Jak działa suwnica - dźwignie, koła pasowe, siłownik hydrauliczny i zalety mechaniczne

Czy kiedykolwiek zachwycałeś się nowoczesną technologią? Chociaż wiele nowoczesnych technologii i maszyn jest w rzeczywistości bardzo skomplikowanych, to niektóre z nich są bardzo rozsądne, gdy tylko pozbędziemy się zbędnych dzwonków i gwizdków.
Taką maszyną jest na przykład żuraw budowlany. W dźwigu stosuje się na ogół tylko trzy maszyny proste. Dźwignię, koło pasowe i siłownik hydrauliczny.

Dźwignia

W tym artykule przeanalizujemy pokrótce bardzo ważny mechanizm w dźwigu budowlanym: dźwignię. W trzech kolejnych artykułach przeanalizujemy rolę koła pasowego, siłownika hydraulicznego oraz pojęcie przewagi mechanicznej w żurawiach budowlanych.

Jak więc działają suwnice? W mniejszym lub większym stopniu, większość suwnic wykorzystuje dźwignię do podnoszenia wyjątkowo dużych ładunków. Prawie wszystkie suwnice pomostowe i wiele suwnic zrównoważonych maksymalizuje udźwig za pomocą dźwigni.

Dźwigi te wykorzystują dźwignie, czyli mechaniczne ramiona, które zwiększają ich siłę. Choć mechanicznemu ramieniu towarzyszy zazwyczaj skomplikowany system lin, łańcuchów i kół pasowych, sama dźwignia jest tylko prostą maszyną.

Starożytni od dawna wykorzystywali dźwignię w praktyce do budowy wielkich świątyń, pomników i fortyfikacji. Uczeni twierdzą, że Egipcjanie najprawdopodobniej użyli dźwigni do budowy Wielkich Piramid.

Jednak większość historyków przypisuje rozwój teorii geometrycznej dźwigni Archimedesowi. Archimedes, matematyk i filozof, żył w starożytnej Grecji około trzeciego wieku p.n.e. Podobno kiedyś zażartował: "Dajcie mi miejsce do stania, a poruszę Ziemię za pomocą dźwigni".

Dźwignia jest stabilnym prętem, który opiera się na punkcie obrotowym lub punkcie podparcia. Można naciskać na jeden koniec z pewną siłą "wysiłku", aby wytworzyć siłę "pracy" na drugim końcu. Siła robocza zazwyczaj przenosi lub utrzymuje podnoszony obiekt.

Naukowcy dzielą wszystkie dźwignie na trzy różne grupy. W dźwigniach klasy pierwszej, punkt podparcia znajduje się pomiędzy siłą nacisku a siłą roboczą, jak w huśtawce lub łomie. Dźwignie klasy drugiej to dźwignie, w których siła robocza znajduje się pomiędzy punktem podparcia a siłą nacisku, jak w taczce. Natomiast w dźwigniach klasy trzeciej siła nacisku jest przyłożona pomiędzy punktem podparcia a siłą roboczą, jak w pęsecie.

Ale, ponownie, jak działa suwnica? Jak zobaczymy na przykładzie koła pasowego i cylindra hydraulicznego, dźwignia manipuluje pojęciem zwanym momentem obrotowym. Moment obrotowy mierzy odległość, na jaką działa siła, lub moment obrotowy równa się siła razy odległość.

Archimedes zdał sobie sprawę, że manipulowanie momentem obrotowym zapewnia większy udźwig. Dla przykładu, rozważmy prostą huśtawkę na placu zabaw. Huśtawka ma dziesięć stóp długości i obraca się na drążku umieszczonym bezpośrednio na środku płyty huśtawki. Po jednej stronie siedzi ważący 200 funtów dzieciak, a po przeciwnej stronie siedzi bardziej zgarbiony dzieciak ważący 100 funtów.

Grubsze dziecko z pewnością zepchnie swoją stronę huśtawki na ziemię, podczas gdy dziecko chude podniesie ją do góry. Dla mniejszego dziecka, musi ono przyłożyć dodatkowe 100 funtów siły, aby tylko zrównoważyć huśtawkę!

Ale co by się stało, gdyby posiadał magiczne zdolności, które pozwoliły mu przedłużyć swoją stronę huśtawki o kolejne 5 stóp. Jego dziesięciostopowy bok huśtawki, w połączeniu z jego ważącą 100 funtów wagą, pozwoliłby mu utrzymać równowagę na huśtawce. I teoretycznie, gdyby przedłużył swój bok na długość większą niż 10 stóp, jego bok powoli pełzałby po ziemi, podnosząc grubszego dzieciaka z ziemi.

