بكرة لا تستخدم الوقود أو الكهرباء ، ولا تعمل من تلقاء نفسها ، لكنها لا تزال آلة. ليست آلة في الطريقة التي يتم بها تعريف الكلمة من قبل قاموس Merriam-Webster ، ولكن آلة في الطريقة التي يحدد بها المهندسون الكلمة: "الأجهزة البسيطة هي الأجهزة التي يمكن استخدامها لمضاعفة أو زيادة قوة نطبقها - غالبًا على حساب المسافة التي نطبق فيها القوة ".
ائتمان: gaspr13 / iStock / GettyImages عرض مقدار الوزن هل تقلع البكرة؟كل آلة لديها ميزة ميكانيكية
تشمل قائمة الآلات البسيطة العناصر التي يستخدمها الناس كل يوم ، مثل المطارق ، والمفكات ، وأبواب الأبواب. كل هذه الأدوات تنقسم إلى واحدة من الفئات الست الكلاسيكية للأجهزة البسيطة. الفئات هي:
- العجلة والمحور
- بكرة
- رافعة
- مستوى مائل
- برغي
- وتد
ينظر بعض العلماء إلى البرغي والإسفين على أنهما نوعان خاصان من الطائرات المائلة ، مما يقلل من القائمة إلى أربعة مداخل. يمكنك اعتبار البكرة كحالة خاصة للعجلة والمحور وتقليل القائمة إلى ثلاثة عناصر. بغض النظر عن عدد العناصر الموجودة في القائمة ، على الرغم من ذلك ، يتم تأهيل بكرة كجهاز.
تُعرف نسبة قوة خرج الآلة بالقوة التي تطبقها عليها باسم الماكينة ميزة ميكانيكيه (MA). لكي تكون الآلة ما ، يجب أن تكون قوة الخرج أكبر من قوة الإدخال ، مما يعني أن الميزة الميكانيكية يجب أن تكون دائمًا أكبر من 1. كلما زادت الميزة الميكانيكية ، قلت القوة التي يجب عليك إدخالها في الماكينة لجعلها عمل.
الميزة الميكانيكية لنظام البكرة
يمكنك حساب الميزة الميكانيكية لنظام البكرة عن طريق حساب القوة المطلوبة لرفع الحمل إلى ارتفاع معين دون بكرة (قوة الخرج ، FO) ثم حساب القوة المطلوبة للقيام بذلك مع البكرة (قوة الإدخال Fأنا). الميزة الميكانيكية هي نسبة قوة الخرج إلى قوة الدخل: MA = FO/ Fأنا. كلما قلت قوة الإدخال بالنسبة إلى قوة الخرج ، زادت الميزة الميكانيكية.
بالنسبة لنظام البكرة البسيط ، فإن حساب ميزته الميكانيكية سهل للغاية. يمكنك ببساطة حساب عدد الحبال التي تدعم الحمل.
بمجرد معرفة الميزة الميكانيكية ، يمكنك حساب القوة اللازمة لرفع وزن معروف. القوة والوزن تعنيان نفس الشيء ، لذلك من خلال حساب الميزة الميكانيكية ، ستتمكن من معرفة تخفيض حمل البكرة.
للحصول على ميزة ميكانيكية ، عليك سحب المزيد من الحبل
"انتظر" ، أنت تقول. "كيف تعرف أن الميزة الميكانيكية تساوي عدد الحبال؟" للإجابة على هذا السؤال ، تحتاج إلى معرفة ما عمل هو ، وليس نوع العمل الذي تقوم به في وظيفتك من 9 إلى 5.
بقدر ما يتعلق الأمر بالفيزيائيين ، فأنت تعمل (W) عن طريق تطبيق قوة (F) على مسافة (د). يمكنك حساب العمل بضرب القوة من خلال المسافة:
W = F • د.
يرتبط العمل بالطاقة ، وحيث أن أحد أهم قوانين الطبيعة هو أن الطاقة يتم الحفاظ عليها دائمًا ، يجب الحفاظ على العمل. إذا كانت القوة المطبقة على نظام البكرة أقل من القوة اللازمة لرفع الحمولة ، فيجب تغيير شيء ما لجعل مقدار العمل الذي تقوم به مساوياً لمقدار العمل المطلوب لرفع الحمل.
