Cần cẩu trên cao hoạt động như thế nào - Cần trục, ròng rọc, xi lanh thủy lực và lợi thế cơ khí

Bạn đã bao giờ ngạc nhiên trước công nghệ hiện đại? Mặc dù trên thực tế, rất nhiều công nghệ và máy móc hiện đại rất phức tạp, nhưng một số thực sự rất hợp lý, một khi bạn đã loại bỏ được tiếng chuông và tiếng còi.
Ví dụ, cần trục xây dựng là một cỗ máy như vậy. Cần trục thường chỉ sử dụng ba máy đơn giản. Cần gạt, ròng rọc và xi lanh thủy lực.

Đòn bẩy

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu sơ lược về một cơ cấu rất quan trọng trong cầu trục xây dựng: cần gạt. Tuy nhiên, ba bài báo tiếp theo sẽ nghiên cứu vai trò của ròng rọc, xi lanh thủy lực và khái niệm về lợi thế cơ học trong cần trục xây dựng.

Vậy, cầu trục hoạt động như thế nào? Ở mức độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn, hầu hết các cần trục sử dụng đòn bẩy để nâng các tải trọng đặc biệt lớn. Hầu hết tất cả các cần trục lắp và nhiều cần trục cân bằng đều tối đa hóa khả năng nâng với đòn bẩy.

Những cần trục này sử dụng đòn bẩy, hoặc cánh tay cơ khí, để tăng sức mạnh của nó. Mặc dù một hệ thống phức tạp gồm dây thừng, dây xích và ròng rọc thường đi kèm với cánh tay cơ khí, bản thân chiếc đòn bẩy chỉ là một cỗ máy đơn giản.

Người xưa từ lâu đã sử dụng đòn bẩy trong thực tế để xây dựng các ngôi đền lớn, tượng đài và công sự. Trên thực tế, các học giả cho rằng người Ai Cập rất có thể đã sử dụng đòn bẩy để xây dựng các Kim tự tháp lớn.

Tuy nhiên, hầu hết các nhà sử học cho rằng sự phát triển của lý thuyết hình học đằng sau đòn bẩy đối với Archimedes. Archimedes, một nhà Toán học và Triết học, sống ở Hy Lạp cổ đại vào khoảng thế kỷ thứ ba trước Công nguyên, ông đã từng châm biếm, "Hãy cho tôi một chỗ để đứng, và tôi sẽ di chuyển Trái đất bằng một đòn bẩy."

Bản thân đòn bẩy là một thanh ổn định nằm trên một điểm trục hay còn gọi là điểm tựa. Bạn có thể ấn xuống một đầu với một số lực "nỗ lực" để tạo ra một số lực "làm việc" ở đầu kia. Lực làm việc thường mang hoặc giữ vật được nâng lên.

Nhà khoa học phân loại tất cả các đòn bẩy thành ba nhóm khác nhau. Trong đòn bẩy loại một, điểm tựa nằm giữa lực và lực làm việc, như trong bập bênh hoặc xà beng. Loại hai đòn bẩy là loại đòn bẩy trong đó lực tác dụng nằm giữa điểm tựa và lực tác dụng, giống như xe cút kít. Và trong loại ba đòn bẩy, lực tác dụng được tác dụng giữa điểm tựa và lực tác dụng, như trong nhíp.

Nhưng, một lần nữa, cầu trục hoạt động như thế nào? Như chúng ta sẽ thấy với ròng rọc và xi lanh thủy lực, đòn bẩy thao tác một khái niệm được gọi là mô-men xoắn. Mô-men xoắn đo khoảng cách mà lực tác dụng hoặc mô-men xoắn tương đương với khoảng cách lực nhân với khoảng cách.

Như Archimedes đã nhận ra, việc điều khiển mô-men xoắn cung cấp khả năng nâng lớn hơn. Ví dụ, hãy xem xét một chiếc bập bênh đơn giản trên sân chơi. Chiếc bập bênh dài 10 feet và nó xoay trên một thanh ngay chính giữa bảng bập bênh. Một bên là đứa trẻ 200 pound, và bên đối diện là đứa trẻ 100 pound nguệch ngoạc.

Đứa trẻ béo hơn chắc chắn sẽ đẩy thành bập bênh của mình xuống đất, trong khi đứa trẻ gầy còm sẽ nâng lên. Đối với đứa trẻ nhỏ hơn, phải tác dụng thêm 100 pound lực để giữ thăng bằng cho chiếc bập bênh!

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu anh ta có khả năng ma thuật cho phép anh ta kéo dài cạnh bập bênh thêm 5 feet. Mặt bập bênh dài 10 foot của anh ấy, phù hợp với trọng lượng 100 pound của anh ấy, sẽ cho phép anh ấy giữ thăng bằng chiếc bập bênh. Và, về mặt lý thuyết, nếu anh ta mở rộng cạnh của mình ra một chiều dài lớn hơn 10 feet, thì cạnh của anh ta sẽ từ từ chui xuống đất, nâng đứa trẻ béo hơn lên khỏi mặt đất.