Jednak, ponownie, jak działają suwnice? Dźwignia, częściowo manipulując momentem obrotowym, pozwala suwnicom podnosić bardzo ciężkie ładunki. Im bardziej rozłożysz siłę wysiłku na większe odległości, tym mniejsza siła "wysiłku" będzie potrzebna do wykonania podnoszenia. Dźwignie pomagają nie tylko małym dzieciom, ale także setkom inżynierów, architektów i pracowników budowlanych, którzy codziennie podnoszą gigantyczne ciężary!
Bądźcie na bieżąco z kolejnym odcinkiem naszej serii "Jak działają suwnice?", w którym poznamy rolę koła pasowego. Następnie przejdziemy do cylindra hydraulicznego i koncepcji przewagi mechanicznej.

Barnhart Crane and Rigging Company zawsze podnosi poprzeczkę w branży dźwigowej. Jeśli potrzebujesz dźwigu lub chcesz dowiedzieć się więcej, odwiedź strony Usługi Dźwigowe i Przemieszczanie Maszyn w witrynie Barnhart Crane.

Manipulowanie momentem obrotowym przez koło pasowe

W moim ostatnim artykule zadałem pytanie: jak działają suwnice? Aby rozwiązać tę zagadkę, najpierw zbadałem istotną rolę dźwigni w dźwigach budowlanych. Dzisiaj zobaczymy, że manipulacja momentem obrotowym przez koło pasowe, podobnie jak w przypadku dźwigni, zwiększa zdolność dźwigu do podnoszenia ciężkich ładunków. W kolejnych artykułach zajmiemy się siłownikami hydraulicznymi i pojęciem przewagi mechanicznej.

Podobnie jak w przypadku dźwigni, naukowcy przypisują Archimedesowi najwcześniejsze teoretyczne opracowanie koła pasowego. Według Plutarcha, greckiego historyka, Archimedes twierdził, że mógłby poruszyć świat, gdyby miał wystarczająco dużo krążków, co było bardzo podobne do jego propozycji poruszania Ziemi za pomocą dźwigni. Historia ma swój dalszy ciąg, gdy król Syrakuz Hieron prosi Archimedesa o przesunięcie dużego statku należącego do floty Hierona. W wyznaczonym dniu Archimedes ustawił swój system krążków, król załadował statek pełen pasażerów i ładunku, a następnie Archimedes usiadł z daleka i pociągnął za linę. Rezultat? Plutarch wyjaśnia, że statek poruszał się "tak gładko i równomiernie, jakby był na morzu".

Dla starożytnych była to zwykła nowość, ale dziś jest to podstawowa nauka. Aby wyjaśnić to prosto, koła pasowe rozkładają ciężar na różne segmenty liny, aby ułatwić podnoszenie ciężkich przedmiotów. Załóżmy, że ktoś ma duży obiekt, który chciałby podnieść. Sięga w dół i próbuje podnieść go z własnej siły, ale nie może tego zrobić. Aby to ułatwić, do dużego ładunku przymocowuje koło pasowe. Następnie przymocowuje linę do sufitu i przeciąga ją przez koło pasowe. Następnie podnosi się na linie, a na końcu podnosi przedmiot. Człowiek może to zrobić, ponieważ lina na suficie dostarcza połowę siły potrzebnej do podniesienia przedmiotu, podczas gdy on sam stosuje drugą połowę.

Ale dlaczego tak się dzieje? Krążek rozprowadza ciężar na dwa odcinki liny, po stronie liny od sufitu do krążka oraz po drugiej stronie liny od krążka do podnoszącego. Rozkład ten jest manipulacją momentu obrotowego, ponieważ podnoszący rozkłada siłę na większą odległość. Sufit, wierzcie lub nie, pomaga nam podnieść przedmiot, częściowo dlatego, że wykorzystujemy udźwig konstrukcji sufitu, która utrzymuje go w górze, pozwalając tym samym podnoszącemu wykonać tylko połowę pracy. Można dalej ułatwiać podnoszenie, dodając więcej kół pasowych w różnych miejscach, ale matematyka staje się nieco bardziej skomplikowana. Jednak ogólna zasada jest następująca: im więcej kół pasowych, tym większa moc.

Różne konfiguracje kół pasowych, w rezultacie, ułatwiają podnoszenie. Istnieją trzy rodzaje konfiguracji, lub typy kół pasowych. Koło pasowe stałe opisuje system kół pasowych, w którym oś lub koło jest stałe lub nieruchome. Drugi typ to koło pasowe ruchome, w którym oś lub koło może się swobodnie poruszać. A trzeci typ jest połączonym kołem pasowym, w którym używane są zarówno stałe, jak i ruchome koła pasowe. Stałe koła pasowe pozwalają na łatwiejszą konfigurację, ale ruchome koła pasowe zwielokrotniają przyłożoną siłę, co ułatwia pracę. Różne sytuacje wymagają różnych typów kół pasowych, jak to miało miejsce w przypadku dźwigni.

