I modern teknik För att bära laster på byggarbetsplatser och företag används lyftmekanismer i stor utsträckning, vars oumbärliga komponenter kan kallas enkla mekanismer. Bland dem finns mänsklighetens äldsta uppfinningar: blocket och spaken. Den antika grekiske vetenskapsmannen Arkimedes gjorde människans arbete lättare genom att ge henne en styrka när han använde sin uppfinning, och lärde henne att ändra kraftens riktning.
Ett block är ett hjul med ett spår runt sin omkrets för ett rep eller kedja, vars axel är styvt fäst vid en vägg- eller takbalk.
Lyftanordningar använder vanligtvis inte ett, utan flera block. Ett system av block och kablar utformat för att öka lastkapaciteten kallas en kättingtelfer.
Det rörliga och fasta blocket är samma gamla enkla mekanismer som spaken. Redan 212 f.Kr., med hjälp av krokar och gripar kopplade till block, erövrade syrakusanerna belägringsutrustning från romarna. Byggandet av militärfordon och försvaret av staden leddes av Arkimedes.
Arkimedes betraktade ett fast block som en hävstång med lika armar.
Kraftmomentet som verkar på ena sidan av blocket är lika med kraftmomentet som appliceras på blockets andra sida. Krafterna som skapar dessa ögonblick är också desamma.
Det finns ingen vinst i styrka, men ett sådant block låter dig ändra kraftens riktning, vilket ibland är nödvändigt.
Flyttbart block Arkimedes tog för en ojämnt beväpnad spak, vilket ger en 2-faldig vinst i kraft. I förhållande till rotationscentrum verkar kraftmoment som i jämvikt måste vara lika.
Arkimedes studerade mekaniska egenskaper flytta blocket och tillämpade det i praktiken. Enligt Athenaeus, "uppfanns många metoder för att sjösätta det gigantiska skeppet som byggdes av den syrakusanske tyrannen Hieron, men mekanikern Arkimedes lyckades ensam flytta skeppet med hjälp av några få människor och med hjälp av det sjösatte ett enormt fartyg.”
Blocket ger ingen vinst i arbete, bekräftar gyllene regeln mekanik. Detta är lätt att verifiera genom att vara uppmärksam på handens avstånd och vikten.
Sportsegelfartyg, som segelbåtar från det förflutna, kan inte klara sig utan block när de sätter och kontrollerar segel. Moderna fartyg behöver block för att lyfta signaler och båtar.
Denna kombination av rörliga och fasta enheter på en elektrifierad linje järnväg för att justera trådspänningen.
Detta system av block kan användas av segelflygare för att lyfta upp sina enheter i luften.
Blocket består av ett eller flera hjul (rullar) omgivna av en kedja, bälte eller kabel. Precis som en spak minskar en remskiva kraften som krävs för att lyfta en last, men den kan också ändra riktningen på kraften som appliceras.
Ökningen i styrka kommer på bekostnad av avståndet: ju mindre ansträngning som krävs för att lyfta en last, desto längre sträcka måste applikationspunkten för denna ansträngning färdas. Remskivans system ökar styrkan genom att använda fler lastbärande kedjor. Sådana energibesparande enheter har ett mycket brett användningsområde - från att flytta massiva stålbalkar till höjder till byggarbetsplatser innan flaggorna hissas.
Som med andra enkla mekanismer, uppfinnarna av blocket är okända. Även om block kan ha funnits tidigare, går det första omnämnandet av dem i litteraturen tillbaka till det femte århundradet f.Kr. och relaterar till de gamla grekernas användning av block på fartyg och i teatrar.
Rörliga blocksystem monterade på en upphängd skena (bilden ovan) används ofta på löpande band eftersom de i hög grad underlättar förflyttning av tunga delar. Den applicerade kraften (F) är lika med vikten av lasten (W) dividerat med antalet kedjor som används för att stödja den (n).
Enstaka fasta block
Detta enklaste typen blocket minskar inte kraften som krävs för att lyfta lasten, men det ändrar riktningen på den applicerade kraften, som visas i figurerna ovan och uppe till höger. Fast block på toppen av flaggstången gör det lättare att lyfta flaggan genom att låta snöret som flaggan är fäst i dras ner.
Enstaka rörliga block
Den enkla remskivan, som kan flyttas, minskar kraften som krävs för att lyfta lasten med hälften. En halvering av den applicerade kraften innebär dock att appliceringspunkten måste förflyttas dubbelt så långt. I detta fall är kraften lika med halva vikten (F=1/2W).
Blocksystem
När man använder en kombination av ett fast block och ett rörligt, är den applicerade kraften en multipel av totalt antal lastbärande kedjor. I detta fall är kraften lika med halva vikten (F=1/2W).
Frakt, upphängd vertikalt genom blocket, gör att horisontella elektriska ledningar kan dras spända.
