Koło pasowe nie zużywa paliwa ani elektryczności i nie działa samodzielnie, ale wciąż jest maszyną. Nie maszyna w sposób, w jaki słowo jest zdefiniowane w słowniku Merriam-Webster, ale maszyna w sposób, w jaki inżynier definiuje to słowo: „Proste maszyny to urządzenia, których można użyć do zwielokrotnienia lub zwiększenia siły, którą przykładamy - często kosztem odległości, przez którą przykładamy siłę ”.
kredyt: gaspr13 / iStock / GettyImagesJaką wagę zdejmuje koło pasowe?Każda maszyna ma przewagę mechaniczną
Lista prostych maszyn obejmuje przedmioty, z których ludzie korzystają na co dzień, takie jak młotki, wkrętaki i klamki. Wszystkie te narzędzia należą do jednej z sześciu klasycznych kategorii prostych maszyn. Kategorie to:
- Koło i oś
- Krążek linowy
- Dźwignia
- Równia pochyła
- Wkręt
- Klin
Niektórzy naukowcy uważają śrubę i klin za specjalne typy pochyłych płaszczyzn, co ogranicza listę do czterech pozycji. Możesz nawet uznać koło pasowe za specjalny przypadek koła i osi i zredukować listę do trzech pozycji. Niezależnie od tego, ile elementów jest na liście, koło pasowe kwalifikuje się jako maszyna.
Stosunek siły wyjściowej maszyny do siły, którą do niej przykładasz, jest znany jako siła maszyny przewaga mechaniczna (MAMA). Aby maszyna była maszyną, siła wyjściowa musi być większa niż siła wejściowa, co oznacza, że przewaga mechaniczna musi zawsze być większa niż 1. Im większa przewaga mechaniczna, tym mniejsza siła, którą trzeba wprowadzić do maszyny, aby ją wytworzyć praca.
Zaleta mechaniczna układu koła pasowego
Można obliczyć przewagę mechaniczną układu koła pasowego, obliczając siłę potrzebną do podniesienia ładunku na określoną wysokość bez koła pasowego (siła wyjściowa, FO), a następnie obliczenie siły wymaganej do wykonania tego za pomocą koła pasowego (siła wejściowa Fja). Zaletą mechaniczną jest stosunek siły wyjściowej do siły wejściowej: MA = F.O/ Fja. Im mniejsza siła wejściowa w stosunku do siły wyjściowej, tym większa przewaga mechaniczna.
W przypadku prostego układu koła pasowego obliczenie jego przewagi mechanicznej jest niezwykle łatwe. Po prostu policzysz liczbę lin, które utrzymają ładunek.
Po poznaniu przewagi mechanicznej można obliczyć siłę potrzebną do podniesienia znanej masy. Siła i waga oznaczają to samo, więc obliczając przewagę mechaniczną, będziesz w stanie obliczyć zmniejszenie obciążenia koła pasowego.
Aby uzyskać przewagę mechaniczną, musisz pociągnąć więcej liny
„Zaczekaj” - mówisz. „Skąd wiesz, że przewaga mechaniczna jest równa liczbie lin?” Aby odpowiedzieć na to pytanie, musisz wiedzieć, co praca jest, a nie rodzaj pracy, którą wykonujesz w pracy od 9 do 5.
Jeśli chodzi o fizyków, wykonujesz pracę (W) poprzez przyłożenie siły (F) na odległość (d). Obliczasz pracę, mnożąc siłę przez odległość:
W = F • d.
Praca związana jest z energią, a ponieważ jednym z najbardziej podstawowych praw natury jest to, że energia jest zawsze oszczędzana, praca musi być zachowana. Jeśli siła przyłożona do układu koła pasowego jest mniejsza niż siła potrzebna do podniesienia ładunku, coś musi się zmienić, aby ilość wykonywanej pracy była równa ilości pracy wymaganej do podniesienia ładunku.