Tuy nhiên, một lần nữa, cầu trục hoạt động như thế nào? Cần gạt, một phần, điều khiển mô-men xoắn cho phép cần trục nâng những vật rất nặng. Bạn càng lan tỏa lực nỗ lực trên những khoảng cách lớn hơn, thì lực "nỗ lực" sẽ càng ít được yêu cầu để thực hiện lực nâng. Những chiếc đòn bẩy không chỉ giúp những đứa trẻ gầy gò mà còn giúp hàng trăm kỹ sư, kiến trúc sư và công nhân xây dựng nâng những tải trọng khổng lồ mỗi ngày!
Hãy theo dõi phần tiếp theo trong loạt bài "Cần trục hoạt động như thế nào?", Khi chúng ta sẽ khám phá vai trò của ròng rọc. Sau đó, chúng ta sẽ chuyển sang xi lanh thủy lực và khái niệm về lợi thế cơ học.

Barnhart Crane and Rigging Company luôn nâng tầm trong ngành công nghiệp cẩu. Nếu bạn cần cẩu hoặc muốn tìm hiểu thêm, vui lòng truy cập trang Dịch vụ cẩu và Di chuyển máy móc trên trang web Barnhart Crane.

Các thao tác của ròng rọc của mô-men xoắn

Trong bài viết cuối cùng của tôi, tôi đã đặt câu hỏi: cầu trục hoạt động như thế nào? Để giải đáp bí ẩn này, trước tiên tôi đã tìm hiểu vai trò quan trọng của đòn bẩy trong cần trục xây dựng. Hôm nay, chúng ta sẽ thấy rằng việc điều khiển mô-men xoắn của ròng rọc, giống như đòn bẩy, làm tăng khả năng nâng tải nặng của cần trục. Trong các bài sau, chúng ta sẽ tìm hiểu xi lanh thủy lực và khái niệm về ưu thế cơ học.

Cũng như đòn bẩy, các học giả công nhận Archimedes là người có công phát triển lý thuyết sớm nhất về ròng rọc. Theo Plutarch, một nhà sử học người Hy Lạp, Archimedes tuyên bố rằng ông có thể di chuyển thế giới nếu có đủ ròng rọc, một tuyên bố rất giống với đề xuất của ông về việc di chuyển Trái đất bằng đòn bẩy. Câu chuyện tiếp tục khi vua Hieron của Syracuse yêu cầu Archimedes di chuyển một con tàu lớn trong hải quân của Hieron. Vào ngày đã định, Archimedes thiết lập hệ thống ròng rọc của mình, nhà vua chất đầy hành khách và hàng hóa lên tàu, rồi Archimedes ngồi từ xa kéo dây. Kết quả? Plutarch giải thích việc vận chuyển được di chuyển "trơn tru và đều đặn như thể cô ấy đang ở trên biển."

Đối với người xưa, đây chỉ là một điều mới lạ, nhưng ngày nay, đây là khoa học cơ bản. Để giải thích một cách thô thiển, các ròng rọc phân bổ trọng lượng qua các đoạn dây khác nhau để giúp nâng vật nặng dễ dàng hơn. Giả sử một người có một vật lớn mà anh ta muốn nâng. Anh ta cúi xuống và cố gắng nâng nó lên bằng sức của mình, nhưng anh ta không thể làm được. Để làm cho điều này dễ dàng hơn, anh ta gắn một ròng rọc vào tải trọng lớn. Sau đó anh ta mắc một sợi dây vào trần nhà và kéo sợi dây đó qua ròng rọc. Tiếp theo, anh ta nhấc sợi dây lên, và cuối cùng là nâng vật này lên. Người ta có thể làm điều này vì sợi dây trên trần nhà cung cấp một nửa lực cần thiết để nâng vật trong khi người ta tác dụng nửa còn lại.

Nhưng tại sao điều này lại xảy ra? Ròng rọc phân bố trọng lượng trên hai đoạn dây, một bên của sợi dây từ trần nhà đến ròng rọc và một bên của sợi dây từ ròng rọc đến người nâng. Sự phân phối này là một thao tác của mô-men xoắn, khi bộ nâng truyền lực trên một khoảng cách xa hơn. Dù tin hay không, trần nhà giúp người ta nâng vật, một phần là do chúng ta tận dụng sức nâng của cấu trúc trần giữ trần lên, do đó cho phép người nâng chỉ làm một nửa công việc. Người ta có thể tiếp tục làm cho việc nâng dễ dàng hơn bằng cách thêm nhiều ròng rọc và đến những vị trí khác nhau, nhưng phép toán trở nên phức tạp hơn một chút. Tuy nhiên, nguyên tắc chung là như sau: càng nhiều ròng rọc, càng nhiều sức mạnh.

Do đó, các cấu hình khác nhau của ròng rọc giúp cho việc nâng hạ trở nên dễ dàng hơn. Ba loại cấu hình hoặc loại ròng rọc tồn tại. Một ròng rọc cố định mô tả một hệ thống ròng rọc mà trục hoặc bánh xe được cố định hoặc bất động. Loại thứ hai là một ròng rọc chuyển động, trong đó trục hoặc bánh xe có thể di chuyển tự do. Và loại thứ ba là ròng rọc kết hợp, trong đó sử dụng cả ròng rọc cố định và ròng rọc di chuyển. Các ròng rọc cố định cho phép cấu hình dễ dàng hơn, nhưng các ròng rọc di chuyển được nhân lên lực tác dụng, giúp công việc dễ dàng hơn. Các tình huống khác nhau yêu cầu các loại ròng rọc khác nhau, cũng như trường hợp với đòn bẩy.

