في التقنية الحديثة لنقل البضائع في مواقع البناء والمؤسسات ، تُستخدم آليات الرفع على نطاق واسع ، ويمكن تسمية مكوناتها التي لا غنى عنها بآليات بسيطة. من بينها أقدم اختراعات البشرية: الكتلة والرافعة. جعل العالم اليوناني القديم أرخميدس عمل الإنسان أسهل ، مما منحه قوة عند استخدام اختراعه ، وعلمه تغيير اتجاه عمل القوة.
الكتلة عبارة عن عجلة ذات أخدود حول محيط حبل أو سلسلة ، محورها متصل بشكل صارم بجدار أو عارضة سقف.
لا تستخدم أجهزة الرفع عادةً كتلة واحدة ، بل عدة كتل. يسمى نظام الكتل والكابلات المصمم لزيادة القدرة الاستيعابية برافعة سلسلة.
الكتلة المتحركة والثابتة هي نفس الآليات القديمة البسيطة مثل الرافعة. بالفعل في عام 212 قبل الميلاد ، بمساعدة الخطافات والمقابض المتصلة بالكتل ، استولى السيراقسيون على وسائل الحصار من الرومان. وجه أرخميدس بناء الآليات العسكرية والدفاع عن المدينة.
اعتبر أرخميدس الكتلة الثابتة بمثابة رافعة بذراع متساوية.
إن لحظة القوة المؤثرة على جانب واحد من الكتلة تساوي لحظة القوة المطبقة من الجانب الآخر للكتلة. القوى التي تخلق هذه اللحظات هي نفسها.
لا يوجد مكاسب في القوة ، لكن مثل هذه الكتلة تسمح لك بتغيير اتجاه القوة ، وهو أمر ضروري في بعض الأحيان.
كتلة متحركة أخذها أرخميدس على أنها رافعة غير متكافئة ، مما أعطى قوة مضاعفة. تعمل لحظات القوى بالنسبة إلى مركز الدوران ، والذي يجب أن يكون متساويًا في التوازن.
درس أرخميدس الخصائص الميكانيكية كتلة متحركة ووضعها موضع التنفيذ. وفقًا لأثينيوس ، "تم اختراع العديد من الطرق لإطلاق السفينة العملاقة التي بناها الطاغية سيراكيوز هييرون ، لكن الميكانيكي أرخميدس ، باستخدام آليات بسيطة ، تمكن وحده من تحريك السفينة بمساعدة عدد قليل من الأشخاص. اخترع أرخميدس كتلة ومن خلالها أطلق سفينة ضخمة" ...
الكتلة لا تعطي ربحا في العمل مؤكدا قاعدة ذهبية علم الميكانيكا. من السهل التحقق من ذلك من خلال الانتباه إلى المسافات التي تغطيها اليد والجرس.
لا يمكن للسفن الشراعية الرياضية ، مثل المراكب الشراعية في الماضي ، الاستغناء عن الكتل عند ضبط وتوجيه الأشرعة. تحتاج السفن الحديثة إلى كتل لرفع الإشارات والقوارب.
هذا المزيج من الوحدات المتحركة والثابتة على خط كهربائي طريق السكك الحديدية لضبط شد الأسلاك.
يمكن لطياري الطائرات الشراعية استخدام نظام الكتل هذا لرفع مركباتهم في الهواء.
تتكون الكتلة من عجلة واحدة أو أكثر (بكرات) تنحني حولها سلسلة أو حزام أو كابل. تمامًا مثل الرافعة ، تقلل الكتلة القوة المطلوبة لرفع الحمل ، ولكن بالإضافة إلى أنها يمكن أن تغير اتجاه القوة المطبقة.