Zmieniającą się ilością jest odległość. Podczas korzystania z systemu koła pasowego działasz mniej siły, ale musisz pociągnąć więcej liny, aby podnieść ładunek na określoną wysokość. Jeśli masz system podwójnego koła pasowego, musisz pociągnąć dwa razy więcej liny; w systemie potrójnego koła pasowego musisz pociągnąć trzy razy tyle i tak dalej. W rzeczywistości dla każdego układu koła pasowego można obliczyć ilość dodatkowej liny, którą trzeba pociągnąć, licząc liczbę lin podtrzymujących ładunek.
Zmniejszenie masy, siły i obciążenia koła pasowego
Waga i siła nie są różnymi ilościami. Ciężar przedmiotu to nic innego jak siła wywierana na niego przez grawitację, więc kiedy unosisz obiekt, musisz wywierać siłę równą sile grawitacji. Jeśli masz system pojedynczego koła pasowego, koło pasowe pozwala ciągnąć linę zamiast w górę, co jest zdecydowanie łatwiejsze, ale zmuszać cię do wysiłku jest nadal równa ciężar ładunku podnosisz.
Jeśli dodasz koło pasowe poniżej pierwszego, owinąć linę wokół obu kół pasowych i zawiesić ładunek na drugim kole, obciążenie jest teraz podtrzymywane przez dwie liny. Mechaniczna zaleta tego nowego, ulepszonego systemu kół pasowych wynosi zatem 2, a to oznacza, że musisz tylko ćwiczyć siła równa połowie ciężaru ładunku podnieść to. Zawieś trzecie koło pasowe od pierwszego, zapnij pętlę tak, aby trzy liny zawieszały ładunek, a siła, którą musisz użyć, aby podnieść ładunek, to tylko jedna trzecia jego ciężaru.
Można ogólnie powiedzieć, że zmniejszenie obciążenia koła pasowego jest odwrotnością liczby lin podtrzymujących obciążenie, ale niewiele praktycznych systemów koła pasowego ma więcej niż cztery liny. W związku z tym maksymalne zmniejszenie obciążenia koła pasowego, jakie można zrealizować, to jedna czwarta ciężaru ładunku. W rzeczywistości faktyczna redukcja obciążenia jest nieco mniejsza niż ta, ponieważ należy wziąć pod uwagę tarcie w kołach pasowych.
Przykładowy kalkulator wagi koła pasowego
Załóżmy, że możesz sam podnieść 200 funtów, ale to jest limit twoich zdolności do podnoszenia ciężarów. Czy możesz opracować system koła pasowego do podnoszenia samochodu o masie 2000 funtów? Prawdopodobnie nie dlatego, że nawet układ czterokołowy zmniejszyłby ciężar tylko o jedną czwartą, a to wciąż 500 funtów.
Załóżmy, że możesz zmontować parę kół pasowych i poprosić przyjaciela, który jest tak silny jak ty, aby pociągnął jeden z nich. Nadal będziesz miał kłopoty, ale możesz to zrobić, ponieważ każde koło pasowe podniosłoby połowę wagi lub 1000 funtów, a jedna czwarta tej wagi to 250 funtów. Jeśli jednak do zadania dodasz trzecie koło pasowe i trzecią osobę, każda osoba będzie musiała jedynie wywierać 167 funtów siły, co mieści się w ich możliwościach, więc ten system będzie działał łatwo.
Kalkulator ciężaru koła pasowego nie zależy od tego, który ciężar podniesie się pierwszy, gdy lina zostanie pociągnięta, ponieważ jeśli jedna osoba pociągnie zanim zrobią to pozostałe dwie, samochód się nie ruszy. Wszystkie trzy osoby muszą ciągnąć jednocześnie, aby odpowiednio podzielić obciążenie i równomiernie rozłożyć ciężar na trzy koła pasowe. Gdy trzy osoby pracują jednocześnie, w efekcie jest 12 lin podtrzymujących samochód, co stanowi mechaniczną zaletę układu koła pasowego 12 i zmniejsza siłę netto niezbędną do podniesienia pojazdu do 2000 ÷ 12 = 167 funtów.
