اگر تا به حال به انتهای یک جرثقیل نگاه کرده باشید، یا اگر تا به حال از یک بالابر موتور یا یک سیم بکسل استفاده کرده باشید، یا اگر تا به حال به تجهیزات یک قایق بادبانی نگاه کرده باشید، حتماً یک طناب و قرقره (Block and tackle) (قرقره مرکب) را در حال کار دیدهاید. قرقره مرکب چیدمانی از طناب و قرقرهها است که به شما امکان میدهد نیرو را با مسافت مبادله کنید (نیرو را به جا به جایی تبدیل کنید-م). در این مطلب، ما به نحوه عملکرد یک قرقره مرکب نگاهی خواهیم انداخت و همچنین چندین وسیله افزایشدهنده نیرو (force-multiplying devices) را بررسی خواهیم کرد!
درک قرقره مرکب
تصور کنید که آرایشی از یک وزنه 100 پوندی (45.4 کیلوگرمی) معلقشده از یک طناب دارید، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است.
در این شکل، اگر بخواهید وزن را در هوا معلق نگه دارید، باید نیروی رو به بالای 100 پوند به طناب وارد کنید. اگر طول طناب 100 فوت (30.5 متر) باشد و بخواهید وزن را 100 فوت بالا ببرید، باید 100 فوت طناب را بکشید تا این کار را انجام دهید. این ساده و واضح است.
حالا تصور کنید که یک قرقره به این ترکیب اضافه میکنید.
آیا این چیزی را تغییر میدهد؟در واقع نه. تنها چیزی که تغییر میکند، جهت نیرویی است که برای بلند کردن وزنه باید وارد کنید. شما همچنان باید 100 پوند نیرو وارد کنید تا وزن را معلق نگه دارید، و همچنان باید 100 فوت طناب را جمع کنید تا وزن را 100 فوت بالا ببرید.
شکل ۲ آرایش را پس از اضافه کردن قرقره دوم نشان میدهد:
این چیدمان در واقع همه چیز را به شکل مهمی تغییر میدهد. میبینید که وزنه اکنون به جای یک قرقره، توسط دو قرقره آویزان است. این یعنی وزن به طور مساوی بین دو قرقره تقسیم میشود، بنابراین هر کدام فقط نیمی از وزن، یا 50 پوند (22.7 کیلوگرم) را نگه میدارند. این بدان معناست که اگر میخواهید وزنه را در هوا معلق نگه دارید، فقط باید 50 پوند نیرو وارد کنید (50 پوند نیروی دیگر توسط سقف به انتهای دیگر طناب وارد میشود). اگر میخواهید وزنه را 100 فوت بالاتر ببرید، باید دو برابر آن طناب را جمع کنید – 200 فوت طناب باید کشیده شود. این موضوع یک بدهبستان نیرو-فاصله را نشان میدهد. نیرو نصف شده است، اما فاصلهای که طناب باید کشیده شود دو برابر شده است.
شکل ۳ قرقرههای سوم و چهارم را به این چیدمان اضافه میکند:
در این نمودار، قرقرهای که به وزنه متصل است، در واقع از دو قرقره جداگانه روی یک محور تشکیل شده است، همانطور که در سمت راست نشان داده شده است. این آرایش، نیرو را به نصف کاهش میدهد و فاصله را دوباره دو برابر میکند. برای نگه داشتن وزنه در هوا، شما فقط باید 2۵ پوند نیرو وارد کنید، اما برای بلند کردن وزنه به مقدار 100 فوت بالاتر در هوا، اکنون باید ۴00 فوت طناب را جمع کنید.
یک قرقره مرکب میتواند شامل هر تعداد قرقرهای که بخواهید باشد، اگرچه در نقطهای خاص، میزان اصطکاک در محور قرقرهها به یک منبع مقاومت قابل توجه تبدیل میشود.
دیگر مبادلات نیرو/فاصله
در همه انواع ماشینهای ساده با تبادل نیرو/مسافت مواجه میشوید. به عنوان مثال، اهرم (Lever) نمونهای از این پدیده است:
در نمودار شکل ۴، نیروی F به انتهای سمت چپ اهرم وارد میشود. انتهای سمت چپ اهرم(2X) دو برابر طول انتهای سمت راست(X) است. بنابراین در انتهای سمت راست اهرم، نیروی 2F در دسترس است، اما از نصف مسافتی (Y) که انتهای سمت چپ حرکت میکند (2Y) عمل میکند. تغییر طول نسبی انتهای چپ و راست اهرم، ضریبها را تغییر میدهد.
