Πώς λειτουργεί ο υπερυψωμένος γερανός - Μοχλοί, τροχαλίες, υδραυλικός κύλινδρος και μηχανικό πλεονέκτημα

Έχετε θαυμάσει ποτέ τη σύγχρονη τεχνολογία; Παρόλο που πολλές σύγχρονες τεχνολογίες και μηχανήματα είναι, στην πραγματικότητα, πολύ περίπλοκα, μερικά είναι στην πραγματικότητα πολύ λογικά, μόλις εξαλείψετε τις καμπάνες και τους σφυρίχτρες.
Ο γερανός κατασκευής, για παράδειγμα, είναι ένα τέτοιο μηχάνημα. Ο γερανός γενικά χρησιμοποιεί μόνο τρία απλά μηχανήματα. Ο μοχλός, η τροχαλία και ο υδραυλικός κύλινδρος.

Μοχλός

Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε εν συντομία έναν πολύ σημαντικό μηχανισμό στον κατασκευαστικό γερανό: τον μοχλό. Τρία επόμενα άρθρα, ωστόσο, θα διερευνήσουν τον ρόλο της τροχαλίας, του υδραυλικού κυλίνδρου και την έννοια του μηχανικού πλεονεκτήματος, αντίστοιχα, στους κατασκευαστικούς γερανούς.

Λοιπόν, πώς λειτουργεί ο γερανός εναέριας κυκλοφορίας; Σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό, οι περισσότεροι γερανοί χρησιμοποιούν το μοχλό για να ανυψώσουν εξαιρετικά μεγάλα φορτία. Σχεδόν όλοι οι τοποθετημένοι γερανοί και πολλοί ισορροπημένοι γερανοί μεγιστοποιούν την ανυψωτική ικανότητα με το μοχλό.

Αυτοί οι γερανοί χρησιμοποιούν μοχλούς, ή μηχανικούς βραχίονες, που αυξάνουν την αντοχή του. Αν και ένα πολύπλοκο σύστημα από σχοινιά, αλυσίδες και τροχαλίες συνήθως συνοδεύει τον μηχανικό βραχίονα, ο ίδιος ο μοχλός είναι απλώς μια απλή μηχανή.

Οι αρχαίοι χρησιμοποιούσαν από καιρό τον μοχλό στην πράξη για να χτίσουν μεγάλους ναούς, μνημεία και οχυρώσεις. Στην πραγματικότητα, οι μελετητές υποστηρίζουν ότι οι Αιγύπτιοι πιθανότατα χρησιμοποίησαν μοχλούς για την κατασκευή των Μεγάλων Πυραμίδων.

Ωστόσο, οι περισσότεροι ιστορικοί αποδίδουν την ανάπτυξη της γεωμετρικής θεωρίας πίσω από τον μοχλό στον Αρχιμήδη. Ο Αρχιμήδης, Μαθηματικός και Φιλόσοφος, έζησε στην Αρχαία Ελλάδα γύρω στον τρίτο αιώνα π.Χ. Υποτίθεται ότι κάποτε είπε, "Δώσε μου ένα μέρος να σταθώ και θα μετακινήσω τη Γη με ένα μοχλό".

Ο ίδιος ο μοχλός είναι μια σταθερή ράβδος που στηρίζεται σε ένα σημείο περιστροφής ή υπομόχλιο. Μπορείτε να πιέσετε προς τα κάτω το ένα άκρο με λίγη δύναμη «προσπάθειας» για να δημιουργήσετε λίγη δύναμη «εργασίας» που προκύπτει στο άλλο άκρο. Το εργατικό δυναμικό συνήθως μεταφέρει ή κρατά το αντικείμενο που σηκώνεται.

