桥式起重机如何工作--杠杆、滑轮、液压缸和机械优势

你是否曾对现代技术感到惊叹？虽然很多现代技术和机械事实上非常复杂，但一旦你剔除了那些铃声和口哨，有些实际上是非常明智的。
例如，建筑起重机就是这样一种机器。起重机一般只使用三种简单的机器。杠杆、滑轮和液压缸。

杠杆

在这篇文章中，我们将简要地研究建筑起重机中一个非常重要的机构：杠杆。而随后的三篇文章，将分别研究滑轮、液压缸和机械优势的概念在建筑起重机中的作用。

那么，桥式起重机是如何工作的？在或多或少的程度上，大多数起重机利用杠杆来提升特别大的负载。几乎所有安装式起重机和许多平衡式起重机都利用杠杆最大限度地提高起重能力。

这些起重机使用杠杆，或机械臂，以增加其强度。尽管机械臂通常伴随着一个复杂的绳索、链条和滑轮系统，但杠杆本身只是一个简单的机器。

古人在实践中长期使用杠杆来建造大型寺庙、纪念碑和防御工事。事实上，学者们认为，埃及人很可能使用杠杆来建造大金字塔。

然而，大多数历史学家将杠杆背后的几何理论的发展归功于阿基米德。阿基米德是一位数学家和哲学家，大约在公元前三世纪生活在古希腊。据说，他曾打趣说："给我一个站立的地方，我就能用杠杆移动地球。"

杠杆本身是一个稳定的杆，放在一个支点上，或支点。你可以用一些 "努力 "的力量压住一端，在另一端产生一些 "工作 "的力量。这个作用力通常能承载或保持被举起的物体。

科学家将所有杠杆分为三个不同的类别。在第一类杠杆中，支点位于努力力和工作力之间，如跷跷板或撬棍。第二类杠杆是工作力位于支点和努力力之间的杠杆，如手推车。而在第三类杠杆中，作用力被施加在支点和工作力之间，如镊子。

但是，同样，桥式起重机是如何工作的？正如我们将看到的滑轮和液压缸，杠杆操纵着一个称为扭矩的概念。扭矩测量的是施加力的距离，或者说扭矩等于力乘以距离。

正如阿基米德所意识到的，操纵扭矩可以提供更大的提升能力。例如，考虑操场上的一个简单的跷跷板。跷跷板有10英尺长，它在跷跷板中心的一个杆上转动。一边坐着一个200磅的孩子，另一边坐着一个更瘦小的100磅的孩子。

胖一点的孩子肯定会把他那一边的跷跷板推到地上，而瘦一点的孩子则会抬起来。对于较小的孩子来说，他们必须施加额外的100磅的力量来平衡跷跷板。

但是，如果他有神奇的能力，可以让他把自己的跷跷板的一边再延长5英尺呢。他的10英尺长的跷跷板，加上他100磅的体重，将使他能够平衡跷跷板。而且，从理论上讲，如果他把自己的一侧延长到超过10英尺的长度，他的一侧就会慢慢地爬上地面，把那个较胖的孩子抬离地面。

然而，同样，桥式起重机是如何工作的？杠杆，在一定程度上，操纵扭矩允许起重机提升非常重的负载。你越是把努力的力量分散到更大的距离上，就越是需要较少的 "努力 "力量来进行提升。杠杆不仅能帮助瘦弱的儿童，还能帮助数以百计的工程师、建筑师和建筑工人，他们每天都在举起巨大的负荷！这就是杠杆。
请继续关注我们 "桥式起重机如何工作？"系列的下一个部分，届时我们将探讨滑轮的作用。然后我们将继续讨论液压缸和机械优势的概念。

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滑轮对扭矩的操纵

在我的上一篇文章中，我提出了一个问题：桥式起重机是如何工作的？为了解决这个谜团，我首先调查了杠杆在建筑起重机中的重要作用。今天，我们将看到，滑轮对扭矩的操纵，就像杠杆一样，提高了起重机提升重物的能力。在接下来的文章中，我们将探讨液压油缸和机械优势的概念。

与杠杆一样，学者们认为阿基米德是滑轮最早的理论发展者。根据希腊历史学家普鲁塔克的说法，阿基米德声称，如果他有足够的滑轮，他就可以移动世界，这种说法与他关于用杠杆移动地球的建议非常相似。故事还在继续，锡拉库扎国王Hieron要求阿基米德移动Hieron海军中的一艘大船。在指定的日子里，阿基米德安装了他的滑轮系统，国王把船装满了乘客和货物，然后阿基米德坐在远处拉动绳子。结果是什么？普鲁塔克解释说，这艘船的移动 "就像在海里一样平稳和均匀"。

