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封锁和铲球的工作原理

A simple pulley system.
简单的滑轮系统。

如果您曾经看过起重机的末端,或者曾经使用过发动机提升机或辅助设备,或者曾经看过帆船上的索具,那么您已经看到了工作中的障碍物和滑车。滑轮组是绳索和滑轮的一种布置,可以让您用力交换距离。在此版本的 怎么样 Stuff 工作s 我们将研究阻拦和铲斗的工作原理,并研究其他几种力乘设备!

Understanding 的 Block and Tackle

想象一下,您将100磅(45.4千克)重物悬吊在绳索上,如下所示。

在此图中,如果要将重量悬挂在空中,则必须向绳索施加100磅的向上力。如果绳索长100英尺(30.5米),并且您想将重物抬起100英尺,则必须拉入100英尺的绳索来进行操作。这很简单明显。

现在,假设您在混合中添加了滑轮。

这会改变什么吗?并不是的。唯一改变的是您必须用来举起重量的力的方向。您仍然必须施加100磅的力以保持重量悬吊,并且仍然必须卷起100英尺的绳索才能将重量举起100英尺。

下图显示了添加第二个皮带轮后的布置:

这种安排实际上确实以一种重要的方式改变了一切。您会看到配重现在由两个滑轮而不是一个滑轮悬挂。这意味着重量在两个滑轮之间平均分配,因此每个滑轮只能承受一半的重量,即50磅(22.7千克)。这意味着,如果要将重物悬吊在空中,只需要施加50磅的力即可(天花板将另外50磅的力施加到绳索的另一端)。如果要将重物抬高100英尺,则必须卷入两倍的绳索,必须拉入0到200英尺的绳索。这表明了力-距折衷。力已减半,但必须拉动绳索的距离增加了一倍。

下图向该装置添加了第三和第四皮带轮:

在此图中,连接到配重的皮带轮实际上由同一根轴上的两个单独的皮带轮组成,如右图所示。这种布置将力切成两半,并且距离再次加倍。为了将重物保持在空中,您仅需施加25磅的力,但是要在空中将重物举起100英尺,则必须卷起400英尺的绳索。

滑轮组可以容纳任意数量的滑轮,尽管在某些时候滑轮轴上的摩擦力开始成为重要的阻力来源。

您会遇到各种简单机器中的力/距离折衷。例如,杠杆就是这种现象的一个例子:

在此图中,力F施加在杠杆的左端。杠杆的左端(2X)的长度是右端(X)的两倍。因此,在杠杆的右端有2F的力,但它作用的距离是左端移动的距离(Y)的一半(2Y)。改变杠杆左右两端的相对长度会改变乘数。

齿轮 can do 的 same thing:

此内容在此设备上不兼容。

在此图中,左齿轮的直径是右齿轮的直径的两倍。左齿轮每转一圈,右齿轮转两次。如果您通过旋转一圈向左齿轮施加一定量的扭矩,则右齿轮将施加一半的扭矩,但会旋转两圈。

另一个很好的例子是简单的液压系统,如下所示:

假设您有两个装满水的钢瓶,并用一根管子将两个钢瓶连接在一起,如图所示。如果将力F施加到左侧柱塞上,则会在左侧气缸中产生压力。假设您对左手气瓶施加了10磅的向下力。我们还假设左侧圆柱的半径为0.57英寸。因此,左侧活塞的面积为Pi * 0.57 * 0.57 = 1平方英寸。如果右侧气缸的半径大4倍,即2.28英寸,则右侧活塞的面积为16平方英寸,即16倍。如果您以10磅的力将左手活塞向下推16英寸,则右侧的活塞将以160磅的力上升1英寸。每天都有各种液压缸利用这种简单的力倍增效果。

您会看到,滑轮组,操纵杆,齿轮系和液压系统都具有相同的作用:它们使您可以通过按比例减小作用力的距离来放大力。事实证明,这种力乘法是一种极其有用的功能!以下是一些使用这些简单原理的设备:

 

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