Ο επιστήμονας ταξινομεί όλους τους μοχλούς σε τρεις διαφορετικές ομάδες. Στους μοχλούς της τάξης 1, το υπομόχλιο βρίσκεται ανάμεσα στην προσπάθεια και τις δυνάμεις εργασίας, όπως σε τραμπάλα ή λοστό. Οι μοχλοί κατηγορίας δύο είναι μοχλοί στους οποίους το εργατικό δυναμικό βρίσκεται ανάμεσα στο υπομόχλιο και τη δύναμη προσπάθειας, όπως ένα καρότσι. Και στους μοχλούς της κατηγορίας τρία, η δύναμη προσπάθειας εφαρμόζεται μεταξύ του υποστηρίγματος και του εργατικού δυναμικού, όπως στα τσιμπιδάκια.

Αλλά, και πάλι, πώς λειτουργεί ο γερανός εναέριας κυκλοφορίας; Όπως θα δούμε με την τροχαλία και τον υδραυλικό κύλινδρο, ο μοχλός χειρίζεται μια έννοια γνωστή ως ροπή. Η ροπή μετρά την απόσταση στην οποία εφαρμόζεται μια δύναμη ή η ροπή ισούται με τη δύναμη επί την απόσταση.

Όπως συνειδητοποίησε ο Αρχιμήδης, ο χειρισμός της ροπής παρέχει μεγαλύτερες ανυψωτικές ικανότητες. Για παράδειγμα, σκεφτείτε μια απλή τραμπάλα σε μια παιδική χαρά. Η τραμπάλα έχει μήκος δέκα πόδια και περιστρέφεται σε μια ράβδο ακριβώς στο κέντρο της σανίδας της τραμπάλας. Το ένα στο πλάι κάθεται ένα παιδί 200 λιβρών και στην αντίθετη πλευρά κάθεται ένα παιδί 100 λιβρών με πιο σαρωτές.

Το πιο παχύ παιδί σίγουρα θα σπρώξει την πλευρά του από την τραμπάλα στο έδαφος, ενώ το αδύναμο παιδί θα σηκωθεί. Για το μικρότερο παιδί, πρέπει να εφαρμόσετε επιπλέον 100 κιλά δύναμης για να εξισορροπήσετε απλώς την τραμπάλα!

Τι θα γινόταν όμως αν είχε μαγικές ικανότητες που του επέτρεπαν να επεκτείνει την πλευρά της τραμπάλας κατά 5 πόδια ακόμη. Η πλευρά του μήκους δέκα ποδιών της τραμπάλας, σε συνδυασμό με το βάρος των 100 λιβρών του, θα του επέτρεπε να ισορροπήσει την τραμπάλα. Και, θεωρητικά, αν επέκτεινε το πλάι του σε μήκος μεγαλύτερο από 10 πόδια, η πλευρά του θα έρπονταν σιγά-σιγά στο έδαφος, σηκώνοντας το παχύτερο παιδί από το έδαφος.

Και πάλι, πώς λειτουργούν οι γερανοί; Ο μοχλός, εν μέρει, χειρίζεται τη ροπή και επιτρέπει στους γερανούς να ανυψώνουν πολύ βαριά φορτία. Όσο περισσότερο κατανέμετε τη δύναμη προσπάθειας σε μεγαλύτερες αποστάσεις, τόσο λιγότερη δύναμη «προσπάθειας» θα απαιτείται για την ανύψωση. Οι μοχλοί δεν βοηθούν μόνο τα αδύναμα παιδιά αλλά και εκατοντάδες μηχανικούς, αρχιτέκτονες και εργάτες κατασκευών που σηκώνουν γιγάντια φορτία καθημερινά!
Μείνετε συντονισμένοι για το επόμενο τμήμα της σειράς μας "Πώς λειτουργεί ο γερανός εναέριος;", όταν θα εξερευνήσουμε τον ρόλο της τροχαλίας. Στη συνέχεια θα περάσουμε στον υδραυλικό κύλινδρο και στην έννοια του μηχανικού πλεονεκτήματος.

Η Barnhart Crane and Rigging Company ανεβάζει πάντα τον πήχη στη βιομηχανία γερανών. Εάν χρειάζεστε γερανό ή θέλετε να μάθετε περισσότερα, επισκεφτείτε τις σελίδες Crane Service and Machinery Moving στον ιστότοπο Barnhart Crane.

