Как работают блоки? | Как блоки увеличивают подъемную силу?

Как работают блоки? | Как блоки увеличивают подъемную силу?

 

Вы, вероятно, видели этих потрясающих силачей по телевизору, которые могут тянуть автомобили
волосами и тащить поезда зубами. Но знали ли вы, что
наука может сделать вас сильными? Если вам нужно поднять огромный вес,
не напрягайте спину: используйте силу науки — и удивительное
устройство под названием блок . Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Гигантский плавучий кран (вверху) использует огромные шкивы для подъема ржавых обломков судна Golden Ray (внизу) в заливе Сент-Саймонс. Фото Майкла Хаймса предоставлено Береговой охраной США и DVIDS.

Что такое шкивы?

Блок — это просто набор из одного или нескольких колес, на которые надевается веревка (или цепь), чтобы было легче поднимать предметы. Вот повседневный пример :

 

Фото: Блок, установленный на огромной подъемной раме, чтобы сделать его использование более безопасным. Благодаря силе блоков один человек может поднять гораздо больше своего веса, не напрягая никаких мышц, поскольку несколько канатов или цепей поддерживают дополнительный вес. Фото Чарльза Д. Гэддиса IV предоставлено ВМС США
и DVIDS.

Блоки — это примеры того, что ученые называют простыми машинами. Это не значит, что они напичканы двигателями и
шестернями; это просто значит, что они помогают нам умножать силы. Если вы хотите поднять действительно тяжелый
вес, то ваши мышцы не смогут выдать столько силы, даже если
вы самый сильный человек в мире. Но используйте простую машину, например
блок, и вы сможете эффективно умножить силу, которую производит ваше тело.

Фото: Колеса шкива и крюк на большом кране. Любой груз, свисающий с нижней части этого крюка, будет поддерживаться 16 отрезками троса над ним. Чем больше отрезков троса обернуто вокруг колеса шкива, тем легче его поднять. Фото Джета Лоу, Historic American Engineering Record (HAER), любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.

Давайте проясним понятия массы и веса!

Прежде чем мы пойдем дальше, давайте проясним разницу между весом и массой.
Это поможет в тот момент, когда мы будем говорить об использовании блоков для подъема тяжестей (которые на самом деле являются массами ) с определенной силой . В двух словах:

  • Масса — это количество вещества, из которого что-либо сделано или которое оно содержит, измеряемое в килограммах (или фунтах).
  • Вес — это количество силы , с которой гравитация Земли притягивает определенную массу: чем
    массивнее что-то, тем больше гравитационная сила, и тем больше мы говорим, что оно весит.
    Как и любую другую силу, мы должны измерять вес в ньютонах.

Если вы человек с массой 80 кг, гравитация Земли притягивает вас с силой 800 ньютонов
(на Земле ваш вес в ньютонах всегда примерно в 10 раз больше вашей массы в килограммах, потому что
Земля притягивает каждый килограмм массы с силой 10 ньютонов).
Строго говоря, мы должны взвешивать вещи в единицах силы (ньютонах), поэтому, если ваша масса
составляет 80 кг, ваш вес на самом деле составляет 800 ньютонов. Но в повседневной речи мы склонны путать массу и вес и вместо этого говорим о весе в килограммах (или фунтах). По той же причине, хотя килограмм является единицей массы, а не силы, можно говорить о силе, эквивалентной данной массе, потому что все массы,
как правило, преобразуются в силы одинаково. Вы можете прочитать больше об этом в нашей статье о
весах и противовесах.

Сколько силы составляет ньютон? Этот апельсин имеет массу около 100 г (0,1 кг), поэтому мне нужно приложить 1 Н (один ньютон) силы, чтобы удержать его в воздухе. Грубо говоря, мы говорим, что апельсин «весит» 100 г; строго говоря, он весит 1 Н.

Как работают шкивы

Чем больше у вас колес и чем больше раз вы обмотаете их веревкой, тем больше вы сможете поднять.

Одно колесо

Если у вас есть одно колесо и веревка, блок
поможет вам изменить направление вашей подъемной силы. Итак, как
на рисунке ниже, вы тянете веревку вниз, чтобы поднять груз
. Если вы хотите поднять что-то весом 100 кг, вам нужно
тянуть вниз с силой, эквивалентной 100 кг, что составляет 1000 Н (ньютонов). Если вы хотите поднять
груз на 1 м в воздух, вам нужно потянуть свободный конец веревки на общее
расстояние 1 м на другом конце.

Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу:  Вам не нужно ехать в кафе, чтобы попробовать лучшую куриную шаурму

Работа: Как работают блоки#1: С одним колесом блок просто меняет направление силы, которую вы прикладываете. Он не изменяет силу каким-либо другим образом.