对古人来说，这只是一种新奇的东西，但在今天，这已经是基础科学了。粗略地解释一下，滑轮通过不同的绳段来分配重量，使提升重物更加容易。比方说，一个人有一个他想举起的大物体。他把手伸下去，试图用自己的力量举起它，但他做不到。为了使之更容易，他将一个滑轮连接到大负荷上。然后，他把一根绳子拴在天花板上，把绳子拉过滑轮。接下来，他把绳子往上提，最后把物体举起来。一个人可以做到这一点，因为天花板上的绳子提供了提升物体所需的一半力量，而一个人则施加了另一半力量。

但为什么会出现这种情况呢？滑轮将重量分布在两个绳段上，即从天花板到滑轮的绳段和从滑轮到升降机的另一侧绳段。这种分配是对扭矩的一种操纵，因为提升者将力量分散在更长的距离上。天花板，不管你信不信，都能帮助人们提升物体，部分原因是我们利用了天花板结构的提升能力，把天花板撑起来，从而使提升者只做一半的工作。人们可以继续通过增加滑轮和在不同的地方增加滑轮来使提升变得更容易，但数学变得有点复杂。然而，一般规则如下：滑轮越多，力量就越大。

因此，不同配置的滑轮使起重工作更加容易。有三种类型的滑轮配置，或类型。固定滑轮描述的是轴或轮固定的滑轮系统，或者说是不可移动的。第二种类型是可动滑轮，轴或轮子可以自由移动。第三种类型是组合滑轮，其中同时使用定滑轮和动滑轮。定滑轮允许更容易的配置，但动滑轮使施加的力成倍增加，这使工作更容易。不同的情况需要不同类型的滑轮，正如杠杆的情况一样。

但这如何适用于起重机？几乎所有的起重机都使用滑轮，但滑轮在起重机中最常见的应用是旋臂起重机。悬臂吊有缠绕在滑轮和负载上的导线。绕过两者的钢丝越多，起重能力就越高。

在《起重机如何工作？我将概述液压缸的重要性，之后，我将在随后的最后一篇文章中介绍机械优势的作用。

液压缸和机械优势

现在是我们关于建筑起重机背后的科学系列的第三部分，其中我们将考虑液压缸的作用。前两部分简要介绍了杠杆和滑轮如何分别对起重机的提升力作出贡献。随后也是最后一篇文章将考虑在最大化提升力方面最重要的科学原则：机械优势。

那么什么是液压缸？简单的答案是一个密封的油缸，或者说是一个圆形的棱柱，里面完全充满了某种类型的液体，通常是一种油，有两个开口供两个活塞使用。活塞可以以各种配置连接到油缸上。

如果我们假设液压缸中的活塞大小相同，并且不存在摩擦，那么当一个活塞被向下按压时，另一个活塞将以相同的力量、速度和距离向上升起。因此，如果一个人将一个活塞向下压缩两厘米，另一个活塞应该向上压缩两厘米。
这个系统的优点是允许你轻松地重新定向力。一个水平连接的活塞可以移动另一个垂直连接的活塞，而其他机器不允许如此容易地转换方向，正如我们在滑轮和杠杆上看到的那样。对于杠杆和滑轮，一个向下的力会导致一些向上的力，反之亦然，一个向右的力会导致一个向左的力，反之亦然。液压缸可以让一个方向的力转移到任何可能的方向，向上、向下、向前、向后、向右或向左。

另一方面，正如我们在杠杆和滑轮上看到的那样，液压缸可以通过最大限度地提高扭矩来增加力量。如果一个活塞的面积是6个平方单位，而另一个活塞的面积是2个平方单位，那么推下小活塞的力在大活塞上会显得大3倍。例如，如果用500磅的力推下2平方单位的活塞，那么6平方单位的活塞就会受到1500磅的推力。然而，大活塞移动的距离将比小活塞移动的距离少3倍，以产生1500磅的力。

同样与杠杆和滑轮类似，几乎所有的起重机都以某种形式利用液压缸。起重机可能使用液压缸直接提升载荷，但液压可能被用于减轻起重机臂的重量或移动承载提升机构的臂架或梁。

总之，液压缸很像滑轮和杠杆，因为它在起重机中经常使用，而且可以操纵扭矩。然而，液压缸因其能够将力重新定向到不同的平面而显得与众不同。然而，杠杆、滑轮和液压缸这三者结合在一起，使提升大型物体的机械优势最大化。在下一篇文章中，我们将研究究竟什么是机械优势，以及它是如何应用于起重机的。