المردود في القوة هو المسافة: فكلما قل الجهد المطلوب لرفع الحمل ، زادت المسافة التي يجب أن تقطعها نقطة تطبيق هذا الجهد. يزيد نظام الكتل من اكتساب القوة باستخدام المزيد من سلاسل الحمل. تتمتع هذه الأجهزة الموفرة للطاقة بمجموعة واسعة جدًا من التطبيقات - من نقل عوارض فولاذية ضخمة إلى ارتفاع مواقع البناء إلى رفع الأعلام.
كما هو الحال مع الآخرين آليات بسيطة، مخترعي الكتلة غير معروفين. على الرغم من أن الكتل ربما كانت موجودة من قبل ، فإن أول ذكر لها في الأدب يعود إلى القرن الخامس قبل الميلاد ويرتبط باستخدام الإغريق القدماء للكتل على السفن والمسارح.
أنظمة الكتل المنزلقة المركبة على سكة تعليق (الصورة أعلاه) تستخدم على نطاق واسع في خطوط التجميع ، لأنها تسهل بشكل كبير حركة الأجزاء الثقيلة. القوة المطبقة (F) تساوي حاصل قسمة وزن الحمولة (W) على عدد السلاسل المستخدمة لدعمها (n).
كتل ثابتة واحدة
هذا النوع الأبسط من الكتل لا يقلل من القوة المطلوبة لرفع الحمل ، ولكنه يغير اتجاه القوة المطبقة ، كما هو موضح في الأشكال أعلاه وفي أعلى اليمين. كتلة ثابتة في الجزء العلوي من سارية العلم ، يسهل رفع العلم من خلال السماح بسحب الحبل الذي تم ربط العلم به إلى الأسفل.
كتل متحركة واحدة
تقطع الكتلة المفردة المتحركة نصف الجهد المطلوب لرفع الحمولة. ومع ذلك ، فإن خفض القوة المطبقة إلى النصف يعني أن نقطة تطبيقها يجب أن تسافر ضعف المسافة. في هذه الحالة ، القوة تساوي نصف الوزن (F \u003d 1 / 2W).
أنظمة البلوك
عند استخدام مزيج من كتلة ثابتة مع كتلة متحركة ، فإن القوة المطبقة هي مضاعف المجموع سلاسل حمل الأحمال. في هذه الحالة ، القوة تساوي نصف الوزن (F \u003d 1 / 2W).
شحن، المعلقة عموديًا من خلال الكتلة ، تسمح للأسلاك الكهربائية الأفقية بأن تكون مشدودة.
رفع النفقات العامة (الصورة أعلاه) يتكون من سلسلة ملتوية حول كتلة واحدة متحركة واثنين من كتل ثابتة. يتطلب رفع الحمولة تطبيق قوة لا تزيد عن نصف وزنها.
بوليسبست، يشيع استخدامها في الرافعات الكبيرة (الصورة على اليمين) ، وتتكون من مجموعة من الكتل المتحركة ، والتي يتم تعليق الحمولة من خلالها ، ومجموعة من الكتل الثابتة ، متصلة بذراع الرافعة. الاستفادة من مثل عدد كبير يمكن للرافعة رفع أحمال ثقيلة جدًا مثل العوارض الفولاذية. في هذه الحالة ، القوة (F) تساوي حاصل قسمة وزن الحمولة (W) على عدد الكابلات الداعمة (n).
في أغلب الأحيان ، يتم استخدام آليات بسيطة لاكتساب القوة. أي ، مع قوة أقل لتحريك وزن أكبر مقارنة به. في هذه الحالة ، لا يتم تحقيق مكاسب القوة "مجانًا". ثمنها هو الخسارة في المسافة ، أي أن الحركة مطلوبة أكثر من دون استخدام آلية بسيطة. ومع ذلك ، عندما تكون القوى محدودة ، فإن "مقايضة" المسافة بالقوة تكون مفيدة.
الكتل المنقولة والثابتة هي أحد أنواع الآليات البسيطة. بالإضافة إلى ذلك ، فهي رافعة معدلة ، وهي أيضًا آلية بسيطة.
