Eine Riemenscheibe verbraucht weder Kraftstoff noch Strom und läuft nicht von alleine, ist aber dennoch eine Maschine. Keine Maschine in der Art, wie das Wort im Merriam-Webster-Wörterbuch definiert ist, sondern eine Maschine in der Art, wie Ingenieure das Wort definieren: "Einfache Maschinen sind Geräte, mit denen wir eine von uns ausgeübte Kraft multiplizieren oder verstärken können - oft auf Kosten einer Strecke, über die wir die Kraft anwenden. "
credit: gaspr13 / iStock / GettyImagesWie viel Gewicht hebt eine Riemenscheibe ab?Jede Maschine hat einen mechanischen Vorteil
Die Liste der einfachen Maschinen umfasst Dinge, die Menschen jeden Tag benutzen, wie Hämmer, Schraubendreher und Türklinken. Alle diese Geräte fallen in eine der sechs klassischen Kategorien einfacher Maschinen. Die Kategorien sind:
- Rad und Achse
- Rolle
- Hebel
- Schiefe Ebene
- Schraube
- Keil
Einige Wissenschaftler betrachten die Schraube und den Keil als spezielle Arten von schrägen Ebenen, was die Liste auf vier Einträge reduziert. Sie können die Riemenscheibe sogar als Sonderfall von Rad und Achse betrachten und die Liste auf drei Punkte reduzieren. Unabhängig davon, wie viele Elemente auf der Liste aufgeführt sind, gilt eine Riemenscheibe als Maschine.
Das Verhältnis der Ausgangskraft einer Maschine zu der Kraft, die Sie auf sie ausüben, wird als die der Maschine bezeichnet mechanischer Vorteil (MA). Damit eine Maschine eine Maschine ist, muss die Ausgabekraft größer als die Eingabekraft sein, was bedeutet, dass der mechanische Vorteil immer größer als 1 sein muss. Je größer der mechanische Vorteil ist, desto weniger Kraft muss in die Maschine eingegeben werden, um sie herzustellen Arbeit.
Der mechanische Vorteil eines Flaschenzugsystems
Sie können den mechanischen Vorteil eines Riemenscheibensystems berechnen, indem Sie die Kraft berechnen, die erforderlich ist, um eine Last ohne Riemenscheibe auf eine bestimmte Höhe anzuheben (die Abtriebskraft, FO) und dann Berechnen der Kraft, die erforderlich ist, um dies mit der Riemenscheibe zu tun (die Eingangskraft Fich). Der mechanische Vorteil ist das Verhältnis der Ausgangskraft zur Eingangskraft: MA = FO/ Fich. Je kleiner die Eingangskraft im Verhältnis zur Ausgangskraft ist, desto größer ist der mechanische Vorteil.
Für ein einfaches Flaschenzugsystem ist die Berechnung seines mechanischen Vorteils lächerlich einfach. Sie zählen einfach die Anzahl der Seile, die die Last tragen.
Sobald Sie den mechanischen Vorteil kennen, können Sie die Kraft berechnen, die zum Heben eines bekannten Gewichts erforderlich ist. Kraft und Gewicht bedeuten dasselbe. Wenn Sie also den mechanischen Vorteil berechnen, können Sie die Reduzierung der Riemenscheibenlast ermitteln.
Um einen mechanischen Vorteil zu erzielen, müssen Sie mehr Seil ziehen
"Warte", sagst du. "Woher wissen Sie, dass der mechanische Vorteil der Anzahl der Seile entspricht?" Um diese Frage zu beantworten, müssen Sie wissen, was Arbeit ist und nicht die Art von Arbeit, die Sie in Ihrem 9-zu-5-Job erledigen.
Was die Physiker betrifft, arbeitet man (W), indem man eine Kraft (F) über eine Distanz (d) ausübt. Sie berechnen die Arbeit, indem Sie die Kraft mit der Distanz multiplizieren:
W = F • d.
Arbeit ist mit Energie verbunden, und da es eines der grundlegendsten Naturgesetze ist, dass Energie immer erhalten bleibt, muss Arbeit erhalten bleiben. Wenn die auf ein Riemenscheibensystem ausgeübte Kraft geringer ist als die zum Anheben der Last erforderliche Kraft, muss sich etwas ändern, damit der Arbeitsaufwand dem zum Anheben der Last erforderlichen Arbeitsaufwand entspricht.
