Come funzionano le gru a ponte - leve, pulegge, cilindro idraulico e vantaggio meccanico

Vi siete mai meravigliati della tecnologia moderna? Anche se molte tecnologie e macchinari moderni sono, di fatto, molto complicati, alcuni sono in realtà molto sensati, una volta che si eliminano i campanelli e i fischietti.
La gru edile, per esempio, è una macchina di questo tipo. La gru impiega generalmente solo tre macchine semplici. La leva, la puleggia e il cilindro idraulico.

Leva

In questo articolo, esamineremo brevemente un meccanismo molto importante nella gru da cantiere: la leva. Tre articoli successivi, invece, indagheranno il ruolo della puleggia, del cilindro idraulico e il concetto di vantaggio meccanico, rispettivamente, nelle gru edili.

Quindi, come funzionano le gru a ponte? In misura maggiore o minore, la maggior parte delle gru utilizza la leva per sollevare carichi eccezionalmente grandi. Quasi tutte le gru montate e molte gru bilanciate massimizzano la capacità di sollevamento con la leva.

Queste gru usano leve, o bracci meccanici, che ne aumentano la forza. Anche se un complesso sistema di corde, catene e carrucole di solito accompagna il braccio meccanico, la leva stessa è solo una macchina semplice.

Gli antichi hanno usato a lungo la leva in pratica per costruire grandi templi, monumenti e fortificazioni. Infatti, gli studiosi sostengono che gli egiziani molto probabilmente usarono le leve per costruire le Grandi Piramidi.

Tuttavia, la maggior parte degli storici attribuisce ad Archimede lo sviluppo della teoria geometrica dietro la leva. Archimede, matematico e filosofo, visse nell'antica Grecia intorno al III secolo a.C. Presumibilmente, una volta scherzò: "Dammi un posto dove stare e sposterò la Terra con una leva".

La leva stessa è una barra stabile che poggia su un punto di articolazione o fulcro. È possibile premere su un'estremità con una certa forza di "sforzo" per produrre una forza di "lavoro" risultante sull'altra estremità. La forza lavoro solitamente trasporta o trattiene l'oggetto sollevato.

Gli scienziati classificano tutte le leve in tre gruppi diversi. Nelle leve di classe uno, il fulcro si trova tra la forza di sforzo e quella di lavoro, come in un'altalena o un piede di porco. Le leve di classe due sono leve in cui la forza lavoro si trova tra il fulcro e la forza di sforzo, come una carriola. E nelle leve di classe tre, la forza di sforzo è applicata tra il fulcro e la forza di lavoro, come nelle pinzette.

Ma, di nuovo, come funzionano i carriponte? Come vedremo con la puleggia e il cilindro idraulico, la leva manipola un concetto noto come coppia. La coppia misura la distanza sulla quale viene applicata una forza, o la coppia è uguale alla forza per la distanza.

Come Archimede capì, la manipolazione della coppia fornisce maggiori capacità di sollevamento. Per esempio, consideriamo una semplice altalena in un parco giochi. L'altalena è lunga tre metri e ruota su una barra direttamente al centro della tavola dell'altalena. Su un lato siede un bambino di 200 libbre, e sul lato opposto siede un bambino di 100 libbre più scarso.

Il bambino più grasso spingerà certamente il suo lato dell'altalena a terra, mentre il bambino magro si solleva. Per il bambino più piccolo, si devono applicare 100 libbre di forza in più solo per bilanciare l'altalena!

Ma cosa succederebbe se avesse delle abilità magiche che gli permettessero di estendere il suo lato dell'altalena di altri 5 piedi. Il suo lato di tre metri dell'altalena, abbinato al suo peso di 100 libbre, gli permetterebbe di bilanciare l'altalena. E, teoricamente, se avesse esteso il suo lato ad una lunghezza maggiore di 10 piedi, il suo lato avrebbe lentamente strisciato il terreno, sollevando il ragazzo più grasso da terra.

