オーバーヘッドクレーンのしくみ - レバー、プーリー、油圧シリンダー、メカニカルアドバンテージ
皆さんは、現代のテクノロジーに驚嘆したことがありますか？現代の技術や機械は、実はとても複雑なものが多いのですが、中には、装飾を除けば、とても理にかなったものもあるのです。
例えば、建設用クレーンはそのような機械である。クレーンには、一般に3つの単純機械しか使われていない。レバー、プーリー、そして油圧シリンダーである。
レバー
今回は、建設用クレーンの中で非常に重要な機構である「てこ」について簡単に説明する。しかし、この後3回にわたって、プーリー、油圧シリンダー、機械的優位性の概念について、それぞれ建設用クレーンの役割について考察する予定である。
では、天井クレーンの仕組みはどうなっているのだろうか。ほとんどのクレーンは、多かれ少なかれ、テコの原理を利用して非常に大きな荷を吊り上げています。ほとんどの据付型クレーンとバランス型クレーンは、テコの原理で吊り上げ能力を最大限に高めています。
このクレーンは、レバーと呼ばれる機械的な腕で強度を高めている。ロープやチェーン、滑車など複雑な機構を伴うことが多いが、レバー自体は単純な機械である。
古代の人々は、大きな神殿やモニュメント、要塞などを建設するために、実際にレバーを使用してきたのである。実際、エジプトでは大ピラミッドの建設にレバーが使われた可能性が高いと学者たちは主張している。
しかし、ほとんどの歴史家は、てこの背後にある幾何学理論の発展はアルキメデスによるものだと考えています。数学者であり哲学者でもあったアルキメデスは、紀元前 3 世紀頃の古代ギリシャに住んでいました。彼はかつて、「私に立つ場所を与えてくれれば、てこの力で地球を動かしてみせる」と冗談を言ったと言われています。
レバー自体は、ピボット ポイントまたは支点に載っている安定したバーです。片方の端を「努力」の力で押し下げると、もう一方の端に「仕事」の力が生じます。仕事の力は通常、持ち上げる物体を運んだり保持したりするために使われます。
科学者は、すべてのレバーを3つのグループに分類しています。クラス1のレバーは、シーソーやバールのように、支点が努力力と仕事力の間に位置する。第二種レバーは、手押し車のように、支点と努力力の間に仕事力があるレバーである。そして、第3種レバーは、ピンセットのように支点と仕事力の間に努力力が働くものである。
しかし、繰り返しになるが、天井クレーンの仕組みはどうなっているのだろうか。プーリーや油圧シリンダーでわかるように、レバーはトルクという概念を操作しています。トルクとは、力のかかる距離のことで、トルク＝力×距離となります。
アルキメデスは、トルクを操作することで、より大きな持ち上げ能力が得られることを理解した。例えば、運動場にある簡単なシーソーを考えてみよう。シーソーの長さは10フィートで、シーソー盤の中央にある棒で回転するようになっている。片方には200ポンドの子供が座り、反対側には100ポンドの痩せた子供が座っている。
太っている子は自分の側を地面に押し付け、痩せている子は体を起こします。小柄な子供は、シーソーのバランスをとるために、100ポンドの力を加えなければならないのです。
しかし、もし彼が、シーソーの自分の側をあと5フィート伸ばすことができる魔法のような能力を持っていたらどうだろう。10フィートのシーソーの側面と、100ポンドの体重を合わせれば、シーソーのバランスをとることができるだろう。そして、理論的には、もし彼が自分の側を10フィート以上伸ばしたら、彼の側はゆっくりと地面を這い、太った子供を地面から浮かせることができる。
では、もう一度、天井クレーンの仕組みについて考えてみましょう。レバーは、クレーンが非常に重い荷物を持ち上げられるように、トルクを部分的に操作します。力をより遠くに分散させるほど、持ち上げるのに必要な「力」は少なくなります。レバーは、やせっぽちの子供だけでなく、毎日巨大な荷物を持ち上げる何百人ものエンジニア、建築家、建設作業員にも役立ちます。
「天井クレーンの仕組み」シリーズの次のセクションでは、滑車の役割について説明します。その後、油圧シリンダーと機械的利点の概念について説明します。
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滑車のトルク操作
前回の記事では、天井クレーンはどのように機能するのかという疑問を提起しました。この謎を解くために、まず建設用クレーンにおけるレバーの重要な役割について調査しました。今日は、レバーと同様に滑車によるトルク操作によってクレーンの重量物の持ち上げ能力が向上することを説明します。次の記事では、油圧シリンダーと機械的利点の概念について説明します。
てこと同様、学者たちは滑車の最も初期の理論的発展をアルキメデスの功績だとしている。ギリシャの歴史家プルタルコスによると、アルキメデスは十分な数の滑車があれば世界を動かすことができると主張したが、これはてこで地球を動かすという彼の提案と非常によく似ている。物語は続き、シラクサのヒエロン王がアルキメデスにヒエロン海軍の大型船を動かすよう依頼する。指定された日にアルキメデスは滑車システムをセットアップし、王は船に乗客と貨物を満載し、アルキメデスは離れたところに座ってロープを引っ張った。その結果は？プルタルコスは船が「まるで海中を走っていたかのように滑らかに均一に」動いたと説明している。