كتلة ثابتة لا يعطي ربحًا في القوة ، إنه ببساطة يغير اتجاه تطبيقه. تخيل أنك بحاجة إلى رفع حمولة ثقيلة إلى أعلى بواسطة الحبل. سوف تضطر إلى سحبها. ولكن إذا كنت تستخدم كتلة ثابتة ، فسيتعين عليك سحبها لأسفل بينما يرتفع الحمل. في هذه الحالة ، سيكون الأمر أسهل بالنسبة لك ، لأن القوة المطلوبة ستتكون من قوة العضلات ووزنك. بدون استخدام كتلة ثابتة ، يجب تطبيق نفس القوة ، لكن سيتم تحقيقها حصريًا بسبب قوة العضلات.
الكتلة الثابتة عبارة عن عجلة ذات حبل مزلق. العجلة ثابتة ، يمكنها الدوران حول محورها ، لكنها لا تستطيع الحركة. نهايات الحبل (الكبل) تتدلى لأسفل ، والحمل متصل بأحدهما ، ويتم تطبيق القوة على الآخر. إذا قمت بسحب الحبل لأسفل ، يرتفع الحمل.
نظرًا لعدم وجود مكاسب في القوة ، لا توجد خسارة في المسافة. في أي مسافة سيرتفع الحمل ، يجب إنزال الحبل إلى نفس المسافة.
باستخدام كتلة المتداول يعطي ربحًا في القوة مرتين (بشكل مثالي). هذا يعني أنه إذا كان وزن الحمولة F ، ثم لرفعها ، يجب عليك تطبيق القوة F / 2. تتكون الكتلة المتحركة من نفس العجلة مع أخدود كابل. ومع ذلك ، يتم هنا تثبيت أحد طرفي الكبل ، وتكون العجلة متحركة. تتحرك العجلة مع الحمولة.
وزن الحمولة هي القوة الهابطة. يتم موازنتها بقوتين صاعدتين. يتم إنشاء أحدهما بواسطة الدعم ، الذي يتم توصيل الكبل به ، ويتم سحب الآخر بواسطة الكابل. قوة سحب الكابل هي نفسها على كلا الجانبين ، مما يعني أن وزن الحمل موزع بالتساوي بينهما. لذلك ، فإن كل قوة أقل مرتين من وزن الحمولة.
في المواقف الحقيقية ، يكون اكتساب القوة أقل من مرتين ، نظرًا لأن قوة الرفع "تنفق" جزئيًا على وزن الحبل والكتلة ، وكذلك على الاحتكاك.
الكتلة المتحركة ، التي تعطي ضعف الكسب في القوة تقريبًا ، تعطي خسارة مزدوجة في المسافة. لرفع حمولة إلى ارتفاع معين h ، من الضروري أن تنخفض الحبال على كل جانب من الكتلة بهذا الارتفاع ، أي أن المجموع هو 2h.
عادة ، يتم استخدام مجموعات من الكتل الثابتة والمتحركة - كتل البكرات. أنها تسمح لتحقيق مكاسب في القوة والاتجاه. كلما زاد عدد الكتل المتحركة في كتلة البكرة ، زاد اكتساب القوة.
في الوقت الحالي ، سنفترض أنه يمكن إهمال كتلة الكتلة والكابل ، وكذلك الاحتكاك في الكتلة. في هذه الحالة ، يمكن اعتبار قوة الشد للكابل هي نفسها في جميع أجزائه. بالإضافة إلى ذلك ، سيتم اعتبار الكبل غير قابل للتمديد ، وكتلته ضئيلة.
كتلة ثابتة
يتم استخدام كتلة ثابتة لتغيير اتجاه القوة. في التين. يوضح الشكل 24.1 ، كيفية تغيير اتجاه القوة إلى الاتجاه المعاكس بمساعدة كتلة ثابتة. ومع ذلك ، بمساعدتها ، يمكنك تغيير اتجاه القوة كما تريد.