Die Menge, die sich ändert, ist die Entfernung. Sie wenden weniger Kraft zum Heben einer Last an, wenn Sie ein Flaschenzugsystem verwenden, müssen jedoch mehr Seil ziehen, um die Last auf eine bestimmte Höhe anzuheben. Wenn Sie ein Doppelrollensystem haben, müssen Sie doppelt so viel Seil ziehen. In einem System mit drei Riemenscheiben müssen Sie dreimal so viel ziehen, und so weiter. Tatsächlich können Sie für jedes Rollensystem die Menge des zusätzlichen Seils berechnen, das Sie ziehen müssen, indem Sie die Anzahl der Seile zählen, die die Last tragen.
Reduzierung von Gewicht, Kraft und Riemenscheibenlast
Gewicht und Kraft sind keine unterschiedlichen Größen. Das Gewicht eines Objekts ist nichts anderes als die Kraft, die die Schwerkraft auf ihn ausübt. Wenn Sie also ein Objekt anheben, müssen Sie eine Kraft ausüben, die der Gravitationskraft entspricht. Wenn Sie ein einzelnes Riemenscheibensystem haben, können Sie mit der Riemenscheibe am Seil nach unten ziehen, anstatt nach oben, was auf jeden Fall einfacher ist, aber das Kraft, die Sie ausüben ist immer noch gleich die Gewicht der Ladung Sie heben.
Wenn Sie eine Riemenscheibe unterhalb der ersten hinzufügen, das Seil um beide Riemenscheiben wickeln und eine Last an der zweiten Riemenscheibe aufhängen, wird die Last jetzt von zwei Seilen getragen. Der mechanische Vorteil dieses neuen, verbesserten Flaschenzugsystems liegt also bei 2, und das bedeutet, dass Sie nur noch anstrengen müssen eine Kraft, die der Hälfte des Gewichts der Last entspricht es zu heben. Hängen Sie eine dritte Riemenscheibe von der ersten ab, wickeln Sie das Seil so durch, dass drei Seile die Last aufhängen, und die Kraft, die Sie zum Heben der Last aufwenden müssen, macht nur ein Drittel ihres Gewichts aus.
Man könnte allgemein sagen, dass die Verringerung der Riemenscheibenlast der Kehrwert der Anzahl der Seile ist, die die Last tragen, aber nur wenige praktische Riemenscheibensysteme haben mehr als vier Seile. Folglich beträgt die maximale Reduzierung der Riemenscheibenlast ein Viertel des Gewichts der Last. In der Realität ist die tatsächliche Lastreduzierung geringfügig geringer, da die Reibung in den Riemenscheiben berücksichtigt werden muss.
Ein Beispiel für einen Riemenscheiben-Gewichtsrechner
Angenommen, Sie können eine 200-Pfund-Person selbst heben, aber das ist die Grenze Ihrer Gewichtheberfähigkeiten. Könnten Sie sich ein Flaschenzugsystem ausdenken, um ein 2000-Pfund-Auto anzuheben? Wahrscheinlich nicht, weil selbst ein System mit vier Riemenscheiben das Gewicht nur um ein Viertel reduzieren würde, und das sind immer noch 500 Pfund.
Angenommen, Sie könnten ein Paar Riemenscheibensysteme aufbauen und einen Freund, der so stark ist wie Sie, dazu bringen, eines davon zu ziehen. Sie würden immer noch Probleme haben, aber Sie könnten in der Lage sein, dies zu tun, da jede Rolle das halbe Gewicht oder 1.000 Pfund anheben würde und ein Viertel dieses Gewichts 250 Pfund beträgt. Wenn Sie der Arbeit jedoch eine dritte Rolle und eine dritte Person hinzufügen, müsste jede Person nur 167 Pfund Kraft aufbringen, was durchaus ihren Fähigkeiten entspricht, sodass dieses System problemlos funktioniert.
Ein Riemenscheiben-Gewichtsrechner hängt nicht davon ab, welches Gewicht zuerst angehoben wird, wenn am Seil gezogen wird. Wenn eine Person vor den beiden anderen zieht, bewegt sich das Auto nicht. Alle drei Personen müssen gleichzeitig ziehen, um die Last richtig zu teilen und das Gewicht gleichmäßig auf die drei Riemenscheiben zu verteilen. Wenn die drei Personen gleichzeitig arbeiten, gibt es tatsächlich 12 Seile, die das Auto tragen, was den mechanischen Vorteil des Rollensystems 12 ausnutzt und die zum Anheben des Fahrzeugs erforderliche Nettokraft auf 2.000 × 12 = 167 Pfund reduziert.