古代人にとっては、これは単なる目新しいものでしたが、今日では、これは基礎科学です。大まかに説明すると、滑車はロープの異なるセグメントに重量を分散させ、重い物を持ち上げやすくします。持ち上げたい大きな物があるとします。手を伸ばして自分の力で持ち上げようとしますが、できません。これを簡単にするために、大きな荷物に滑車を取り付けます。次に、天井にロープを取り付け、そのロープを滑車に通します。次に、ロープを持ち上げ、最終的に物を持ち上げます。これができるのは、天井のロープが物を持ち上げるのに必要な力の半分を供給し、もう半分の力を加えるからです。
しかし、なぜこのようなことが起こるのでしょうか。プーリーは、天井からプーリーまでのロープと、プーリーからリフターまでのロープの2つの部分に重量を分散させるのです。この分配は、リフターがより長い距離に力を分散させるので、トルクの操作になります。天井は、意外かもしれませんが、天井を支えている天井構造の吊り上げ能力を利用して、リフターの仕事を半分に減らしていることもあり、物を持ち上げるのに役立っているのです。さらに滑車を増やしたり、場所を変えたりして、より簡単に持ち上げることができますが、計算が少し複雑になります。しかし、一般的には、滑車の数が多ければ多いほど、パワーが増すということになる。
プーリーの構成が異なると、結果的にリフティングがしやすくなるのです。プーリーの構成、つまり種類は3種類存在します。固定プーリは、車軸または車輪が固定、または不動であるプーリーシステムを説明します。第二のタイプは、車軸または車輪が自由に約移動することができ、可動プーリー、です。そして第三のタイプは、固定プーリと可動プーリの両方が使用されている複合プーリです。固定プーリは形状を整えやすく、可動プーリはかかる力を倍増させ、作業をしやすくする。レバーのように、状況に応じて滑車の種類を使い分けるのである。
しかし、これがクレーンに当てはめるとどうなるのだろうか。ほとんどのクレーンは滑車を使っていますが、滑車の最も一般的な用途はジブクレーンにあります。ジブクレーンの場合、滑車と荷物の間にワイヤーを巻き付けます。この2つのワイヤーを巻きつければ巻きつけるほど、吊り上げ能力は高くなる。
次回は、「クレーンのしくみ」です。では、油圧シリンダーの重要性について概説し、その後に機械的な優位性の役割について最終回を予定しています。
油圧シリンダーと機械的優位性
さて、建設用クレーンを科学するシリーズの第3回は、「油圧シリンダー」の役割について考えてみたいと思います。前2回では、クレーンの吊り上げ力について、レバーとプーリーそれぞれについて簡単に説明しました。最終回となる今回は、吊り上げ力を最大化するための最も重要な科学的原理である「機械的優位性」について考えてみたいと思います。
では、油圧シリンダーとは何でしょうか？答えは簡単で、ある種の液体（通常は油）で完全に満たされ、2つのピストン用の開口部を持つ密閉されたシリンダー、または円柱である。ピストンは、さまざまな形状でシリンダーに接続されている。
油圧シリンダーのピストンの大きさが同じで、摩擦がないとすると、一方のピストンを下に押すと、もう一方のピストンは同じ力、速度、距離で上に上がることになる。つまり、一方のピストンを2cm下方に押し下げると、もう一方のピストンは2cm上方に押し下げられるはずである。
このシステムの利点は、力の方向を簡単に変えることができることです。水平に取り付けたピストンを垂直に取り付けた別のピストンを動かすことができる。他の機械では、プーリーやレバーで見たように、このように簡単に方向を変換することはできない。レバーやプーリーでは、下に向かう力は上に向かう力となり、逆に右に向かう力は左に向かう力となります。油圧シリンダーは、ある方向の力を、上下前後左右のあらゆる方向に伝えることができる。
一方、油圧シリンダーは、レバーとプーリーで見たように、トルクを最大化することで力を倍増させることができます。あるピストンの面積が6角、別のピストンの面積が2角だとすると、小さい方のピストンを押し下げる力は、大きい方のピストンの3倍に見える。例えば、2平方ユニットのピストンを500ポンドの力で押し下げると、6平方ユニットのピストンは1500ポンドの力で押されることになる。しかし、大きい方のピストンが動く距離は、小さい方のピストンが1500ポンドの力を出すために動いた距離の3倍にもならない。
また、レバーやプーリーと同様に、ほとんどのクレーンが何らかの形で油圧シリンダーを利用している。クレーンは油圧シリンダを使って直接荷物を持ち上げることもあるが、クレーンアームを伸展させたり、リフティング機構を搭載するジブやビームを動かすために油圧を使用することもある。
結論として、油圧シリンダーは、クレーンで頻繁に使用され、トルクを操作する点で、滑車やレバーとよく似ています。しかし、油圧シリンダーは、力を異なる平面にリダイレクトする機能によって他とは一線を画しています。ただし、レバー、滑車、油圧シリンダーの 3 つすべてが、大きな物体を持ち上げる際の機械的利点を最大化します。次回の記事では、機械的利点とは何か、そしてそれがクレーンにどのように適用されるかについて詳しく説明します。
ゾラ・ジャオ
天井クレーン/ガントリークレーン/ジブクレーン/クレーン部品ソリューションのエキスパート
クレーン海外輸出業界で 10 年以上の経験があり、10,000 人以上の顧客の販売前の質問や懸念事項を解決してきました。関連するニーズがございましたら、お気軽にご連絡ください。