Ma, ancora una volta, come funzionano i carriponte? La leva, in parte, manipola la coppia consentendo alle gru di sollevare carichi molto pesanti. Più si distribuisce lo sforzo su distanze maggiori, minore sarà lo “sforzo” richiesto per eseguire il sollevamento. Le leve non aiutano solo i bambini magri, ma anche centinaia di ingegneri, architetti e operai edili che sollevano carichi giganteschi ogni giorno!
Restate sintonizzati per il prossimo segmento della nostra serie "Come funziona il carroponte?", quando esploreremo il ruolo della puleggia. Successivamente passeremo al cilindro idraulico e al concetto di vantaggio meccanico.

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La manipolazione della coppia da parte della puleggia

Nel mio ultimo articolo ho posto la domanda: come funzionano i carroponti? Per risolvere questo enigma, ho prima indagato sul ruolo significativo della leva nelle gru edili. Oggi vedremo che la manipolazione della coppia da parte della puleggia, come la leva, aumenta la capacità di una gru di sollevare carichi pesanti. Nei seguenti articoli esploreremo i cilindri idraulici e il concetto di vantaggio meccanico.

Come per la leva, gli studiosi attribuiscono ad Archimede il primo sviluppo teorico della puleggia. Secondo Plutarco, uno storico greco, Archimede affermò che avrebbe potuto muovere il mondo se avesse avuto abbastanza pulegge, un'affermazione molto simile alla sua proposta di spostare la Terra con una leva. La storia continua quando il re Gerone di Siracusa chiede ad Archimede di spostare una grande nave nella marina di Gerone. Nel giorno stabilito, Archimede allestì il suo sistema di carrucole, il Re caricò la nave piena di passeggeri e merci, poi Archimede si sedette da lontano e tirò la corda. Il risultato? Plutarco spiega che la nave si muoveva “in modo fluido e uniforme come se fosse stata in mare”.

Per gli antichi questa era una semplice novità, ma oggi questa è la scienza di base. Per spiegarlo in modo semplice, le pulegge distribuiscono il peso attraverso diversi segmenti di corda per facilitare il sollevamento di oggetti pesanti. Diciamo che uno ha un oggetto di grandi dimensioni che desidera sollevare. Si abbassa e tenta di sollevarlo con le proprie forze, ma non ci riesce. Per renderlo più semplice, attacca una puleggia al grande carico. Poi attacca una corda al soffitto e la tira attraverso la carrucola. Successivamente si solleva con la corda e infine solleva l'oggetto. È possibile farlo perché la corda sul soffitto fornisce metà della forza necessaria per sollevare l'oggetto mentre si applica l'altra metà.

Ma perché questo accade? La carrucola distribuisce il peso su due segmenti di corda, il lato della corda dal soffitto alla carrucola e l'altro lato della corda dalla carrucola al sollevatore. Questa distribuzione è una manipolazione della coppia, poiché il sollevatore distribuisce la forza su una distanza maggiore. Il soffitto, che ci crediate o no, aiuta a sollevare l'oggetto, in parte perché capitalizziamo la capacità di sollevamento della struttura del soffitto che lo sostiene, permettendo così al sollevatore di fare solo metà del lavoro. Si può continuare a rendere il sollevamento più facile aggiungendo più carrucole e in posti diversi, ma la matematica diventa un po' più complicata. Tuttavia, la regola generale è la seguente: più carrucole, più potenza.

Diverse configurazioni di carrucole, di conseguenza, rendono il sollevamento più facile. Esistono tre tipi di configurazioni, o tipi, di pulegge. Una puleggia fissa descrive un sistema di pulegge in cui l'asse o la ruota sono fissi, o immobili. Il secondo tipo è una puleggia mobile, dove l'asse o la ruota può muoversi liberamente. E il terzo tipo è una puleggia combinata, in cui vengono usate sia pulegge fisse che mobili. Le pulegge fisse permettono una configurazione più semplice, ma le pulegge mobili moltiplicano la forza applicata, il che rende il lavoro più facile. Situazioni diverse richiedono diversi tipi di pulegge, come nel caso della leva.