Upphängd hiss(bilden ovan) består av en kedja virad runt ett rörligt och två fasta block. Att lyfta en last kräver en kraft som bara är hälften av dess vikt.
Remskiva hiss, som vanligtvis används i stora kranar (bilden till höger), består av en uppsättning rörliga block från vilka lasten är upphängd, och en uppsättning stationära block fästa på kranens bom. Att få en styrka av sådant stor mängd block kan kranen lyfta mycket tunga laster, såsom stålbalkar. I detta fall är kraften (F) lika med kvoten av lastens vikt (W) dividerat med antalet stödkablar (n).
Oftast används enkla mekanismer för att få makt. Det vill säga att använda mindre kraft för att flytta en större vikt i jämförelse med den. Samtidigt uppnås inte styrka "gratis". Priset att betala för det är en förlust i avstånd, det vill säga du måste göra en större rörelse än utan att använda en enkel mekanism. Men när krafterna är begränsade är "utbytet" av avstånd mot styrka fördelaktigt.
Rörliga och fasta block är två typer av enkla mekanismer. Dessutom är de en modifierad spak, vilket också är en enkel mekanism.
Fast block ger ingen styrka, det ändrar helt enkelt riktningen för dess tillämpning. Föreställ dig att du behöver lyfta en tung last uppåt med hjälp av ett rep. Du måste dra upp den. Men om du använder ett stationärt block, måste du dra ner medan lasten stiger upp. I det här fallet blir det lättare för dig, eftersom den nödvändiga styrkan kommer att bestå av muskelstyrka och din vikt. Utan användning av ett stationärt block skulle samma kraft behöva appliceras, men det skulle uppnås enbart genom muskelstyrka.
Det fasta blocket är ett hjul med ett spår för ett rep. Hjulet är fixerat, det kan rotera runt sin axel, men kan inte röra sig. Ändarna av repet (kabeln) hänger ner, en last är fäst vid den ena och en kraft appliceras på den andra. Om du drar ner kabeln stiger lasten upp.
Eftersom det inte finns någon vinst i styrka, finns det ingen förlust i avstånd. Sträckan lasten stiger måste repet sänkas samma sträcka.
Användande flyttblock ger ökningen i styrka två gånger (helst). Detta betyder att om lastens vikt är F, måste en kraft på F/2 appliceras för att lyfta den. Flyttblocket består av samma hjul med ett spår för kabeln. Däremot är ena änden av kabeln fixerad här, och hjulet är rörligt. Hjulet rör sig med lasten.
Lastens vikt är en nedåtriktad kraft. Den balanseras av två uppåtriktade krafter. Den ena skapas av ett stöd till vilket en kabel är fäst, och den andra av en kabeldragning. Kabelns dragkraft är densamma på båda sidor, vilket gör att lastens vikt är jämnt fördelad mellan dem. Därför är varje kraft 2 gånger mindre än lastens vikt.
I verkliga situationer är ökningen i styrka mindre än 2 gånger, eftersom lyftkraften delvis "slösas bort" på vikten av repet och blocket, såväl som friktionen.
Ett rörligt block ger, samtidigt som det ger nästan dubbel styrka, en dubbel förlust i avstånd. För att höja lasten till en viss höjd h måste repen på varje sida av blocket minska med denna höjd, det vill säga totalen är 2h.
Vanligtvis används kombinationer av fasta och rörliga block - remskivor. De låter dig få styrka och riktning. Ju fler rörliga block det finns i kättingtelfern, desto större blir styrkan.
För närvarande kommer vi att anta att massan av blocket och kabeln, såväl som friktionen i blocket, kan försummas. I det här fallet kan vi betrakta kabelns dragkraft som densamma i alla dess delar. Dessutom kommer vi att betrakta kabeln som outtöjbar och dess massa som försumbar.
Fast block
Ett stationärt block används för att ändra riktningen på en kraft. I fig. 24.1, och visar hur man använder ett stationärt block för att ändra kraftens riktning till motsatt. Men med dess hjälp kan du ändra riktningen på kraften som du vill.
Rita ett diagram över användningen av ett stationärt block som kan användas för att rotera riktningen för en kraft med 90°.
Ger ett stationärt block en styrka? Låt oss titta på detta med exemplet som visas i fig. 24.1, a. Kabeln spänns av kraften som anbringas av fiskaren på den fria änden av kabeln. Kabelns dragkraft förblir konstant längs kabeln, därför verkar en kraft av samma storlek på lasten (fisken) från sidan av kabeln. Därför ger ett stationärt block ingen styrka.
Vid användning av ett stationärt block stiger belastningen lika mycket som den ände av kabeln som fiskaren utövar kraft på sänks. Det betyder att vi varken vinner eller förlorar på vägen genom att använda ett stationärt block.
Flyttbart block
Låt oss lägga erfarenhet
När vi lyfter en last med hjälp av ett lätt rörligt block kommer vi att märka att om friktionen är låg måste vi för att lyfta lasten applicera en kraft som är ungefär 2 gånger mindre än lastens vikt (Fig. 24.3). Således ger det rörliga blocket en 2-faldig ökning i styrka.
