Como funcionam as pontes rolantes - Alavancas, Polias, Cilindro Hidráulico e Vantagem Mecânica

Você já se maravilhou com a tecnologia moderna? Embora muitas tecnologias e máquinas modernas sejam, de fato, muito complicadas, algumas são, na verdade, muito sensatas, uma vez que você apaga os sinos e assobios.
A grua de construção, por exemplo, é uma máquina desse tipo. O guindaste geralmente emprega apenas três máquinas simples. A alavanca, a polia e o cilindro hidráulico.

Alavanca

Neste artigo, vamos examinar brevemente um mecanismo muito importante na grua de construção: a alavanca. Três artigos subseqüentes, entretanto, investigarão o papel da polia, do cilindro hidráulico e o conceito de vantagem mecânica, respectivamente, em guindastes de construção.

Então, como funciona a ponte rolante? Em maior ou menor grau, a maioria dos guindastes utiliza a alavanca para levantar cargas excepcionalmente grandes. Quase todos os guindastes montados e muitos guindastes balanceados maximizam a capacidade de elevação com a alavanca.

Estes guindastes utilizam alavancas, ou braços mecânicos, que aumentam sua resistência. Embora um sistema complexo de cordas, correntes e roldanas geralmente acompanhem o braço mecânico, a própria alavanca é apenas uma simples máquina.

Os antigos usavam há muito tempo a alavanca na prática para construir grandes templos, monumentos e fortificações. De fato, os estudiosos argumentam que os egípcios muito provavelmente usavam alavancas para construir as Grandes Pirâmides.

No entanto, a maioria dos historiadores atribui o desenvolvimento da teoria geométrica por trás da alavanca a Arquimedes. Arquimedes, um matemático e filósofo, viveu na Grécia Antiga por volta do terceiro século a.C. Supostamente, ele certa vez gracejou: "Dê-me um lugar para ficar de pé, e eu moverei a Terra com uma alavanca."

A alavanca em si é uma barra estável que repousa sobre um ponto de articulação, ou fulcro. Você pode pressionar para baixo em uma extremidade com alguma força de “esforço” para produzir alguma força de “trabalho” resultante na outra extremidade. A força de trabalho geralmente carrega ou segura o objeto que está sendo levantado.

Os cientistas classificam todas as alavancas em três grupos diferentes. Na classe um, o ponto de apoio se encontra entre o esforço e as forças de trabalho, como em um balancim ou pé-de-cabra. Na classe duas alavancas são alavancas nas quais a força de trabalho se encontra entre o ponto de apoio e a força de esforço, como em um carrinho de mão. E na classe três alavancas, a força de esforço é aplicada entre o ponto de apoio e a força de trabalho, como em uma pinça.

Mas, novamente, como funciona a ponte rolante? Como veremos com a polia e o cilindro hidráulico, a alavanca manipula um conceito conhecido como torque. O torque mede a distância sobre a qual uma força é aplicada, ou o torque é igual à distância força vezes a distância.

Como Arquimedes percebeu, a manipulação do torque proporciona maior capacidade de elevação. Por exemplo, considere um simples balançar em um playground. O balancim em três metros de comprimento, e gira sobre uma barra diretamente no centro da prancha do balancim. Um de lado senta um garoto de 200 libras, e do lado oposto senta um garoto de 100 libras.

O garoto mais gordo certamente empurrará seu lado da serra para o chão, enquanto o garoto magricela se levanta. Para a criança menor, o garoto deve aplicar uma força extra de 100 libras para apenas equilibrar o balancim!

Mas e se ele tivesse habilidades mágicas que lhe permitissem estender seu lado do balancim por mais 5 pés. Seu lado de dez pés do balancim, igualado com seu peso de 100 libras, lhe permitiria equilibrar o balancim. E, teoricamente, se ele estendesse seu lado a um comprimento superior a 3 metros, seu lado rastejaria lentamente o chão, levantando o garoto mais gordo do chão.