Nhưng điều này áp dụng cho cần trục như thế nào? Hầu hết tất cả các cần trục đều sử dụng ròng rọc, nhưng ứng dụng phổ biến nhất của ròng rọc trong cầu trục xảy ra ở cần trục cần trục. Cần trục cần có dây quấn quanh puli và tải trọng. Bạn càng quấn nhiều dây qua hai thì sức nâng càng cao.

Trong phân đoạn tiếp theo của Cần trục hoạt động như thế nào? ? Tôi sẽ trình bày về tầm quan trọng của xi lanh thủy lực, sau đó, tôi sẽ kết thúc bằng một bài viết tiếp theo và cuối cùng về vai trò của ưu thế cơ học.

Xylanh thủy lực và lợi thế cơ học

Bây giờ đến phần ba trong loạt bài của chúng tôi về khoa học đằng sau cần trục xây dựng, trong đó chúng tôi sẽ xem xét vai trò của xi lanh thủy lực. Hai phần đầu tiên mô tả ngắn gọn cách các đòn bẩy và ròng rọc đóng góp vào lực nâng trong cần trục. Bài báo tiếp theo và cuối cùng sẽ xem xét có lẽ nguyên tắc khoa học quan trọng nhất trong việc tối đa hóa lực nâng: ưu thế cơ học.

Vậy xi lanh thủy lực là gì? Câu trả lời đơn giản là một hình trụ kín, hay một lăng trụ tròn, chứa đầy một loại chất lỏng nào đó, thường là dầu, có hai lỗ mở cho hai piston. Các piston có thể được kết nối với xi lanh theo nhiều cấu hình khác nhau.

Nếu chúng ta giả sử rằng các piston có cùng kích thước trong một xi lanh thủy lực và không tồn tại ma sát, khi một piston được ấn xuống, piston kia sẽ nâng lên với một lực, tốc độ và khoảng cách bằng nhau. Vì vậy, nếu người ta nén một pít-tông xuống hai cm, thì pít-tông kia sẽ nén lên trên hai cm.
Ưu điểm của hệ thống này cho phép bạn dễ dàng chuyển hướng lực lượng. Một piston được gắn theo chiều ngang có thể di chuyển một piston khác được gắn theo chiều dọc, trong khi các máy khác không cho phép chuyển hướng dễ dàng như vậy, như chúng ta đã thấy với puli và đòn bẩy. Với đòn bẩy và ròng rọc, một lực tác động xuống sẽ dẫn đến một lực nào đó di chuyển lên trên, và ngược lại, một lực sang phải sẽ dẫn đến một lực sang trái và ngược lại. Xi lanh thủy lực có thể cho phép truyền một lực theo một hướng sang bất kỳ hướng nào có thể, lên, xuống, tiến, lùi, sang phải hoặc sang trái.

Mặt khác, xi lanh thủy lực có thể nhân lực bằng cách tối đa hóa mô-men xoắn, như chúng ta đã thấy với đòn bẩy và ròng rọc. Nếu một piston có diện tích 6 đơn vị hình vuông và một piston khác có diện tích 2 đơn vị hình vuông, thì lực đẩy xuống piston nhỏ hơn sẽ xuất hiện lớn hơn 3 lần trên piston lớn hơn. Ví dụ, nếu người ta đẩy pittông 2 đơn vị vuông xuống với một lực 500 pound, thì pittông 6 đơn vị vuông nhận được một lực đẩy 1500 pound. Tuy nhiên, khoảng cách mà piston lớn hơn di chuyển sẽ nhỏ hơn 3 lần so với khoảng cách mà piston nhỏ hơn di chuyển để tạo ra lực 1500 pound.

Cũng tương tự như đòn bẩy và ròng rọc, hầu hết tất cả các cần trục đều sử dụng xi lanh thủy lực ở một số hình thức hoặc kiểu dáng. Cần trục có thể sử dụng xi lanh thủy lực để trực tiếp nâng tải, nhưng có thể sử dụng thủy lực để nâng hạ cánh tay cần trục hoặc di chuyển cần trục hoặc dầm mang cơ cấu nâng.

Kết luận, xi lanh thủy lực giống như ròng rọc và đòn bẩy vì nó được sử dụng thường xuyên trong các cần trục và thao tác mô-men xoắn của nó. Tuy nhiên, xi lanh thủy lực tự tách biệt vì khả năng chuyển hướng lực đến các mặt phẳng khác nhau. Tuy nhiên, cả ba, đòn bẩy, ròng rọc và xi lanh thủy lực, tựu chung lại tối đa hóa lợi thế cơ học trong việc nâng các vật có trọng lượng lớn. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét chính xác lợi thế cơ học là gì và nó được áp dụng như thế nào cho cần trục.