Два колеса

Теперь, если вы добавите больше колес и обмотаете их веревкой,
вы можете уменьшить усилие, необходимое для подъема веса.
Предположим, у вас есть два колеса и веревка, обмотанная вокруг них, как на рисунке ниже.
Масса в 100 кг (вес в 1000 ньютонов) теперь эффективно поддерживается двумя секциями той же веревки
(две пряди слева) вместо одной (игнорируя свободный конец веревки, за которую вы тянете),
и это означает, что вы можете поднять ее, потянув с силой всего в 500 ньютонов — вдвое меньше!
Вот почему мы говорим, что блок с двумя колесами и веревкой, обмотанной вокруг него
таким образом, дает механическое преимущество (МЭ) два.

Механическое преимущество — это мера того, насколько простая
машина умножает силу. Чем больше механическое преимущество, тем меньше силы вам нужно,
но тем больше расстояние, на которое вы должны применить эту силу. Груз поднимается на 1 м, но теперь нам
нужно тянуть свободный конец веревки вдвое дальше (на 2 м). Как так? Чтобы груз поднялся на 1 м, вам нужно заставить две секции веревки, поддерживающие его, подняться на 1 м каждая. Для этого вам нужно тянуть свободный конец веревки на 2 м.
Обратите внимание, что мы также можем вычислить механическое преимущество, разделив
расстояние, на которое нам нужно тянуть веревку, на расстояние, на которое перемещается груз.

Иллюстрация: Как работают блоки#2: С двумя колесами это как если бы груз висел на двух веревках (две нити одной веревки слева), и блок вдвое уменьшает необходимую вам подъемную силу. Это как поднимать груз с помощью двух веревок вместо одной. Но теперь вам придется тянуть конец веревки в два раза дальше, чтобы поднять груз на то же расстояние.

Подождите! Я в замешательстве!

Блоки могут быть очень запутанными, и вы можете испытывать трудности с пониманием того, что здесь происходит.
Если вам не очевидно, почему вы можете использовать половину силы, чтобы поднять такой же вес, вот
совершенно другой способ взглянуть на это…

Предположим, вы находитесь на крыше здания и хотите поднять груз весом 1000 ньютонов.
Вы опускаете веревку вниз, прикрепляете ее к грузу и тянете вверх. Чтобы поднять груз на 1 м от
земли, вам нужно потянуть веревку на 1 м вверх с силой 1000 ньютонов.

Что делать, если вы не можете поднять так много? Вы просите друга помочь.
Вы оба встаете на крышу здания и протягиваете веревку вниз и обратно через груз.
Чтобы поднять груз на 1 м от земли, вы оба тянете его на 1 м вверху.
Это означает, что веревка фактически укорачивается на 1 м с каждой стороны, поэтому вместе
вы укорачиваете ее на 2 м.
Вы и ваш друг каждый используете только половину силы, или 500 ньютонов, поэтому поднимать груз гораздо легче.

Что делать, если ваш друг не любит тянуть, но вполне счастлив стоять на крыше, держа веревку для вас?
Теперь то, что он делает, это поддерживает половину веса, фактически не тянув его.
Помните, что веревка сложена вдвое (она идет вниз к грузу и обратно вверх).
Таким образом, чтобы поднять вес на 1 м от земли теперь, вам все еще нужно «укоротить» веревку на 1 м с обеих сторон. Другими словами, вам нужно тянуть 1 м со своей стороны и 1 м со стороны вашего друга, или всего 2 м веревки. Ваш друг поддерживает вас
с помощью 500 ньютонов, поэтому вы можете поднять вес в 1000 ньютонов на 1 м, потянув веревку на 2 м с силой 500 ньютонов.

Примерно так и работает блок, за исключением того, что вы добавляете пару колес — чтобы заменить своего друга, и таким образом вы можете тянуть веревку снизу, а не сверху.

 

Четыре колеса

Хорошо, а что если использовать четыре колеса, удерживаемые вместе длинной веревкой, которая
обвивается вокруг них, как на рисунке ниже? Вы можете видеть, что 100-килограммовая
масса (вес 1000 ньютонов) теперь висит на четырех секциях веревки (те, что слева,
не считая свободного конца веревки, за который вы тянете). Это означает, что
каждая секция веревки поддерживает четверть общего веса в 1000 ньютонов, или 250 ньютонов,
и чтобы поднять вес в воздух, вам нужно тянуть только с
четвертью силы — также 250 ньютонов. Чтобы поднять вес на 1 м, вам нужно укоротить каждую
секцию веревки на 1 м, поэтому вам нужно тянуть свободный конец веревки на 4 м. Мы говорим, что блок с четырьмя колесами и веревкой, обернутой таким образом, дает механическое преимущество в четыре раза, что вдвое лучше, чем у блока с двумя веревками и колесами.

Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу:  Наука о воде — Введение в ее удивительные свойства

Работа: Как работают блоки#3: С четырьмя колесами и веревкой, работающей в четырех секциях, блок сокращает необходимую вам подъемную силу на четверть. Но вам придется тянуть конец веревки в четыре раза дальше.

Чем блок похож на рычаг

Вероятно, вы видите, что блок увеличивает силу аналогично качелям, которые являются своего рода рычагом. Если вы хотите поднять кого-то в четыре раза тяжелее вас на качелях, вам нужно сесть в четыре раза дальше от точки равновесия (точки опоры), чем он. Если вы опустите свой конец рычага на 4 см, его конец качелей поднимется всего на 1 см. Когда они поднимаются, они приобретают определенное количество потенциальной энергии, равное их весу, умноженному на расстояние, на которое они перемещаются. Вы теряете точно такое же количество энергии — равное вашему весу (в четыре раза меньше), умноженному на расстояние, на которое вы перемещаетесь (в четыре раза больше). Вы можете переместить их гораздо больший вес, потому что вы перемещаете свой конец качелей на гораздо большее расстояние: рычаг качелей позволяет производить больше силы, работая на большем расстоянии.

То же самое происходит с блоком, за исключением того, что вы тянете за веревку, а не двигаете конец качелей. Чтобы поднять что-то в четыре раза тяжелее, вы можете использовать точно такую ​​же силу, но только если вы потянете веревку в четыре раза дальше. Если вы посмотрите на то, что происходит по обе стороны блока, и умножите силу на пройденное расстояние, вы обнаружите, что это одно и то же. С вашей стороны вы используете небольшую силу на большом расстоянии. С другой стороны, есть гораздо больший вес, но он перемещается на меньшее расстояние.

Художественное произведение: Как блок работает как рычаг: Как и в случае с рычагом, блок может «волшебным образом» создавать больше силы, но только если вы используете эту силу на большем расстоянии. Почему так? Читайте ниже!

 

В чем подвох?

Блоки звучат блестяще — и это так. Но наверняка же есть подвох
? Если вы можете поднять 100 кг (1000 ньютонов), потянув с силой, эквивалентной
всего 25 кг (250 ньютонов), вы наверняка выполняете только четверть работы и используете
только четверть энергии? И если это правда, вы могли бы построить
какой-то блок, который действительно будет производить для вас энергию: вложите
только одну единицу энергии и получите четыре единицы! Звучит блестяще!

Фото: Есть ли скрытый подвох при использовании блока? Почему бы не сделать свой собственный простой блок из конструктора (или просто из самодельных материалов, таких как катушки с хлопком и веревки) и не проверить его самостоятельно. Нет лучшего
способа понять, как работают блоки. С таким простым двухколесным блоком легко увидеть, что вам нужно
тянуть веревку в два раза дальше, чем поднимается груз.

К сожалению, такие удивительные вещи строго запрещены
законом физики, который называется сохранением энергии, который
гласит, что вы всегда должны вкладывать столько же энергии, сколько и получать. Так что давайте
подумаем о блоках с точки зрения энергии. Если вы поднимаете груз весом
100 кг (1000 ньютонов) на расстояние 1 метр от земли, вам придется выполнить одинаковую
работу, независимо от того, используете ли вы блок или нет: вам придется переместить одну
и ту же силу на одно и то же расстояние. Если вы используете блок и уменьшите
силу, которую вы используете, на четверть, вам все равно придется выполнить тот же объем
работы. Просто вам придется тянуть конец веревки в четыре
раза дальше, чтобы каждая из четырех поддерживающих секций веревки поднялась на
одинаковую величину. В этом и заключается подвох блока. Вы тянете с меньшей
силой, но вам придется тянуть дальше (и, вообще говоря, использовать силу
дольше). С блоком вы не только не тратите меньше энергии,
на самом деле вам придется использовать ее немного больше из-за трения, когда
веревка трется о колеса блока. Но кажется и ощущается, что
использовать шкив проще, и это главное!

 

Фото: Колеса шкивов на стреле большого железнодорожного ремонтного крана. В этом случае используется огромный прочный трос. Обратите внимание, что на колесах есть глубокие канавки, чтобы трос не соскальзывал с них.

Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу:  Греческая курица в одной кастрюле становится обязательным блюдом буднего вечера со сливочным орзо

Что такое блок-тл?