Ma come si applica questo alle gru? Beh, quasi tutte le gru usano pulegge, ma l'applicazione più comune delle pulegge nelle gru si verifica nelle gru a bandiera. Le gru a bandiera hanno fili che si avvolgono intorno alle pulegge e al carico. Più si avvolgono i fili attraverso i due, maggiore è la capacità di sollevamento.

Nel prossimo segmento di Come funzionano le gru? illustrerò l'importanza del cilindro idraulico, dopo di che, concluderò con un articolo successivo e finale sul ruolo del vantaggio meccanico.

Cilindro idraulico e vantaggio meccanico

Ora alla terza parte della nostra serie sulla scienza dietro le gru da costruzione, in cui considereremo il ruolo del cilindro idraulico. Le prime due parti hanno descritto brevemente come le leve e le pulegge, rispettivamente, contribuiscono alla forza di sollevamento nelle gru. L'articolo successivo e finale considererà forse il principio scientifico più importante per massimizzare la forza di sollevamento: il vantaggio meccanico.

Cos'è dunque un cilindro idraulico? La risposta semplice è un cilindro sigillato, o un prisma circolare, che è completamente riempito con qualche tipo di liquido, normalmente un olio, con due aperture per due pistoni. I pistoni possono essere collegati al cilindro in varie configurazioni.

Se supponiamo che i pistoni siano della stessa dimensione in un cilindro idraulico e che non ci sia attrito, quando un pistone viene premuto verso il basso, l'altro salirà verso l'alto con la stessa forza, velocità e distanza. Quindi, se si comprime un pistone verso il basso di due centimetri, l'altro pistone dovrebbe abbassarsi verso l'alto di due centimetri.
Il vantaggio di questo sistema permette di reindirizzare facilmente le forze. Un pistone attaccato orizzontalmente può muovere un altro pistone attaccato verticalmente, mentre altre macchine non permettono una così facile traslazione di direzione, come abbiamo visto con le pulegge e le leve. Con le leve e le carrucole, una forza verso il basso risulterà in una forza che si muove verso l'alto, e viceversa, e una forza verso destra risulterà in una forza verso sinistra, e viceversa. Il cilindro idraulico può permettere che una forza in una direzione sia trasferita in qualsiasi direzione possibile, su, giù, avanti, indietro, a destra o a sinistra.

D'altra parte, il cilindro idraulico può moltiplicare le forze massimizzando la coppia, come abbiamo visto con la leva e la puleggia. Se un pistone ha un'area di 6 unità quadrate, e un altro pistone ha un'area di 2 unità quadrate, allora la forza che spinge verso il basso il pistone più piccolo apparirà 3 volte maggiore sul pistone più grande. Per esempio, se si spinge il pistone di 2 unità quadrate con una forza di 500 libbre, allora il pistone di 6 unità quadrate riceve una spinta con una forza di 1500 libbre. Tuttavia, la distanza in cui si muove il pistone più grande sarà 3 volte inferiore alla distanza in cui si è mosso il pistone più piccolo per creare 1500 libbre di forza.

Anche simile alla leva e alla puleggia, quasi tutte le gru utilizzano il cilindro idraulico in qualche forma o modo. La gru può usare un cilindro idraulico per sollevare direttamente il carico, ma un idraulico può essere usato per estendere un braccio della gru o muovere un braccio o una trave che porta il meccanismo di sollevamento.

In conclusione, il cilindro idraulico è molto simile alla puleggia e alla leva per il suo uso frequente nelle gru e per la manipolazione della coppia. Tuttavia, il cilindro idraulico si distingue per la sua capacità di reindirizzare le forze su piani diversi. Tuttavia, tutti e tre, la leva, la puleggia e il cilindro idraulico, massimizzano collettivamente il vantaggio meccanico nel sollevamento di oggetti di grandi dimensioni. Nella prossima puntata esamineremo esattamente cos'è il vantaggio meccanico e come viene applicato alle gru.

Zora Zhao

Esperto in soluzioni per gru a ponte/gru a cavalletto/gru a bandiera/parti di gru

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