كيف تعمل الرافعة العلوية - الروافع والبكرات والأسطوانة الهيدروليكية والميزة الميكانيكية
هل سبق لك أن تعجبت من التكنولوجيا الحديثة؟ على الرغم من أن الكثير من التقنيات والآلات الحديثة معقدة للغاية في الواقع ، إلا أن بعضها معقول جدًا في الواقع ، بمجرد التخلص من الأجراس والصفارات.
رافعة البناء ، على سبيل المثال ، هي مثل هذه الآلة. تستخدم الرافعة عمومًا ثلاث آلات بسيطة فقط. الرافعة والبكرة والأسطوانة الهيدروليكية.
رافعة
في هذه المقالة ، سوف ندرس بإيجاز آلية مهمة للغاية في رافعة البناء: الرافعة. ومع ذلك ، ستبحث ثلاث مقالات لاحقة في دور البكرة ، والأسطوانة الهيدروليكية ، ومفهوم الميزة الميكانيكية ، على التوالي ، في رافعات البناء.
لذا ، كيف تعمل الرافعة العلوية؟ إلى حد أكبر أو أقل ، تستخدم معظم الرافعات الرافعة لرفع الأحمال الكبيرة بشكل استثنائي. تعمل جميع الرافعات المثبتة تقريبًا والعديد من الرافعات المتوازنة على زيادة قدرة الرفع إلى أقصى حد باستخدام الرافعة.
تستخدم هذه الرافعات روافع أو أذرع ميكانيكية تزيد من قوتها. على الرغم من أن نظامًا معقدًا من الحبال والسلاسل والبكرات يصاحب عادةً الذراع الميكانيكية ، فإن الرافعة نفسها مجرد آلة بسيطة.
لطالما استخدم القدماء الرافعة في الممارسة لبناء المعابد الكبيرة والآثار والتحصينات. في الواقع ، يؤكد العلماء أن المصريين على الأرجح استخدموا الروافع لبناء الأهرامات العظيمة.
ومع ذلك، يعزو معظم المؤرخين تطوير النظرية الهندسية وراء الرافعة إلى أرخميدس. عاش أرخميدس، عالم الرياضيات والفيلسوف، في اليونان القديمة حوالي القرن الثالث قبل الميلاد. ويُقال إنه قال ذات مرة مازحًا: "أعطوني مكانًا لأقف فيه، وسأحرك الأرض باستخدام رافعة".
الرافعة نفسها عبارة عن قضيب ثابت يرتكز على نقطة ارتكاز أو نقطة ارتكاز. يمكنك الضغط على أحد الطرفين بقوة "جهد" معينة لإنتاج قوة "عمل" ناتجة على الطرف الآخر. عادة ما تحمل قوة العمل أو تمسك بالجسم الذي يتم رفعه.
يصنف العالم جميع الروافع إلى ثلاث مجموعات مختلفة. في روافع الصنف الأول ، تقع نقطة الارتكاز بين الجهد وقوى العمل ، كما هو الحال في لعبة التوازن أو المخل. الروافع من الفئة الثانية هي الرافعات التي تجلس فيها القوة العاملة بين نقطة الارتكاز وقوة الجهد ، مثل عربة اليد. وفي الروافع من الفئة الثالثة ، يتم تطبيق قوة الجهد بين نقطة الارتكاز وقوة العمل ، كما هو الحال في الملاقط.
ولكن ، مرة أخرى ، كيف تعمل الرافعة العلوية؟ كما سنرى مع البكرة والأسطوانة الهيدروليكية ، فإن الرافعة تتلاعب بمفهوم يعرف باسم عزم الدوران. يقيس عزم الدوران المسافة التي يتم خلالها تطبيق القوة ، أو العزم يساوي القوة مضروبة في المسافة.