Ris. 24.3. När vi använder ett flyttblock vinner vi 2 gånger i styrka, men tappar lika många gånger på vägen
Men för en dubbel styrka måste du betala med samma förlust längs vägen: för att lyfta lasten, till exempel med 1 m, måste du höja änden av kabeln som kastas över blocket med 2 m.
Det faktum att ett flyttblock ger dubbel styrka kan bevisas utan att behöva tillgripa erfarenhet (se avsnittet nedan "Varför ger ett flyttblock dubbel styrka?").
Termen "block" betyder någon mekanisk anordning, som är en rulle som är monterad på en vinkelrät axel. Denna rulle kan antingen röra sig fritt, eller tvärtom är den styvt fixerad. Låt oss förenkla definitionen - om rullens rotationsaxel rör sig i rymden, är blocket rörligt. Rullen har ett spår i vilket ett rep eller kabel förs in. Bilden nedan visar utseende blockera.
Om rullen är fixerad, till exempel i taket, är det ett stationärt block. Om välten rör sig med lasten är det ett rörligt block. I en allmän mening är detta den enda skillnaden.
Poängen med att använda ett flyttblock är att få styrka när man lyfter eller flyttar laster och fysiska kroppar. Ett fast block ger ingen fördel, men det förenklar ofta kroppens rörelser mycket och används i system tillsammans med ett flyttbart block.
Applicering av rörliga och fasta block
Blocksystemet finns överallt. Dessa inkluderar kranar, olika anordningar för att flytta gods i ett garage och till och med drivremmar i en modern bil. Ofta används ett block även utan en klar förståelse för att detta är samma mekanism.
På byggarbetsplatser har du säkert stött på rörliga hjul fästa på de övre våningarna i ett hus som är under uppförande. Ett rep eller kedja kastas över ett sådant hjul och arbetaren, som fäster skopan på första våningen, lyfter den till övervåningen och flyttar repet. Detta är ett enkelt exempel på att använda ett fast block. Om du lägger till ytterligare ett hjul i skopan får du ett system av block - rörliga och stationära.
Ett annat ovanligare exempel på att använda ett fast block. När en person drar upp en bil ur leran genom att vira bogserlinan runt en trädstam. Detta görs för större bekvämlighet, eftersom bogservinschen lätt fastnar i den lilla änden av kabeln som är lindad runt pipan. Det finns ingen vinst på ett sådant block i sig, och eftersom trädet inte roterar runt sin axel ökar motståndskraften belastningen.
Det finns många exempel på användningen av dessa enkla mekanismer runt omkring oss.
Den mest kända enheten som fungerar enligt principen om block är kedjelyften. Det används aktivt i lyftmekanismer. Blocksystemet minskar styrka och allmänt arbete reduceras med 4-8 gånger.
Löser problem med flyttbara och fasta block
I fysikproblem är det ofta nödvändigt att bestämma vilken total styrkavinst som kommer att erhållas genom att använda block. Eleven erbjuds komplex krets, där flera block av olika typer är sammankopplade i rad.
Nyckeln till lösningen Sådana uppgifter ligger i förmågan att förstå interaktionen mellan dessa enheter. Varje block beräknas separat och läggs sedan till den övergripande formeln. Beräkningsformeln för hela problemet ritas upp enligt diagrammet som eleven ritade när han läste villkoret.
För att bättre förstå sådana problem bör man komma ihåg det ett block är en sorts spak. Den erhållna styrkan ger en förlust i avstånd (vid ett rörligt block).
Beräkningsformeln är mycket enkel.
För fast block F=fmg, där F är kraften, f är motståndskoefficienten för blocket, m är lastens massa, g är gravitationskonstanten. Med andra ord är F den kraft som måste appliceras för att lyfta till exempel en låda från marken med hjälp av ett stationärt block. Som du kan se är sambandet direkt och det finns ingen koefficient.
För flyttblock vi har en dubbel maktvinst. BeräkningsformelF=0,5fmg, där bokstavsbeteckningar liknande formeln ovan. Följaktligen, när du använder ett rörligt block, kommer en sådan låda med massan m att lyftas dubbelt så lätt med blocket än att bara använda din egen rygg.
notera det luftmotståndskoefficient- det här är motståndet som uppstår i blocket när repet rör sig längs med det. Vanligtvis anges dessa värden i problemformuleringen eller är tabellvärden. Ibland i skolproblem utelämnas dessa koefficienter helt och tas inte med i beräkningen.
Dessutom får man inte glömma det om kraften appliceras i en vinkel, måste du använda standardmetoden för att beräkna krafttriangeln. Om problemet säger att en person drar en last på ett rep som är beläget 30 grader mot horisonten, bör detta verkligen beaktas och anges på beräkningsdiagrammet.