Miten hihnapyörät toimivat?

Esittely

Ihmiset kehittivät koneet vähentääkseen tietyn työn vaatimia ponnistuksia. Tietyn painoisen esineen nostamiseksi on kohdistettava yhtä suuri voima vastakkaiseen suuntaan. Esimerkiksi 10 kiloa painavan laatikon nostamiseksi 10 kiloa vastaava voima on kohdistettava ylöspäin. Tämä on hieman rasittavaa, koska voima on kohdistettava painovoimaa vastaan. Tämän vuoksi keksittiin hihnapyörät yksinkertaisiksi koneiksi, joita käytetään nostamaan tai vetämään esinettä pienemmällä ponnistuksella. Keskustellaanpa tarkemmin prosesseista, miten hihnapyörät toimivat.

Mitä ovat hihnapyörät?

Hihnapyöriä pidetään yhtenä keksityistä yksinkertaisista peruskoneista, joita käytetään esineiden nostamiseen. Ensimmäisen kerran hihnapyöriä käyttivät muinaisen Egyptin ja Mesopotamian sivilisaatioiden ihmiset. Hihnapyörät on valmistettu akseliin tai akseliin kiinnitetyistä pyöristä/pyöristä. Nämä pyörät ovat paksuja, ja niiden keskiosassa on urat, joiden ansiosta köydet tai vaijerit voivat liikkua vapaasti sen ympärillä ilman vastusta.

Kuva: Yksittäinen hihnapyörä, jossa on akseliin kiinnitetty köysi

Useat hihnapyörät sijoitetaan usein yhteen järjestelmään, jotta voidaan vähentää tietyn esineen nostamiseen tai vetämiseen käytettävää voimaa. Hihnapyörien lukumäärän lisääminen vähentää tarvittavaa manuaalista työtä.

Kuva: Useat yhteen sijoitetut hihnapyörät vähentävät ponnistusta

Kuten yllä olevasta kuvasta käy ilmi, useat hihnapyörät vähentävät kuorman nostamiseen vaadittavaa ponnistusta. Tässä kuorman paino on 100N, ja käytettävä voima on 33,5N. Käydään läpi yksityiskohtaisesti, miten hihnapyörät toimivat.

Miten hihnapyörät toimivat?

Hihnapyöriä käytetään useilla aloilla töissä, jotka liittyvät tiettyjen kohteiden, joilla on suurempi massa tai paino, nostamiseen ja vetämiseen. Kuten nimestä voi päätellä, hihnapyörä on johdettu sanasta Pull. Kuten aiemmin todettiin, hihnapyörät on kiinnitetty akseliin pyörän keskiosassa, jotta ne voivat liikkua vapaasti ympyrän ympäri. Pyörässä on ura, johon voidaan sijoittaa köysi tai vaijeri. Köyttä tai vaijeria vedetään toisesta päästä, jotta kuormaa voidaan nostaa tai siirtää haluttuun suuntaan. Keskitytään muutamiin järjestelmiin, joissa voidaan käyttää hihnapyöriä.

• Miten yhden pyörän hihnapyörät toimivat?

Yksi pyörän hihnapyöräjärjestelmät sisältävät vain yhden hihnapyörän käytön, jonka ympärille asetetaan köysi. Tällöin kuorma on joko kiinnitetty köyden toiseen päähän tai kuorma on kiinnitetty hihnapyörän akseliin.

– Esineen nostaminen yhden pyörän hihnapyöräjärjestelmän avulla (kuorma kiinnitetty köyteen)

Kuva: Yksittäinen kiinteä hihnapyöräjärjestelmä

Kuten yllä olevassa kuvassa näkyy, köyden toiseen päähän on kiinnitetty 100 kilon kuorma. Köysi kulkee yhden pyörän hihnapyöräjärjestelmän läpi ja pääsee toiselle puolelle. Tyypillisesti, jos henkilö nostaa painoa käsin, hänen on käytettävä voimaa ylöspäin (maan vetovoimaa vastaan), jotta hän voi nostaa painon. Tämä tapahtuu Maassa vallitsevaa painovoimaa vastaan. Hihnapyörän avulla voiman suunta kuitenkin muuttuu. Tämän seurauksena esineen nostamiseen tarvittava ponnistus vähenee (koska voima kohdistuu Maata kohti). Jos köyttä vedetään 1 metri, myös painoa nostetaan 1 metri, koska köyden pituus on kiinteä.

Tärkeä huomautus: Kun kyseessä on yksi kiinteä hihnapyörä, koko köyteen vaikuttava vetovoima on sama kuin esineen massa newtonissa.