Ale jak to się ma do dźwigów? Cóż, prawie wszystkie dźwigi wykorzystują koła pasowe, ale najczęstsze zastosowanie kół pasowych w dźwigach występuje w żurawiach. Żurawie wysięgnikowe mają liny, które owijają się wokół kół pasowych i ładunku. Im więcej drutów zostanie owiniętych przez te dwa elementy, tym większy będzie udźwig.

W następnym odcinku Jak działają dźwigi? przedstawię znaczenie siłownika hydraulicznego, po czym zakończę kolejnym i ostatnim artykułem na temat roli przewagi mechanicznej.

Siłownik hydrauliczny i zalety mechaniczne

Przejdźmy teraz do trzeciej części naszej serii dotyczącej nauki o żurawiach budowlanych, w której rozważymy rolę siłownika hydraulicznego. W pierwszych dwóch częściach krótko opisaliśmy, w jaki sposób dźwignie i koła pasowe przyczyniają się do zwiększenia siły podnoszenia w żurawiach. W kolejnym i ostatnim artykule rozważymy prawdopodobnie najważniejszą zasadę naukową w maksymalizacji siły podnoszenia: przewagę mechaniczną.

Czym więc jest siłownik hydrauliczny? Prosta odpowiedź to zamknięty cylinder, lub okrągły pryzmat, który jest całkowicie wypełniony jakimś rodzajem cieczy, zwykle olejem, z dwoma otworami dla dwóch tłoków. Tłoki mogą być podłączone do cylindra w różnych konfiguracjach.

Jeśli założymy, że tłoki w cylindrze hydraulicznym są tej samej wielkości i nie ma tarcia, to gdy jeden tłok zostanie wciśnięty w dół, drugi podniesie się do góry z taką samą siłą, prędkością i na taką samą odległość. Tak więc, jeśli jeden z tłoków zostanie ściśnięty w dół o dwa centymetry, drugi tłok powinien podnieść się o dwa centymetry.
Zaletą tego systemu jest możliwość łatwego przekierowania sił. Tłok zamocowany poziomo może poruszyć inny tłok zamocowany pionowo, podczas gdy inne maszyny nie pozwalają na tak łatwą zmianę kierunku, jak to widzieliśmy w przypadku kół pasowych i dźwigni. W przypadku dźwigni i kół pasowych, siła skierowana w dół spowoduje ruch siły w górę i odwrotnie, a siła skierowana w prawo spowoduje ruch siły w lewo i odwrotnie. Siłownik hydrauliczny pozwala na przeniesienie siły w jednym kierunku na każdy możliwy kierunek, w górę, w dół, do przodu, do tyłu, w prawo lub w lewo.

Z drugiej strony, siłownik hydrauliczny może zwielokrotnić siły poprzez zmaksymalizowanie momentu obrotowego, tak jak to widzieliśmy w przypadku dźwigni i koła pasowego. Jeśli jeden tłok ma powierzchnię 6 jednostek kwadratowych, a inny tłok ma powierzchnię 2 jednostek kwadratowych, to siła naciskająca w dół na mniejszy tłok będzie 3 razy większa na większy tłok. Na przykład, jeśli popchniemy tłok o powierzchni 2 jednostek kwadratowych w dół z siłą 500 funtów, to tłok o powierzchni 6 jednostek kwadratowych otrzyma pchnięcie z siłą 1500 funtów. Jednak odległość, na jaką przesuwa się większy tłok, będzie 3 razy mniejsza niż odległość, na jaką przesuwa się mniejszy tłok, aby wytworzyć siłę 1500 funtów.

Podobnie jak dźwignia i koło pasowe, prawie wszystkie dźwigi wykorzystują siłownik hydrauliczny w jakiejś formie lub modzie. Dźwig może używać siłownika hydraulicznego do bezpośredniego podnoszenia ładunku, ale hydrauliczny może być używany do rozszerzania ramienia dźwigu lub poruszania wysięgnika lub belki, która przenosi mechanizm podnoszenia.

Podsumowując, siłownik hydrauliczny jest podobny do koła pasowego i dźwigni ze względu na jego częste zastosowanie w dźwigach i manipulowanie momentem obrotowym. Siłownik hydrauliczny wyróżnia się jednak zdolnością do przekierowywania sił na różne płaszczyzny. Jednak wszystkie trzy elementy, dźwignia, koło pasowe i siłownik hydrauliczny, wspólnie maksymalizują przewagę mechaniczną przy podnoszeniu dużych przedmiotów. W następnej części przeanalizujemy, czym dokładnie jest przewaga mechaniczna i jak jest ona wykorzystywana w dźwigach.