Hihnapyörä ei käytä polttoainetta tai sähköä, eikä se käy yksinään, mutta se on silti kone. Ei kone siinä muodossa, jossa sana on määritelty Merriam-Webster-sanakirjassa, vaan kone, jolla insinöörit määrittelevät sanan: "Yksinkertaiset koneet ovat laitteita, joita voidaan käyttää monistamaan tai lisäämään käyttämäämme voimaa - usein sellaisen matkan kustannuksella, jonka läpi voima kohdistuu. "
hyvitys: gaspr13 / iStock / GettyImagesKuinka paljon painoa vetää hihnapyörä?Jokaisella koneella on mekaaninen etu
Yksinkertaisten koneiden luettelossa on esineitä, joita ihmiset käyttävät joka päivä, kuten vasarat, ruuvimeisselit ja ovenkahvat. Kaikki nämä työvälineet kuuluvat yhdestä kuudesta klassisesta yksinkertaisten koneiden luokasta. Luokat ovat:
- Rengas ja akseli
- Talja
- Vipu
- Kalteva taso
- Ruuvi
- Kiila
Jotkut tutkijat pitävät ruuvia ja kiilaa erityisillä kaltevilla tasoilla, mikä vähentää luettelon neljään kohtaan. Voit jopa pitää hihnapyörää pyörän ja akselin erikoistapauksena ja vähentää luettelon kolmeen kohtaan. Riippumatta siitä kuinka monta tuotetta on luettelossa, hihnapyörä on kuitenkin kone.
Koneen lähtövoiman ja siihen kohdistaman voiman suhdetta kutsutaan koneeksi mekaaninen etu (MA). Jotta kone olisi kone, lähtövoiman on oltava suurempi kuin syöttövoima, mikä tarkoittaa, että mekaanisen edun on aina oltava suurempi kuin 1. Mitä suurempi mekaaninen etu, sitä vähemmän voimaa sinun on syötettävä koneeseen, jotta se saadaan aikaan tehdä työtä.
Hihnapyörän mekaaninen etu
Voit laskea hihnapyörän mekaanisen hyödyn laskemalla voima, joka tarvitaan kuorman nostamiseen tiettyyn korkeuteen ilman hihnapyörää (lähtövoima, FO) ja sitten lasketaan sen tekemiseen tarvittava voima hihnapyörällä (syöttövoima Fminä). Mekaaninen etu on lähtövoiman ja tulovoiman suhde: MA = FO/ Fminä. Mitä pienempi tulovoima on suhteessa lähtövoimaan, sitä suurempi mekaaninen etu.
Yksinkertaisella hihnapyöräjärjestelmällä sen mekaanisen edun laskeminen on naurettavan helppoa. Lasket yksinkertaisesti köyttä, jotka tukevat kuormaa.
Kun tiedät mekaanisen edun, voit laskea voiman, joka tarvitaan tunnetun painon nostamiseen. Voima ja paino tarkoittavat samaa, joten laskemalla mekaaninen etu, pystyt selvittämään hihnapyörän kuormituksen vähentymisen.
Mekaanisen edun saamiseksi sinun täytyy vetää lisää köyttä
"Odota", sanot. "Mistä tiedät, että mekaaninen etu on yhtä suuri kuin köysien lukumäärä?" Jos haluat vastata tähän kysymykseen, sinun on tiedettävä mitä tehdä työtä on, eikä se, millaista työtä teet yhdeksästä viiteen.
Fyysikoiden osalta teet työtä (W) kohdistamalla voiman (F) etäisyyden (d) päähän. Lasketaan työ kertomalla voima etäisyydellä:
W = F • d.
Työ liittyy energiaan, ja koska yksi luonnon keskeisimmistä laista on, että energiaa säästetään aina, työ on säilytettävä. Jos hihnapyöräjärjestelmään kohdistuva voima on pienempi kuin kuorman nostamiseen tarvittava voima, jotain on muututtava, jotta tekemäsi työmäärä on yhtä suuri kuin kuorman nostamiseen tarvittava työmäärä.