الكمية التي تتغير هي المسافة. يمكنك استخدام قوة أقل لرفع الحمل عند استخدام نظام البكرة ، ولكن عليك سحب المزيد من الحبل لرفع الحمل إلى ارتفاع معين. إذا كان لديك نظام بكرة مزدوجة ، يجب عليك سحب ضعف الحبل. في نظام البكرة الثلاثي ، عليك أن تسحب ثلاثة أضعاف هذا ، وهكذا. في الواقع ، بالنسبة لأي نظام بكرة ، يمكنك حساب مقدار الحبل الإضافي الذي يجب عليك سحبه عن طريق حساب عدد الحبال الداعمة للحمل.
الوزن والقوة والحد من تحميل البكرة
الوزن والقوة ليست كميات مختلفة. وزن الجسم ليس سوى القوة التي تمارسه بالجاذبية ، لذلك عندما تقوم برفع جسم ما ، يجب أن تمارس قوة مساوية لقوة الجاذبية. إذا كان لديك نظام بكرة واحدة ، فإن البكرة تسمح لك بالسحب لأسفل على الحبل بدلاً من الأعلى ، وهو أمر أسهل بالتأكيد ، ولكن اجبرك على ممارسة لا يزال يساوي وزن الحمل أنت ترفع.
إذا قمت بإضافة بكرة أسفل البكرة الأولى ، قم بحلقة الحبل حول البكرتين وقمت بتعليق الحمل من البكرة الثانية ، ويدعم الآن الحمل بحبلين. وبالتالي ، فإن الميزة الميكانيكية لنظام البكرة الجديد والمحسّن هي 2 ، وهذا يعني أنه لا يتعين عليك سوى ممارسة الرياضة قوة تساوي نصف وزن الحمل لرفعه. قم بتعليق بكرة ثالثة من الأولى ، قم بتدوير الحبل من خلال ذلك حتى تقوم ثلاثة حبال بتعليق الحمل ، والقوة التي يجب أن تمارسها لرفع الحمل هي فقط ثلث وزنه.
يمكنك القول ، بشكل عام ، أن تقليل حمل البكرة هو عكس عدد الحبال التي تدعم الحمل ، لكن القليل من أنظمة البكر العملية لديها أكثر من أربعة حبال. وبالتالي ، فإن الحد الأقصى لحمل البكرة الذي يمكنك تحقيقه هو ربع وزن الحمل. في الواقع ، يكون تقليل الحمل الفعلي أقل قليلاً من هذا لأنه يجب عليك مراعاة الاحتكاك في البكرات.
مثال حاسبة الوزن البكرة
افترض أنه يمكنك رفع شخص 200 رطل بنفسك ، ولكن هذا هو الحد من قدرات رفع الأثقال لديك. هل يمكن أن تضع نظام بكرة لرفع سيارة ذات 2000 رطل؟ ربما لا لأنه حتى نظام البكرات الأربعة سيقلل الوزن بمقدار الربع فقط ، وهذا لا يزال 500 رطل.
لنفترض أنك يمكن أن تزيّن زوجًا من أنظمة البكرات واحصل على صديق ، قوي بنفسك ، لسحب أحدها. لا يزال لديك مشكلة ، ولكن قد تتمكن من القيام بذلك لأن كل بكرة ترفع نصف الوزن ، أو 1000 رطل ، وربع هذا الوزن 250 رطلاً. إذا أضفت بكرة ثالثة وشخصًا ثالثًا إلى الوظيفة ، فسيكون على كل شخص بذل 167 رطلاً من القوة ، وهذا في حدود إمكاناته ، وبالتالي فإن هذا النظام سيعمل بسهولة.
لا تعتمد الآلة الحاسبة لوزن البكرة على الوزن الذي سيتم رفعه أولاً حيث يتم سحب الحبل لأنه إذا انسحب شخص ما قبل الاثنين الآخرين ، فلن تتحرك السيارة. يتعين على جميع الأشخاص الثلاثة في وقت واحد المشاركة بشكل صحيح في الحمل ونشر الوزن بالتساوي بين البكرات الثلاثة. عندما يعمل الأشخاص الثلاثة في وقت واحد ، يوجد في الواقع 12 حبال تدعم السيارة ، مما يجعل الميزة الميكانيكية لنظام البكرة 12 ويقلل من القوة الصافية اللازمة لرفع السيارة إلى 2000 ÷ 12 = 167 رطلاً.