ارسم مخططًا لاستخدام كتلة ثابتة ، يمكنك بواسطته تدوير اتجاه عمل القوة بمقدار 90 درجة.
هل تمنحك الكتلة الثابتة زيادة في القوة؟ لنلق نظرة على المثال الموضح في الشكل. 24.1 ، أ. يتم شد الحبل بواسطة القوة التي يمارسها الصياد على الطرف الحر للحبل. تظل قوة سحب الكبل ثابتة على طول الكبل ، وبالتالي ، من جانب الكبل ، تعمل نفس القوة على الحمل (السمك). لذلك ، لا توفر الكتلة الثابتة كسبًا للقوة.
عند استخدام كتلة ثابتة ، يرتفع الحمل بنفس المقدار الذي ينخفض \u200b\u200bفيه نهاية الكبل الذي يطبق عليه الصياد القوة. هذا يعني أنه باستخدام كتلة ثابتة ، فإننا لا نفوز أو نخسر على طول الطريق.
كتلة متحركة
دعونا نضع الخبرة
عند رفع حمولة باستخدام كتلة متحركة خفيفة الوزن ، سنلاحظ أنه إذا كان الاحتكاك منخفضًا ، فعند رفع الحمل ، من الضروري تطبيق قوة أقل بحوالي مرتين من وزن الحمولة (الشكل 24.3). وبالتالي ، فإن الكتلة المتحركة تعطي قوة مضاعفة.
الشكل: 24.3. عند استخدام كتلة متحركة ، نفوز بقوة مرتين ، لكننا نفقد نفس المقدار في الطريق
ومع ذلك ، من أجل كسب مضاعف في القوة ، يتعين على المرء أن يدفع بنفس الخسارة في الطريق: من أجل رفع الحمل ، على سبيل المثال ، بمقدار 1 متر ، من الضروري رفع نهاية الحبل الذي تم إلقاؤه فوق الكتلة بمقدار 2 متر.
يمكن إثبات حقيقة أن الكتلة المتحركة تعطي ربحًا مزدوجًا في القوة دون اللجوء إلى الخبرة (انظر أدناه القسم "لماذا تعطي الكتلة المتحركة ربحًا مزدوجًا في القوة؟").
مصطلح "كتلة" يعني بعض الأجهزة الميكانيكية ، وهي عبارة عن بكرة ، يتم تثبيتها على محور عمودي.يمكن أن تتحرك هذه الأسطوانة بحرية ، أو على العكس من ذلك ، يتم تثبيتها بشكل صارم. دعونا نبسط التعريف - إذا كان محور دوران الأسطوانة يتحرك في الفضاء ، فإن الكتلة تكون متحركة. تحتوي الأسطوانة على أخدود يتم فيه إدخال حبل أو كابل. الصورة أدناه توضح مظهر خارجي منع.
إذا تم تركيب الأسطوانة ، على سبيل المثال ، على السقف ، فهي وحدة ثابتة. إذا تحركت الأسطوانة مع الحمولة ، فهي كتلة متحركة. بشكل عام ، الاختلاف الوحيد هو هذا.
الهدف من استخدام وحدة متحركة هو اكتساب القوة عند رفع أو نقل الأحمال والأجسام المادية. الكتلة الثابتة لا تعطي ربحًا ، ومع ذلك ، فهي غالبًا ما تبسط حركة الجسم بشكل كبير وتستخدم في الأنظمة جنبًا إلى جنب مع الكتلة المتحركة.
تطبيق الكتل الثابتة والمتحركة
نظام الكتل موجود في كل مكان. هذه هي الرافعات والأجهزة المختلفة لنقل البضائع في المرآب وحتى أحزمة القيادة في السيارات الحديثة. غالبًا ما يتم استخدام الكتلة حتى بدون فهم واضح أن هذه هي الآلية ذاتها.