چرخدندهها (Gears) هم میتوانند کار مشابهی انجام دهند:
در این نمودار، قطر چرخدنده سمت چپ دو برابر قطر چرخدنده سمت راست است. به ازای هر چرخش چرخدنده سمت چپ، چرخدنده سمت راست دو بار میچرخد. اگر مقدار معینی گشتاور (Torque) را از طریق یک چرخش به چرخدنده سمت چپ وارد کنید، چرخدنده سمت راست نصف همان مقدار گشتاور را اعمال میکند اما دو دور میچرخد.
یک مثال خوب دیگر، یک سیستم هیدرولیک (Hydraulic system) ساده است، همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده است:
در نظر بگیرید که دو استوانه پر از آب دارید که با یک لوله به هم متصل شدهاند، همانطور که نشان داده شده است. اگر نیروی F را به پیستون سمت چپ وارد کنید، فشاری در استوانه سمت چپ ایجاد میشود. فرض کنید یک نیروی رو به پایین 10 پوندی به استوانه سمت چپ وارد میکنید. همچنین فرض کنید که شعاع استوانه سمت چپ 0٫۵7 اینچ است. بنابراین، مساحت پیستون سمت چپ برابر است با Pi (3.14) * 0.57 * 0.57 = 1 اینچ مربع. اگر شعاع استوانه سمت راست 4 برابر بیشتر یا 2.28 اینچ باشد، مساحت پیستون سمت راست 16 اینچ مربع یا 16 برابر بیشتر خواهد بود. اگر پیستون سمت چپ را به اندازه 16 اینچ با نیروی 10 پوند به پایین فشار دهید، پیستون سمت راست به اندازه 1 اینچ با نیروی 160 پوند بالا میرود. سیلندرهای هیدرولیک هر روزه از این اثر ساده ضرب نیرو بهره میبرند.
میبینید که قرقره و طناب، اهرم، چرخ دنده و سیستم هیدرولیک همگی یک کار را انجام میدهند: آنها به شما اجازه میدهند تا نیرو را با کاهش متناسب فاصلهای که نیروی تقویتشده میتواند در آن عمل کند، بزرگنمایی کنید. معلوم میشود که این نوع ضرب نیرو یک قابلیت بسیار مفید است! در اینجا برخی از دستگاههایی که از این اصول ساده استفاده میکنند، آورده شده است:
- جک ماشین (Car jack)(اهرم یا چرخ دنده)
- ناخنگیر (Fingernail clippers)(اهرم)
- جعبه دنده اتومبیل (Automobile transmission)(دنده)
- ابزار کشش (Come-along)(قرقره و طناب، دنده)
- دربازکن قوطی (Can opener)(دنده، اهرم)
- دیلم (Crowbar)(اهرم)
- چنگک چکش (Hammer claw)(اهرم)
- دربازکن بطری (Bottle opener)(اهرم)
- ترمزهای خودرو (Car brakes)(هیدرولیک)
- بالابر هیدرولیک کارگاهی (Hydraulic shop lift)
- آسانسور (Elevator)(قرقره و طناب)
- و غیره…
سوالات متداول در مورد قرقره
قرقرهها چگونه کار میکنند؟
قرقره (Pulley) چرخشی بر روی یک محور است که برای کمک به حرکت بارهای سنگین طراحی شده است. یک قرقره تکچرخ به شما این امکان را میدهد که جهت نیرویی را که برای بلند کردن بار باید اعمال کنید، با کشیدن به سمت پایین برای بلند کردن بار به سمت بالا، تغییر دهید. به طور مشابه، یک قرقره دوچرخ وزن را به طور مساوی تقسیم میکند به طوری که هر کدام فقط نیمی از وزن را نگه میدارند و به شما این امکان را میدهند که همان وزن را با نصف نیرو بلند کنید.
قرقرهها کجا استفاده میشوند؟
قرقرهها کاربردهای مختلفی در بسیاری از صنایع دارند. نمونههای رایج عبارتند از قرقرههای ساختمانی که برای بلند کردن و جابجایی مواد سنگین استفاده میشوند؛ پردههای تئاتر و پردههای کرکرهای؛ و بسیاری از تجهیزات ورزشی.
آیا جرثقیل (Crane) یک قرقره است؟
جرثقیل ماشینی است که از قرقرهها و کابلها برای بلند کردن، جابجایی و پایین آوردن مواد سنگین استفاده میکند. در حالی که جرثقیلها از قرقرهها برای عملکرد اصلی خود استفاده میکنند، خودشان قرقره نیستند.