كما أدرك أرخميدس ، فإن معالجة عزم الدوران توفر قدرات رفع أكبر. على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك لعبة أرجوحة بسيطة في الملعب. يبلغ طول الأرجوحة عشرة أقدام ، وتدور على عمود مباشرة في وسط لوح التأرجح. واحد على الجانب يجلس طفل 200 رطل ، وعلى الجانب الآخر يجلس طفل هزيل 100 رطل.
من المؤكد أن الطفل البدين سوف يدفع جانبه من الأرجوحة إلى الأرض ، بينما يرفع الطفل الهزيل إلى أعلى. بالنسبة للطفل الأصغر ، يجب أن يستخدم 100 رطل إضافية من القوة لمجرد موازنة الأرجوحة!
ولكن ماذا لو كانت لديه قدرات سحرية سمحت له بتمديد جانبه من الأرجوحة بمقدار 5 أقدام أخرى. سيسمح له جانبه البالغ عشرة أقدام من الأرجوحة ، والذي يتناسب مع وزنه البالغ 100 رطل ، بموازنة الأرجوحة. ومن الناحية النظرية ، إذا قام بتمديد جانبه إلى طول أكبر من 10 أقدام ، فإن جانبه سوف يزحف ببطء على الأرض ، ويرفع الطفل البدين عن الأرض.
ولكن كيف تعمل الرافعة العلوية؟ تعمل الرافعة جزئيًا على التحكم في عزم الدوران للسماح للرافعات برفع أحمال ثقيلة جدًا. وكلما وزعت قوة الجهد على مسافات أكبر، كلما قلت قوة "الجهد" المطلوبة لرفع الرفع. لا تساعد الرافعات الأطفال النحيفين فحسب، بل تساعد أيضًا مئات المهندسين والمعماريين وعمال البناء الذين يرفعون أحمالًا ضخمة كل يوم!
ترقبوا الجزء التالي من سلسلتنا "كيف تعمل الرافعة العلوية؟"، حيث سنستكشف دور البكرة. ثم سننتقل إلى الأسطوانة الهيدروليكية ومفهوم الميزة الميكانيكية.
تعمل شركة Barnhart Crane and Rigging دائمًا على رفع مستوى صناعة الرافعات. إذا كنت بحاجة إلى رافعة أو ترغب في معرفة المزيد ، يرجى زيارة صفحات Crane Service and Machinery Moving على موقع الويب Barnhart Crane.
تلاعب البكرة بعزم الدوران
في مقالتي السابقة، طرحت السؤال التالي: كيف تعمل الرافعات العلوية؟ ولحل هذا اللغز، قمت أولاً بالتحقيق في الدور المهم الذي تلعبه الرافعة في الرافعات الإنشائية. اليوم، سنرى أن تلاعب البكرة بعزم الدوران، مثل الرافعة، يزيد من قدرة الرافعة على رفع الأحمال الثقيلة. في المقالات التالية، سنستكشف الأسطوانات الهيدروليكية ومفهوم الميزة الميكانيكية.
وكما حدث مع الرافعة، ينسب العلماء إلى أرخميدس أقدم تطوير نظري للبكرة. فوفقًا لبلوتارش، المؤرخ اليوناني، ادعى أرخميدس أنه يستطيع تحريك العالم إذا كان لديه عدد كافٍ من البكرات، وهو تصريح مشابه جدًا لاقتراحه حول تحريك الأرض باستخدام رافعة. وتستمر القصة عندما يطلب الملك هيرون من أرخميدس تحريك سفينة كبيرة في أسطول هيرون. وفي اليوم المحدد، نصب أرخميدس نظام البكرات الخاص به، وحمل الملك السفينة بالركاب والبضائع، ثم جلس أرخميدس من مسافة بعيدة وسحب الحبل. والنتيجة؟ يوضح بلوتارخ أن السفينة تحركت "بسلاسة وانتظام كما لو كانت في البحر".