– Esineen nostaminen yhden pyörän avulla Hihnapyöräjärjestelmä (Kuorma kiinnitettynä hihnapyörään)

KUVA: Yksittäinen liikkuva hihnapyöräjärjestelmä

Yksittäisen kiinteän hihnapyörän mekaaninen etu on 1, koska kohdistuva ponnistus (voima) on yhtä suuri kuin nostettava massa. Yksittäisen liikkuvan hihnapyörän tapauksessa mekaaninen etu on kuitenkin 2. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että käytettävä ponnistus (voima) on puolet nostettavasta massasta.

Liikkuvassa hihnapyörässä kuorma on kiinnitetty akseliin tai akseliin ja köyden tai vaijerin toinen pää on kiinteä. Köyden toista päätä vedetään samaan suuntaan kuin painoa. Koko hihnapyörä liikkuu köyden ympärillä, kun painoa nostetaan. Koska köyden toinen pää on kiinnitetty kiinteään rakenteeseen ja hihnapyörä roikkuu välissä, köysien molemmat puolet kantavat kuorman voiman. Tämän seurauksena esineen massa puolittuu, ja esineen nostamiseen on käytettävä vain puolet voimasta.

Tärkeä huomautus: Liikkuvan hihnapyöräjärjestelmän tapauksessa köyteen kummallakin puolella vaikuttava jännitysvoima on puolet nostettavasta massasta. Jos siis nostetaan esinettä, jonka massa on ’M’, köyden kummallakin puolella vaikuttava jännitys on M/2.

• Miten kaksipyöräiset hihnapyörät toimivat?

Pyörien lisääminen hihnapyöräjärjestelmässä auttaa vähentämään kuorman nostamiseen vaadittavaa voimaa. Mekaanista etua saadaan lisäämällä pyörien määrää hihnapyöräjärjestelmässä. Mekaaninen etu on painon määrän ja niiden osien lukumäärän suhde, joihin köysi on jaettu. Kahdella pyörällä varustettu hihnapyörä sijoitetaan yleensä pääasiassa yhteen yhdistelmään, jossa toinen hihnapyörä on kiinteä ja toinen hihnapyörä on liikkuva.

Kuva: Kahden pyörän hihnapyöräjärjestelmä

Kahden pyörän hihnapyöräjärjestelmän käyttö on lähes samanlaista kuin yhden liikkuvan hihnapyörän käyttö, koska siitä saadaan sama mekaaninen etu. Tässä tapauksessa on kuitenkin kaksi pääasiallista eroa:

• Ensinnäkin voima kohdistetaan alaspäin esineen nostamiseksi ylöspäin. Tämä auttaa kumoamaan kuormaan vaikuttavan gravitaatiovoiman.
• Toiseksi, jotta esinettä voidaan nostaa matkan x verran, köyttä on vedettävä matkan 2x verran. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että köysi on nyt jaettu kahden hihnapyöräjärjestelmän kesken ja siinä on kaksi jännitysosaa. Kutakin köyden osaa on liikutettava painon nostamiseksi. Näin ollen x matkan siirto köyden kummassakin osassa nostaa kuormaa x matkan verran. Molempien köysiosuuksien siirtämiseksi x matkan verran on vedettävä vastaava 2x pituinen osuus.

• Miten nelipyöräiset hihnapyörät toimivat?

Kuva: Nelipyöräinen hihnapyöräjärjestelmä

Nelipyöräisen hihnapyöräjärjestelmän tapauksessa esineen nostamiseen tarvittava ponnistus vähenee entisestään. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että köysi kierretään neljä kertaa hihnapyöräjärjestelmän ympärille, ilman että alas vedettävää vapaata päätä huomioidaan. Tämän seurauksena esineen massa tai kuorman kautta alaspäin vaikuttava voima jaetaan neljällä kertaa. Tämän seurauksena köyden vapaasta päästä vetävän henkilön on käytettävä vain neljäsosaa voimasta kohteen nostamiseksi. Nostaakseen esinettä etäisyydellä x henkilön on kuitenkin vedettävä köydellä vastaavaa pituutta 4x.

Johtopäätös

Kiekot ovat yksi yleisimmin käytetyistä yksinkertaisista koneista eri teollisuuden ja mekaniikan aloilla. Kehitys ajan myötä on lisännyt hihnapyörien tehokkuutta. Suunnittelun ansiosta ihmiset ovat voineet saada neljän hihnapyörän järjestelmän mekaanisen edun käyttämällä vain kahta hihnapyörää yksinkertaisesti lisäämällä yhden hihnapyörän urien määrää. Jos haluat tietää enemmän siitä, miten hihnapyörät toimivat, käy Pulley India -verkkosivustolla ja saat yksityiskohtaista tietoa.