Mais uma vez, como funcionam as pontes rolantes? A alavanca, em parte, manipula o torque permitindo que as pontes rolantes levantem cargas muito pesadas. Quanto mais você distribuir a força de esforço por distâncias maiores, menos força de "esforço" será necessária para fazer o levantamento. As alavancas não ajudam apenas crianças magricelas, mas também centenas de engenheiros, arquitetos e trabalhadores da construção civil que levantam cargas gigantescas todos os dias!
Fique ligado no próximo segmento da nossa série “Como funcionam as pontes rolantes?”, quando exploraremos o papel da polia. Depois, passaremos para o cilindro hidráulico e o conceito de vantagem mecânica.

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A manipulação do torque pela polia

No meu último artigo, fiz a pergunta: como funcionam os guindastes de ponte rolante? Para resolver esse enigma, primeiro investiguei o papel significativo da alavanca em guindastes de construção. Hoje, veremos que a manipulação do torque pela polia, assim como a alavanca, aumenta a capacidade do guindaste de levantar cargas pesadas. Nos artigos seguintes, exploraremos os cilindros hidráulicos e o conceito de vantagem mecânica.

Assim como com a alavanca, os estudiosos atribuem a Arquimedes o primeiro desenvolvimento teórico da polia. De acordo com Plutarco, um historiador grego, Arquimedes afirmou que poderia mover o mundo se tivesse polias suficientes, uma declaração muito semelhante à sua proposta sobre mover a Terra com uma alavanca. A história continua quando o rei Hieron de Siracusa pede a Arquimedes para mover um grande navio na marinha de Hieron. No dia marcado, Arquimedes montou seu sistema de polias, o rei carregou o navio com passageiros e carga, e então Arquimedes sentou-se à distância e puxou a corda. O resultado? Plutarco explica que o navio se moveu "tão suave e uniformemente como se estivesse no mar".

Para os antigos, isso era uma mera novidade, mas hoje, isso é ciência básica. Para explicar de forma grosseira, polias distribuem peso por diferentes segmentos de corda para facilitar o levantamento de objetos pesados. Digamos que alguém tem um objeto grande que deseja levantar. Ele se abaixa e tenta levantá-lo com sua própria força, mas não consegue. Para facilitar, ele prende uma polia à carga grande. Então, ele prende uma corda ao teto e puxa essa corda pela polia. Em seguida, ele levanta a corda e, finalmente, levanta o objeto. Pode-se fazer isso porque a corda no teto fornece metade da força necessária para levantar o objeto enquanto se aplica a outra metade.

Mas por que isso acontece? A polia distribui o peso por dois segmentos de corda, o lado da corda do teto para a polia e o outro lado da corda da polia para o elevador. Esta distribuição é uma manipulação de torque, já que o elevador espalha a força por uma distância maior. O teto, acredite ou não, ajuda a levantar o objeto, em parte porque capitalizamos a capacidade de elevação da estrutura do teto que segura o teto, permitindo assim que o elevador faça apenas a metade do trabalho. Pode-se continuar facilitando o elevador adicionando mais polias e para lugares diferentes, mas a matemática se torna um pouco mais complicada. Entretanto, a regra geral é a seguinte: quanto mais roldanas, mais potência.

Diferentes configurações de roldanas, como resultado, facilitam o levantamento. Existem três tipos de configurações, ou tipos, de roldanas. Uma polia fixa descreve um sistema de polias onde o eixo ou roda é fixo, ou imóvel. O segundo tipo é uma polia móvel, onde o eixo ou a roda pode se mover livremente. E o terceiro tipo é uma polia combinada, na qual tanto polias fixas como móveis são utilizadas. As polias fixas permitem uma configuração mais fácil, mas as polias móveis multiplicam a força aplicada, o que torna o trabalho mais fácil. Situações diferentes exigem tipos diferentes de polias, como foi o caso com a alavanca.