بالنسبة للقدماء، كان هذا مجرد بدعة، ولكن اليوم أصبح هذا علمًا أساسيًا. ولشرح ذلك بشكل تقريبي، توزع البكرات الوزن عبر أجزاء مختلفة من الحبل لتسهيل رفع الأشياء الثقيلة. لنفترض أن شخصًا لديه شيء كبير يريد رفعه. يمد يده ويحاول رفعه بقوته الخاصة، لكنه لا يستطيع فعل ذلك. لتسهيل ذلك، يربط بكرة بالحمل الكبير. ثم يربط حبلًا بالسقف ويسحب ذلك الحبل عبر البكرة. بعد ذلك، يرفع الحبل لأعلى، وأخيراً يرفع الشيء. يمكن للمرء أن يفعل ذلك لأن الحبل الموجود على السقف يوفر نصف القوة اللازمة لرفع الشيء بينما يطبق الشخص النصف الآخر.
لكن لماذا يحدث هذا؟ توزع البكرة الوزن عبر جزأين من الحبل ، جانب الحبل الممتد من السقف إلى البكرة والجانب الآخر من الحبل من البكرة إلى الرافعة. هذا التوزيع هو معالجة لعزم الدوران ، حيث يوزع الرافع القوة عبر مسافة أطول. يساعد السقف ، صدق أو لا تصدق ، المرء على رفع الجسم ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أننا نستفيد من قدرة الرفع لهيكل السقف الذي يرفع السقف ، مما يسمح للرافع بالقيام بنصف العمل فقط. يمكن للمرء أن يستمر في جعل المصعد أسهل عن طريق إضافة المزيد من البكرات وإلى أماكن مختلفة ، لكن الرياضيات تصبح أكثر تعقيدًا بعض الشيء. ومع ذلك ، فإن القاعدة العامة هي كما يلي: كلما زاد عدد البكرات ، زادت القوة.
ونتيجة لذلك ، فإن التكوينات المختلفة للبكرات تجعل الرفع أسهل. توجد ثلاثة أنواع من التكوينات أو أنواع البكرات. تصف البكرة الثابتة نظام البكرة حيث يكون المحور أو العجلة ثابتًا أو ثابتًا. النوع الثاني عبارة عن بكرة متحركة ، حيث يمكن للمحور أو العجلة التحرك بحرية. والنوع الثالث عبارة عن بكرة مدمجة ، يتم فيها استخدام كل من البكرات الثابتة والمتحركة. تسمح البكرات الثابتة بتكوين أسهل ، لكن البكرات المتحركة تضاعف القوة المطبقة ، مما يجعل العمل أسهل. تتطلب المواقف المختلفة أنواعًا مختلفة من البكرات ، كما كان الحال مع الرافعة.
لكن كيف ينطبق هذا على الرافعات؟ حسنًا ، تستخدم جميع الرافعات تقريبًا البكرات ، ولكن التطبيق الأكثر شيوعًا للبكرات في الرافعات يحدث في الرافعات الذراعية. تحتوي الرافعات الذراعية على أسلاك تلتف حول البكرات والحمل. كلما قمت بلف الأسلاك من خلال الاثنين ، زادت قدرة الرفع.
في المقطع التالي من كيف تعمل الرافعات؟ سوف أوجز أهمية الأسطوانة الهيدروليكية ، وبعد ذلك سأختتم بمقال لاحق ونهائي حول دور الميزة الميكانيكية.
الاسطوانة الهيدروليكية والميزة الميكانيكية
الآن إلى الجزء الثالث من سلسلتنا حول العلم وراء رافعات البناء ، حيث سننظر في دور الأسطوانة الهيدروليكية. يصف الجزآن الأولان بإيجاز كيف تساهم الروافع والبكرات ، على التوالي ، في قوة الرفع في الرافعات. ستنظر المقالة اللاحقة والأخيرة في أهم مبدأ علمي في تعظيم قوة الرفع: الميزة الميكانيكية.
إذن ما هي الاسطوانة الهيدروليكية؟ الإجابة البسيطة هي أسطوانة محكمة الغلق ، أو منشور دائري ، ممتلئ بالكامل بنوع من السوائل ، عادة ما يكون الزيت ، بفتحتين لمكبسين. يمكن توصيل المكابس بالأسطوانة بتكوينات مختلفة.
