieniającą się wielkością jest odległość. Używasz mniej siły, aby podnieść ładunek podczas korzystania z systemu bloczków, ale musisz pociągnąć więcej liny, aby podnieść ładunek na określoną wysokość. Jeśli masz podwójny system bloczków, musisz ciągnąć dwa razy więcej liny; w systemie potrójnego koła pasowego trzeba ciągnąć trzy razy więcej i tak dalej. W rzeczywistości, dla każdego systemu bloczków, możesz obliczyć ilość dodatkowej liny, którą musisz ciągnąć, licząc liczbę lin podtrzymujących ładunek.

Waga i siła nie są różnymi wielkościami. Waga przedmiotu to nic innego jak siła wywierana na niego przez grawitację, więc kiedy podnosisz przedmiot, musisz wywrzeć siłę równą sile grawitacji. Jeśli masz system z pojedynczym bloczkiem, bloczek umożliwia ciągnięcie liny w dół zamiast w górę, co jest zdecydowanie łatwiejsze, ale zmusić cię do wysiłku jest nadal równy waga ładunku podnosisz.

Jeśli dodasz bloczek poniżej pierwszego, owiniesz linę wokół obu bloczków i zawiesisz ładunek na drugim bloczku, ładunek będzie teraz podtrzymywany przez dwie liny. Mechaniczna zaleta tego nowego, ulepszonego systemu kół pasowych wynosi zatem 2, a to oznacza, że ​​musisz tylko wywierać nacisk siła równa połowie ciężaru ładunku podnieść go. Zawieś trzeci bloczek od pierwszego, zapętl linę tak, aby trzy liny zawieszały ładunek, a siła, którą musisz wywrzeć, aby podnieść ładunek, wynosi tylko jedną trzecią jego wagi.

Można ogólnie powiedzieć, że zmniejszenie obciążenia bloczka jest odwrotnością liczby lin podtrzymujących obciążenie, ale niewiele praktycznych systemów bloczków ma więcej niż cztery liny. W konsekwencji maksymalna redukcja obciążenia koła pasowego, jaką można osiągnąć, wynosi jedną czwartą ciężaru ładunku. W rzeczywistości rzeczywista redukcja obciążenia jest nieco mniejsza, ponieważ należy wziąć pod uwagę tarcie w kołach pasowych.

Załóżmy, że jesteś w stanie samodzielnie podnieść 200-kilogramową osobę, ale to jest granica twoich umiejętności w podnoszeniu ciężarów. Czy mógłbyś wymyślić system kół pasowych do podnoszenia samochodu o wadze 2000 funtów? Prawdopodobnie nie, ponieważ nawet system z czterema kołami pasowymi zmniejszyłby wagę tylko o jedną czwartą, a to wciąż 500 funtów.

Załóżmy, że możesz zmontować parę systemów bloczków i poprosić przyjaciela, który jest tak silny jak ty, aby pociągnął jeden z nich. Nadal będziesz miał kłopoty, ale możesz to zrobić, ponieważ każde koło pasowe uniosłoby połowę ciężaru, czyli 1000 funtów, a jedna czwarta tej wagi to 250 funtów. Jeśli jednak dodasz do pracy trzecie koło pasowe i trzecią osobę, każda osoba będzie musiała wywrzeć tylko 167 funtów siły, co jest w granicach ich możliwości, więc ten system będzie działał łatwo.

Kalkulator wagi koła pasowego nie zależy od tego, który ciężar zostanie podniesiony jako pierwszy, ponieważ ciągnie się lina, ponieważ jeśli jedna osoba pociągnie przed dwiema, samochód nie ruszy. Wszystkie trzy osoby muszą ciągnąć jednocześnie, aby prawidłowo rozłożyć obciążenie i równomiernie rozłożyć ciężar na trzy krążki. Gdy trzy osoby pracują jednocześnie, w efekcie samochód jest podtrzymywany przez 12 lin, co sprawia, że mechaniczna zaleta systemu kół pasowych 12 i zmniejsza siłę potrzebną do podniesienia pojazdu do 2000 ÷ 12 = 167 funtów.