Muuttuva määrä on etäisyys. Käytä vähemmän voimaa kuorman nostamiseen, kun käytät hihnapyörää, mutta sinun täytyy vetää enemmän köyttä nostaaksesi kuorman tietylle korkeudelle. Jos sinulla on kaksinkertainen hihnapyöräjärjestelmä, sinun on vedettävä kaksinkertainen määrä köyttä; kolminkertaisessa hihnapyöräjärjestelmässä sinun täytyy vetää kolme kertaa niin paljon ja niin edelleen. Itse asiassa jokaiselle hihnapyöräjärjestelmälle voit laskea vetämäsi ylimääräisen köyden määrän laskemalla kuormaa tukevien köysien lukumäärä.
Painon, voiman ja hihnapyörän kuormituksen vähentäminen
Paino ja voima eivät ole erilaisia määriä. Esineen paino on vain voima, joka siihen kohdistuu painovoiman avulla, joten kun nostat esinettä, sinun on kohdistettava painovoimaa vastaava voima. Jos sinulla on yksi hihnapyöräjärjestelmä, hihnapyörä antaa sinun vetää köyttä alas ylöspäin, mikä on ehdottomasti helpompaa, mutta pakottaa käyttämään on edelleen yhtä suuri kuin lastin paino nostat.
Jos lisäät hihnapyörän ensimmäisen alle, silmukoi köyden molemmilla hihnapyörillä ja ripustat kuorman toisesta hihnapyörästä, kuorma tukee nyt kahta köyttä. Tämän uuden, parannetun hihnapyöräjärjestelmän mekaaninen etu on siis 2, ja se tarkoittaa, että joudut vain käyttämään voima, joka on puolet kuorman painosta nostaa se. Suspendoi kolmas hihnapyörä ensimmäisestä, silmuko köysi läpi niin, että kolme köyttä keskeyttää kuorman, ja voima, joka sinun on käytettävä kuorman nostamiseen, on vain kolmasosa sen painosta.
Voitaisiin yleisesti sanoa, että hihnapyörän kuormituksen vähentäminen vastaa kuormaa tukevien köysien lukumäärää, mutta harvoissa käytännöllisissä hihnapyöräjärjestelmissä on enemmän kuin neljä köyttä. Näin ollen suurin mahdollinen hihnapyörän kuormituksen alennus on neljäsosa kuorman painosta. Todellisuudessa todellinen kuormituksen vähennys on hiukan tätä pienempi, koska joudut ottamaan huomioon hihnapyörien kitkan.
Esimerkki hihnapyörän painolaskurista
Oletetaan, että pystyt nostamaan 200 kilon henkilön itse, mutta se on painonnostokykysi raja. Voisitko suunnitella hihnapyöräjärjestelmän 2000 punnan auton nostamiseksi? Todennäköisesti ei, koska edes nelipyöräjärjestelmä vähentäisi painoa vain neljäsosaa, ja se on silti 500 kiloa.
Oletetaan, että voisit kiinnittää pari hihnapyöräjärjestelmiä ja saada ystävän, joka on yhtä vahva kuin sinä, vetämään yhden niistä. Sinulla olisi edelleen vaikeuksia, mutta saatat pystyä tekemään sen, koska jokainen hihnapyörä nostaisi puolet painosta tai 1000 puntaa ja neljäsosa painosta olisi 250 kiloa. Jos lisäisit työhön kolmannen hihnapyörän ja kolmannen henkilön, jokaisen henkilön on kuitenkin käytettävä vain 167 kiloa voimaa, mikä on hyvin heidän kykyjensä mukainen, joten tämä järjestelmä toimisi helposti.
Hihnapyörän painonlaskuri ei riipu siitä, mikä paino nousee ensin, kun köyttä vedetään, koska jos yksi henkilö vetää ennen kuin kaksi muuta tekee, auto ei liiku. Kaikkien kolmen ihmisen on vedettävä samanaikaisesti kuorman jakamiseksi ja painon jakamiseksi tasaisesti kolmen hihnapyörän kesken. Kun kolme ihmistä työskentelevät samanaikaisesti, autossa on käytännössä 12 köyttä, mikä tekee hihnapyöräjärjestelmästä 12 mekaanisen edun ja vähentää ajoneuvon nostamiseen tarvittavaa nettovoimaa 2 000 ÷ 12 = 167 puntaan.