بالتأكيد في مواقع البناء صادفت عجلات متحركة مثبتة في الطوابق العليا لمنزل قيد الإنشاء. يتم إلقاء حبل أو سلسلة فوق هذه العجلة والعامل ، الذي يثبت الدلو في الطابق الأول ، يرفعه إلى الطابق العلوي ، ويحرك الحبل. هذا مثال بسيط على استخدام كتلة ثابتة. إذا أضفت عجلة أخرى إلى الجرافة ، فستحصل على نظام كتل - متحركة وثابتة.
مثال آخر نادر على استخدام كتلة ثابتة. عندما يسحب شخص سيارة من الطين بلف حبل سحب حول جذع شجرة. يتم ذلك لمزيد من الراحة ، حيث أن رافعة القطر ستلتقط بسهولة بالطرف الصغير من الكابل الملفوف حول البرميل. لا يوجد ربح من هذه الكتلة نفسها ، وبما أن الشجرة لا تدور حول محورها ، فإن قوة المقاومة تزيد من الحمل.
هناك الكثير من الأمثلة على استخدام هذه الآليات البسيطة من حولنا.
أشهر جهاز يعمل على مبدأ الكتلة هو الرافعة ذات السلسلة. يتم استخدامه بنشاط في آليات الرفع. يقلل نظام الكتل من القوة ويقل العمل الكلي بمقدار 4-8 مرات.
حل مشاكل الوحدات المتحركة والثابتة
في مشاكل الفيزياء ، غالبًا ما يكون من الضروري تحديد اكتساب القوة الإجمالية عند استخدام الكتل. الطالب مدعو مخطط معقد، حيث يتم توصيل عدة كتل من أنواع مختلفة في صف واحد.
مفتاح الحل تكمن هذه المهام في القدرة على فهم تفاعل هذه الأجهزة. يتم حساب كل كتلة بشكل منفصل ثم إضافتها إلى الصيغة الإجمالية. يتم وضع معادلة الحساب لكامل المشكلة وفقًا للمخطط الذي رسمه الطالب عند قراءة الشرط.
لفهم هذه المهام بشكل أفضل ، تذكر ذلك الكتلة هي نوع من الرافعة... تعطي القوة المكتسبة خسارة في المسافة (في حالة الكتلة المتحركة).
صيغة الحساب بسيطة للغاية.
لكتلة ثابتة F \u003d fmg ، حيث F هي القوة ، f هي معامل مقاومة الكتلة ، m هي كتلة الحمل ، g ثابت الجاذبية. بمعنى آخر ، F هي القوة التي يجب تطبيقها لرفع ، على سبيل المثال ، صندوق من الأرض باستخدام كتلة ثابتة. كما ترى ، العلاقة مباشرة ولا يوجد معامل.
للكتلة المتحركة لدينا ضعف القوة. صيغة الحساب F \u003d 0.5fmg ، أين تسميات الحروف تشبه الصيغة المذكورة أعلاه. وفقًا لذلك ، عند استخدام كتلة متحركة ، سيتم رفع مثل هذا الصندوق ذي الكتلة m مرتين بسهولة باستخدام كتلة من استخدام ظهره فقط.
لاحظ أن معامل السحب - هذا هو الخصم الذي ينشأ في الكتلة عندما يتحرك الحبل على طولها. عادةً ما يتم تحديد هذه القيم في بيان المشكلة أو تكون قيمة جدولية. في بعض الأحيان في مشاكل المدرسة ، يتم حذف هذه المعاملات تمامًا ولا تؤخذ في الاعتبار.
أيضا ، لا تنسى ذلك إذا تم تطبيق القوة بزاوية ، فيجب استخدام الطريقة القياسية لحساب مثلث القوى... إذا كانت المشكلة تقول أن الشخص يسحب حمولة بحبل 30 درجة في الأفق ، فمن المؤكد أنه يجب أخذ ذلك في الاعتبار والإشارة إليه في مخطط التصميم.