Ο χειρισμός της ροπής από την τροχαλία

Στο τελευταίο μου άρθρο, έθεσα την ερώτηση: πώς λειτουργούν οι γερανοί εναέριας κυκλοφορίας; Για να λύσω αυτό το αίνιγμα, ερεύνησα αρχικά τον σημαντικό ρόλο του μοχλού στους κατασκευαστικούς γερανούς. Σήμερα, θα δούμε ότι ο χειρισμός της ροπής από την τροχαλία, όπως και ο μοχλός, αυξάνει την ικανότητα ενός γερανού να ανυψώνει βαριά φορτία. Στα επόμενα άρθρα, θα εξερευνήσουμε τους υδραυλικούς κυλίνδρους και την έννοια του μηχανικού πλεονεκτήματος.

Όπως και με τον μοχλό, οι μελετητές πιστώνουν στον Αρχιμήδη την παλαιότερη θεωρητική ανάπτυξη της τροχαλίας. Σύμφωνα με τον Πλούταρχο, Έλληνα ιστορικό, ο Αρχιμήδης ισχυρίστηκε ότι θα μπορούσε να κινήσει τον κόσμο αν είχε αρκετές τροχαλίες, μια δήλωση πολύ παρόμοια με την πρότασή του για τη μετακίνηση της Γης με μοχλό. Η ιστορία συνεχίζεται όταν ο βασιλιάς Hieron των Συρακουσών ζητά από τον Αρχιμήδη να μετακινήσει ένα μεγάλο πλοίο στο ναυτικό του Hieron. Την καθορισμένη ημέρα, ο Αρχιμήδης έστησε το σύστημα των τροχαλιών του, ο Βασιλιάς φόρτωσε το πλοίο γεμάτο επιβάτες και φορτία και μετά ο Αρχιμήδης κάθισε από μακριά και τράβηξε το σχοινί. Το αποτέλεσμα? Ο Πλούταρχος εξηγεί ότι το πλοίο κινήθηκε «τόσο ομαλά και ομοιόμορφα σαν να ήταν στη θάλασσα».

Για τους αρχαίους, αυτό ήταν μια απλή καινοτομία, αλλά σήμερα, αυτή είναι η βασική επιστήμη. Για να το εξηγήσουμε ωμά, οι τροχαλίες κατανέμουν το βάρος σε διαφορετικά τμήματα του σχοινιού για να κάνουν ευκολότερη την ανύψωση βαρέων αντικειμένων. Ας πούμε ότι κάποιος έχει ένα μεγάλο αντικείμενο που θέλει να σηκώσει. Απλώνει κάτω και προσπαθεί να το σηκώσει με τη δική του δύναμη, αλλά δεν μπορεί να το κάνει. Για να το κάνει πιο εύκολο, στερεώνει μια τροχαλία στο μεγάλο φορτίο. Στη συνέχεια, συνδέει ένα σχοινί στην οροφή και τραβά αυτό το σχοινί μέσα από την τροχαλία. Στη συνέχεια, σηκώνεται στο σχοινί και τελικά σηκώνει το αντικείμενο. Κάποιος μπορεί να το κάνει αυτό επειδή το σχοινί στην οροφή παρέχει τη μισή δύναμη που απαιτείται για την ανύψωση του αντικειμένου, ενώ το ένα εφαρμόζει το άλλο μισό.

Γιατί όμως συμβαίνει αυτό; Η τροχαλία κατανέμει το βάρος σε δύο τμήματα σχοινιού, την πλευρά του σχοινιού από την οροφή μέχρι την τροχαλία και την άλλη πλευρά του σχοινιού από την τροχαλία προς τον ανυψωτήρα. Αυτή η κατανομή είναι ένας χειρισμός της ροπής, καθώς ο ανυψωτήρας απλώνει τη δύναμη σε μεγαλύτερη απόσταση. Η οροφή, είτε το πιστεύετε είτε όχι, βοηθά κάποιον να σηκώσει το αντικείμενο, εν μέρει επειδή αξιοποιούμε την ανυψωτική ικανότητα της οροφής που κρατά την οροφή ψηλά, επιτρέποντας έτσι στον ανυψωτικό να κάνει μόνο τη μισή εργασία. Μπορεί κανείς να συνεχίσει να διευκολύνει την ανύψωση προσθέτοντας περισσότερες τροχαλίες και σε διαφορετικά σημεία, αλλά τα μαθηματικά γίνονται λίγο πιο περίπλοκα. Ωστόσο, ο γενικός κανόνας είναι ο εξής: όσο περισσότερες τροχαλίες, τόσο περισσότερη ισχύς.

