Ett enkelt remskivsystem. Om du någonsin har tittat på slutet av en kran, eller om du någonsin har använt en motorhiss eller en följeslagare, eller om du någonsin har tittat på riggen på en segelbåt, då har du sett ett block och tackla på jobbet. Ett block och tackel är ett arrangemang av rep och remskivor som gör att du kan byta kraft efter avstånd. I denna upplaga av Hur saker fungerar vi kommer att titta på hur ett block och tackling fungerar, och undersök också flera andra kraftförökande enheter!
Tänk dig att du har en vikt på 45,4 kilo från ett rep, som visas här.
I denna figur, om du ska hänga upp vikten i luften måste du applicera en uppåtgående kraft på 100 pund på repet. Om repet är 30,5 meter långt och du vill lyfta vikten 100 fot, du måste dra i 100 fot rep för att göra det. Detta är enkelt och uppenbart.
Tänk dig nu att du lägger till en remskiva till blandningen.
Förändrar detta något? Inte riktigt. Det enda som ändras är riktningen för den kraft du måste utöva för att lyfta vikten. Du måste fortfarande använda 100 kilo kraft för att hålla vikten avstängd, och du måste fortfarande rulle in 100 fot rep för att lyfta vikten 100 fot.
Följande bild visar arrangemanget efter att ha lagt till en andra remskiva:
Detta arrangemang förändrar faktiskt saker på ett viktigt sätt. Du kan se att vikten nu är upphängd med två remskivor snarare än en. Det betyder att vikten delas lika mellan de två remskivorna, så var och en håller bara hälften av vikten, eller 22,7 kilo. Det betyder att om du vill hålla vikten i luften, du behöver bara applicera 50 pund kraft (taket utövar de andra 50 pund kraften i andra änden av repet). Om du vill lyfta vikten 100 fot högre, då måste du rulla in dubbelt så mycket rep 0–200 fot rep måste dras in. Detta visar en avvägning på kraftavstånd. Kraften har halverats men avståndet som repet måste dras har fördubblats.
Följande diagram lägger till en tredje och fjärde remskiva till arrangemanget:
I detta diagram, remskivan fäst vid vikten består faktiskt av två separata remskivor på samma axel, som visas till höger. Detta arrangemang halverar kraften och fördubblar avståndet igen. För att hålla vikten i luften måste du bara applicera 25 kilo kraft, men för att lyfta vikten 100 fot högre i luften måste du nu rulla in 400 fot rep.
Ett block och tackling kan innehålla så många remskivor som du vill, även om friktionen i remskivaxlarna någon gång börjar bli en betydande motståndskälla.
Du kommer i kontakt med våld/distansavvägningar i alla möjliga enkla maskiner. Till exempel, en spak är ett exempel på detta fenomen:
I detta diagram appliceras en kraft F på spakens vänstra ände. Spakens vänstra ände är dubbelt så lång (2X) som den högra änden (X). Därför finns det en kraft på 2F i den högra änden av spaken, men den verkar genom hälften av avståndet (Y) som den vänstra änden rör sig (2Y). Om du ändrar den relativa längden på vänster och höger ände på spaken ändras multiplikatorerna.
Gears kan göra samma sak:
I detta diagram har den vänstra växeln två gånger diametern för den högra växeln. För varje varv på vänster växel, höger växel vänder två gånger. Om du applicerar ett visst vridmoment på vänster växel genom en rotation, höger växel kommer att utöva hälften så mycket vridmoment men vrider två varv.
Ett annat bra exempel är ett enkelt hydraulsystem, enligt nedanstående:
Antag att du har två cylindrar fulla av vatten med ett rör som förbinder de två cylindrarna som visas. Om du applicerar en kraft F på den vänstra kolven, det skapar ett tryck i vänster cylinder. Låt oss säga att du applicerar en 10 pund nedåtriktad kraft på vänster cylinder. Låt oss också säga att radien för den vänstra cylindern är 0,57 tum. Därför, området för den vänstra kolven är Pi * 0,57 * 0,57 =1 kvadratmeter. Om radien för den högra cylindern är 4 gånger större, eller 2,28 tum, då är området för den högra kolven 16 kvadratmeter, eller 16 gånger större. Om du trycker ner den vänstra kolven ner 16 tum med en kraft på 10 pund, då kommer den högra kolven att stiga 1 tum med en kraft på 160 pund. Alla typer av hydraulcylindrar utnyttjar denna enkla kraftförökande effekt varje dag.
Du kan se att ett block och tackling, en spak, ett växeltåg och ett hydraulsystem gör alla samma sak:de låter dig förstora en kraft genom att proportionellt minska avståndet genom vilken den förstorade kraften kan verka. Det visar sig att denna typ av kraftmultiplikation är en extremt användbar förmåga! Här är några av de enheter som använder dessa enkla principer:
Ursprungligen publicerat:1 apr. 2000