إذا افترضنا أن المكابس لها نفس الحجم في الأسطوانة الهيدروليكية ولا يوجد احتكاك ، فعند ضغط أحد المكابس لأسفل ، سيرتفع الآخر لأعلى بنفس القوة والسرعة والمسافة. لذلك ، إذا ضغط أحد المكبس لأسفل بمقدار 2 سم ، يجب أن يضغط المكبس الآخر لأعلى بمقدار 2 سم.
تتيح لك ميزة هذا النظام إعادة توجيه القوات بسهولة. يمكن للمكبس المتصل أفقيًا أن يحرك مكبسًا آخر متصلًا عموديًا ، في حين أن الآلات الأخرى لا تسمح بمثل هذه الترجمة السهلة للاتجاه ، كما رأينا مع البكرات والرافعات. باستخدام الرافعات والبكرات ، ستؤدي القوة لأسفل إلى تحرك بعض القوة لأعلى ، والعكس صحيح ، وستؤدي القوة الموجودة جهة اليمين إلى قوة في اليسار ، والعكس صحيح. يمكن أن تسمح الأسطوانة الهيدروليكية بنقل قوة في اتجاه واحد إلى أي اتجاه محتمل ، لأعلى أو لأسفل أو للأمام أو للخلف أو لليمين أو لليسار.
من ناحية أخرى ، يمكن للأسطوانة الهيدروليكية مضاعفة القوى عن طريق زيادة عزم الدوران ، كما رأينا مع الرافعة والبكرة. إذا كانت مساحة أحد المكابس 6 وحدات مربعة ، ومكبس آخر به وحدتان مربعتان ، فإن القوة التي تدفع لأسفل على المكبس الأصغر ستظهر أكبر بثلاث مرات على المكبس الأكبر. على سبيل المثال ، إذا دفع المرء المكبس المكون من وحدتين مربعة لأسفل بقوة 500 رطل ، فإن المكبس المكون من 6 وحدات مربعة يتلقى دفعة بقوة 1500 رطل. ومع ذلك ، فإن المسافة التي يتحرك بها المكبس الأكبر ستكون 3 مرات أقل من المسافة التي يتحركها المكبس الأصغر لتوليد 1500 رطل من القوة.
كما هو الحال أيضًا مع الرافعة والبكرة ، تستخدم جميع الرافعات تقريبًا الأسطوانة الهيدروليكية بشكل أو بآخر. قد تستخدم الرافعة أسطوانة هيدروليكية لرفع الحمولة مباشرة ، ولكن يمكن استخدام هيدروليكي لتخفيف ذراع الرافعة أو تحريك ذراع الرافعة أو الشعاع الذي يحمل آلية الرفع.
في الختام، فإن الأسطوانة الهيدروليكية تشبه إلى حد كبير البكرة والرافعة بسبب استخدامها المتكرر في الرافعات ومعالجتها لعزم الدوران. ومع ذلك، تتميز الأسطوانة الهيدروليكية بقدرتها على إعادة توجيه القوى إلى مستويات مختلفة. ومع ذلك، فإن الثلاثة، الرافعة والبكرة والأسطوانة الهيدروليكية، تعمل مجتمعة على تعظيم الميزة الميكانيكية في رفع الأشياء الكبيرة. في الجزء التالي، سوف نفحص بالضبط ما هي الميزة الميكانيكية وكيف يتم تطبيقها على الرافعات.
زورا تشاو
خبير في حلول الرافعات العلوية/الرافعات الجسرية/الرافعات الجيبية/أجزاء الرافعات
مع ما يزيد عن 10 سنوات من الخبرة في مجال تصدير Crane Overseas، ساعدت أكثر من 10,000 عميل في الإجابة على أسئلتهم واهتماماتهم قبل البيع، وإذا كانت لديك أي احتياجات ذات صلة، فلا تتردد في الاتصال بي!