Οι διαφορετικές διαμορφώσεις των τροχαλιών, ως αποτέλεσμα, διευκολύνουν την ανύψωση. Υπάρχουν τρεις τύποι διαμορφώσεων ή τύπων τροχαλιών. Μια σταθερή τροχαλία περιγράφει ένα σύστημα τροχαλιών όπου ο άξονας ή ο τροχός είναι σταθεροί ή ακίνητοι. Ο δεύτερος τύπος είναι μια κινητή τροχαλία, όπου ο άξονας ή ο τροχός μπορούν να κινούνται ελεύθερα. Και ο τρίτος τύπος είναι μια συνδυασμένη τροχαλία, στην οποία χρησιμοποιούνται τόσο σταθερές όσο και κινητές τροχαλίες. Οι σταθερές τροχαλίες επιτρέπουν την ευκολότερη διαμόρφωση, αλλά οι κινητές τροχαλίες πολλαπλασιάζουν την εφαρμοζόμενη δύναμη, γεγονός που διευκολύνει την εργασία. Διαφορετικές καταστάσεις απαιτούν διαφορετικούς τύπους τροχαλιών, όπως συνέβη με το μοχλό.

Πώς όμως ισχύει αυτό για τους γερανούς; Λοιπόν, σχεδόν όλοι οι γερανοί χρησιμοποιούν τροχαλίες, αλλά η πιο κοινή εφαρμογή τροχαλιών σε γερανούς συμβαίνει σε γερανούς με φλόκο. Οι γερανοί φλόκων έχουν σύρματα που τυλίγονται γύρω από τις τροχαλίες και το φορτίο. Όσο περισσότερο τυλίγετε τα καλώδια μέσα από τα δύο, τόσο μεγαλύτερη είναι η ικανότητα ανύψωσης.

Στο επόμενο τμήμα του Πώς λειτουργούν οι γερανοί; ?Θα περιγράψω τη σημασία του υδραυλικού κυλίνδρου και μετά θα ολοκληρώσω με ένα επόμενο και τελευταίο άρθρο σχετικά με το ρόλο του μηχανικού πλεονεκτήματος.

Υδραυλικός κύλινδρος και μηχανικό πλεονέκτημα

Τώρα στο τρίτο μέρος της σειράς μας σχετικά με την επιστήμη πίσω από τους κατασκευαστικούς γερανούς, στο οποίο θα εξετάσουμε τον ρόλο του υδραυλικού κυλίνδρου. Τα δύο πρώτα μέρη περιέγραψαν εν συντομία πώς οι μοχλοί και οι τροχαλίες, αντίστοιχα, συμβάλλουν στη δύναμη ανύψωσης στους γερανούς. Το επόμενο και τελευταίο άρθρο θα εξετάσει ίσως την πιο σημαντική επιστημονική αρχή για τη μεγιστοποίηση της ανυψωτικής δύναμης: το μηχανικό πλεονέκτημα.

Τι είναι λοιπόν ένας υδραυλικός κύλινδρος; Η απλή απάντηση είναι ένας σφραγισμένος κύλινδρος, ή ένα κυκλικό πρίσμα, που είναι πλήρως γεμάτο με κάποιο είδος υγρού, συνήθως ένα λάδι, με δύο ανοίγματα για δύο έμβολα. Τα έμβολα μπορούν να συνδεθούν στον κύλινδρο σε διάφορες διαμορφώσεις.