В инженерии тип шкива, который я здесь описал, иногда называют блоком и полиспастом : колеса и их крепления — это блоки, а канаты, которые их обвивают, — это полиспасты. В моих примерах один блок закреплен наверху, а другой блок движется вверх с грузом. В более общем смысле, для инженеров шкив — это колесо, через которое вы продеваете канат или ремень, чтобы соединить одну часть машины с другой, будь то подъем вещей, передача мощности или что-то еще. Однако в простой науке мы склонны использовать слово «шкив» просто для обозначения связки колес и канатов для подъема.

Фотографии: Два типа шкивов. Слева: Блок и полиспаст — это система на основе шкива для подъема предметов, состоящая из блоков (колесных секций) и полиспаста, соединяющего их вместе. Этот использовался для подъема ракетного оборудования в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА. Фото Джеймса У. Розенталя, Historic American Engineering Record, любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.
Справа: Шкивы также могут использоваться для соединения различных частей машины. Здесь шкив на большом двигателе приводит в движение другой шкив на машине, находящейся на некотором расстоянии. В этом случае шкивы просто передают мощность. Фото: Historic American Engineering Record, любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

 

Узнать больше

На этом сайте

  • Краны
  • Двигатели
  • Шестерни
  • Гидравлика
  • Простые машины

На других сайтах

  • Блоки, шкивы и другие приспособления: великолепная коллекция фотографий шкивов, собранная пользователем Flickr «Элси» (Лес Чатфилд), которая обладает большим вниманием
    к деталям и умеет раскрывать скрытую красоту в мире механики.

Книги

Для юных читателей

По какой-то причине существует множество книг о блоках для юных читателей (возрастная группа 6–10 лет). Вот несколько для начала:

  • «Рычаги и блоки» Алекса Бриндеда, Kidhaven/Greenwood, 2019. Простое введение для самых маленьких читателей, которое является частью базовой инженерной серии под названием «Making Things Work». Текст написан четко, хотя фотографии и дизайн немного устарели. Возраст 6–9 лет.
  • Exploring Science: Machines: Крис Окслейд, Эннесс, 2016. Практическое введение в шестерни, рычаги, блоки и двигатели с помощью 20 простых экспериментов. Эта книга помогает поместить блоки в более широкий контекст простых машин. Возраст 8–10 лет.
  • Making Machines with Pulleys: Крис Окслейд, Raintree/Capstone, 2015. Еще одно очень практичное введение на 32 страницах, которое логически ведет нас через простые блоки, составные блоки, исторические машины, ремни и многое другое. Есть полезные школьные библиотечные дополнения, включая забавные факты и глоссарий. Возраст 7–9.
  • Как работают блоки: Джим Меццанотт. Гарет Стивенс, 2007. 24-страничное руководство, которое знакомит с блоками и показывает, как мы используем их всеми возможными способами в повседневной жизни. Здесь акцент делается на блоках как на средстве использования сил в наших интересах.
  • Что такое блоки?: Хелен Фрост, Capstone Press, 2001. Очень простое иллюстрированное введение для юных читателей (полагаю, в возрасте 7–10 лет).

Эти две книги представляют собой более общие труды, которые помещают науку о силах в более широкий контекст:

  • «Can You Feel the Force» Ричарда Хаммонда. Дорлинг Киндерсли, 2006/2015. Легкая книга о силах и физике для юных читателей. (Я был одним из консультантов и соавторов этой книги.)
  • «Сила и движение» Питера Лафферти. Дорлинг Киндерсли, 2000. Классическая книга DK Eyewitness, охватывающая историю науки и современные технологии. Устаревшая, но все еще полезная.

Для читателей старшего возраста

  • Принципы машиностроения Джона Берда и Карла Росса, 2017. Подробное (288 страниц) введение в общую науку и принципы машиностроения.
  • Трактат о ремнях и шкивах Джона Говарда Кромвеля, 1903. Классическая книга из более ранней эпохи! Объясняет теорию шкивов (с математикой) и множеством иллюстраций. Доступно в различных форматах электронных книг.

Видео

  • Как работают блоки: простое введение Чарли Марца. К сожалению, он использует имперские (американские) единицы футы и фунты, но вы поняли идею. Если вы европеец, вы можете заменить метры и килограммы в уме.
  • Как работают блоки: более длинное и запутанное введение от Khan Academy. Это объясняется ясно и очень хорошо, но страдает от набросков мыши и путаницы единиц (ньютоны, футы, метры).

 

Не можете найти то, что вам нужно? Поиск на нашем сайте ниже

 

Переведено в образовательных целях — источник: www.explainthatstuff.com

Ссылка на основную публикацию