Mas como isso se aplica a guindastes? Bem, quase todos os guindastes usam polias, mas a aplicação mais comum de polias em guindastes ocorre em guindastes de lança. Os guindastes de lança possuem arames que envolvem as polias e a carga. Quanto mais você enrola os fios através dos dois, maior a capacidade de elevação.

No próximo segmento de Como funcionam os guindastes? ?delinearei a importância do cilindro hidráulico, após o que concluirei com um artigo subseqüente e final sobre o papel da vantagem mecânica.

Cilindro hidráulico e vantagem mecânica

Agora, para a terceira parte de nossa série sobre a ciência por trás dos guindastes de construção, na qual vamos considerar o papel do cilindro hidráulico. As duas primeiras partes descreveram brevemente como as alavancas e roldanas, respectivamente, contribuem para a força de elevação em guindastes. O artigo subsequente e final considerará talvez o princípio científico mais importante para maximizar a força de elevação: vantagem mecânica.

Então o que é um cilindro hidráulico? A resposta simples é um cilindro selado, ou um prisma circular, que é totalmente preenchido com algum tipo de líquido, normalmente um óleo, com duas aberturas para dois pistões. Os pistões podem ser conectados ao cilindro em várias configurações.

Se assumirmos que os pistões têm o mesmo tamanho em um cilindro hidráulico e não existe atrito, quando um pistão é pressionado para baixo, o outro subirá com a mesma força, velocidade e distância. Portanto, se um comprimir um pistão para baixo dois centímetros, o outro pistão deverá comprimir para cima dois centímetros.
A vantagem deste sistema permite que você redirecione facilmente as forças. Um pistão fixado horizontalmente pode mover outro pistão fixado verticalmente, enquanto outras máquinas não permitem uma tradução tão fácil da direção, como vimos com as roldanas e alavancas. Com as alavancas e polias, uma força para baixo resultará em alguma força movendo-se para cima, e vice-versa, e uma força para a direita resultará em uma força para a esquerda, e vice-versa. O cilindro hidráulico pode permitir que uma força em uma direção seja transferida para qualquer direção possível, para cima, para baixo, para frente, para trás, para a direita, ou para a esquerda.

Por outro lado, o cilindro hidráulico pode multiplicar as forças ao maximizar o torque, como vimos com a alavanca e a polia. Se um pistão tem uma área de 6 unidades quadradas, e outro pistão tem 2 unidades quadradas, então a força empurrando para baixo no pistão menor aparecerá 3 vezes maior no pistão maior. Por exemplo, se um empurra o pistão de 2 unidades quadradas para baixo com uma força de 500 libras, então o pistão de 6 unidades quadradas recebe um empurrão com a força de 1500 libras. Entretanto, a distância que o pistão maior se move será 3 vezes menor do que a distância que o pistão menor se move para criar 1500 libras de força.

Também semelhante à alavanca e à polia, quase todos os guindastes utilizam o cilindro hidráulico de alguma forma ou de alguma maneira. O guindaste pode utilizar um cilindro hidráulico para elevar diretamente a carga, mas um hidráulico pode ser utilizado para extenuar um braço de guindaste ou mover uma lança ou viga que carregue o mecanismo de elevação.

Concluindo, o cilindro hidráulico é muito parecido com a polia e a alavanca por seu uso frequente em guindastes e sua manipulação de torque. No entanto, o cilindro hidráulico se diferencia por sua capacidade de redirecionar forças para diferentes planos. No entanto, todos os três, a alavanca, a polia e o cilindro hidráulico, coletivamente maximizam a vantagem mecânica no levantamento de objetos grandes. Na próxima parte, examinaremos exatamente o que é vantagem mecânica e como ela é aplicada a guindastes.

Zora Zhao

Especialista em soluções de peças de ponte rolante/guindaste de pórtico/guindaste/guindaste

Com mais de 10 anos de experiência na indústria de exportação de guindastes no exterior, ajudou mais de 10.000 clientes com suas dúvidas e preocupações pré-vendas. Se você tiver alguma necessidade relacionada, não hesite em entrar em contato comigo!

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