Αν υποθέσουμε ότι τα έμβολα έχουν το ίδιο μέγεθος σε έναν υδραυλικό κύλινδρο και δεν υπάρχει τριβή, όταν το ένα έμβολο πιέζεται προς τα κάτω, το άλλο θα ανέβει προς τα πάνω με ίση δύναμη, ταχύτητα και απόσταση. Έτσι, εάν το ένα συμπιέζει ένα έμβολο δύο εκατοστά προς τα κάτω, το άλλο έμβολο θα πρέπει να πιέζει προς τα πάνω δύο εκατοστά.
Το πλεονέκτημα αυτού του συστήματος σας επιτρέπει να ανακατευθύνετε εύκολα δυνάμεις. Ένα έμβολο συνδεδεμένο οριζόντια μπορεί να μετακινήσει ένα άλλο έμβολο που είναι προσαρτημένο κάθετα, ενώ άλλα μηχανήματα δεν επιτρέπουν μια τόσο εύκολη μετατόπιση κατεύθυνσης, όπως είδαμε με τις τροχαλίες και τους μοχλούς. Με μοχλούς και τροχαλίες, μια δύναμη προς τα κάτω θα έχει ως αποτέλεσμα κάποια δύναμη να κινηθεί προς τα πάνω και αντίστροφα, και μια δύναμη προς τα δεξιά θα έχει ως αποτέλεσμα μια δύναμη προς τα αριστερά και αντίστροφα. Ο υδραυλικός κύλινδρος μπορεί να επιτρέψει τη μεταφορά μιας δύναμης προς μία κατεύθυνση προς οποιαδήποτε πιθανή κατεύθυνση, πάνω, κάτω, εμπρός, πίσω, δεξιά ή αριστερά.

Από την άλλη, ο υδραυλικός κύλινδρος μπορεί να πολλαπλασιάζει δυνάμεις μεγιστοποιώντας τη ροπή, όπως είδαμε με το μοχλό και την τροχαλία. Εάν ένα έμβολο έχει επιφάνεια 6 τετραγωνικών μονάδων και ένα άλλο έμβολο έχει 2 τετράγωνες μονάδες, τότε η δύναμη που πιέζει προς τα κάτω στο μικρότερο έμβολο θα εμφανίζεται 3 φορές μεγαλύτερη στο μεγαλύτερο έμβολο. Για παράδειγμα, εάν κάποιος σπρώξει το έμβολο των 2 τετραγωνικών μονάδων προς τα κάτω με δύναμη 500 λιβρών, τότε το έμβολο των 6 τετραγωνικών μονάδων δέχεται ώθηση με δύναμη 1500 λιβρών. Ωστόσο, η απόσταση που κινείται το μεγαλύτερο έμβολο θα είναι 3 φορές μικρότερη από την απόσταση που κινήθηκε το μικρότερο έμβολο για να δημιουργήσει 1500 λίβρες δύναμης.

Επίσης, παρόμοια με το μοχλό και την τροχαλία, σχεδόν όλοι οι γερανοί χρησιμοποιούν τον υδραυλικό κύλινδρο με κάποια μορφή ή τρόπο. Ο γερανός μπορεί να χρησιμοποιήσει έναν υδραυλικό κύλινδρο για να ανυψώσει απευθείας το φορτίο, αλλά ένας υδραυλικός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξάλειψη ενός βραχίονα γερανού ή για τη μετακίνηση ενός φλόκου ή δοκού που φέρει τον μηχανισμό ανύψωσης.

Συμπερασματικά, ο υδραυλικός κύλινδρος μοιάζει πολύ με την τροχαλία και το μοχλό για τη συχνή χρήση του σε γερανούς και τον χειρισμό της ροπής του. Ωστόσο, ο υδραυλικός κύλινδρος ξεχωρίζει λόγω της ικανότητάς του να ανακατευθύνει δυνάμεις σε διαφορετικά επίπεδα. Ωστόσο, και τα τρία, ο μοχλός, η τροχαλία και ο υδραυλικός κύλινδρος, μεγιστοποιούν συλλογικά το μηχανικό πλεονέκτημα στην ανύψωση μεγάλων αντικειμένων. Στην επόμενη δόση, θα εξετάσουμε ακριβώς ποιο είναι το μηχανικό πλεονέκτημα και πώς εφαρμόζεται στους γερανούς.