Hogyan működnek a csigák?

Bevezetés

A gépeket az emberek azért fejlesztették ki, hogy csökkentsék az adott munkához szükséges erőfeszítéseket. Egy bizonyos súlyú tárgy felemeléséhez ugyanolyan mértékű erőt kell kifejteni az ellenkező irányba. Például egy 10 kilogramm súlyú doboz felemeléséhez 10 kilogrammal egyenértékű erőt kell felfelé irányulóan kifejteni. Ez egy kicsit fárasztó, mivel az erőt a gravitációs erővel szemben kell alkalmazni. Ennek eredményeképpen találták fel a csigákat, mint egyszerű gépeket, amelyeket egy tárgy kisebb erőfeszítéssel történő emelésére vagy húzására használnak. Beszéljük meg részletesebben a csigák működésének folyamatait.

Mi a csiga?

A csigákat a tárgyak felemelésére használt alapvető egyszerű gépek egyikének tekintik. A csigákat először az ókori egyiptomi és mezopotámiai civilizációk emberei használták. A csigák egy tengelyhez vagy tengelyhez rögzített kerék/kerekek kombinációjából állnak. Ezek a kerekek vastagok, és a központi részen hornyokat tartalmaznak, hogy a kötelek vagy kábelek ellenállás nélkül szabadon mozoghassanak körülötte.

Kép: Egyetlen csiga egy tengellyel rögzített kötéllel

A több csigát gyakran egy rendszerben helyeznek el, hogy csökkentsék az adott tárgy emeléséhez vagy húzásához szükséges erőkifejtést. A csigák számának növelése csökkenti a szükséges kézi erőkifejtést.

Kép: Több csiga egymás mellé helyezve csökkenti az erőkifejtést

Amint a fenti képen látható, a több csiga csökkenti a teher felemeléséhez szükséges erőkifejtést. Az itt látható teher súlya 100N, és a kifejtendő erő 33,5N. Nézzük át részletesen, hogyan működnek a csigák.

Hogyan működnek a csigák?

A csigákat a munkák több olyan ágazatában használják, amelyek bizonyos nagyobb tömegű vagy súlyú tárgyak emelésével és húzásával kapcsolatosak. Ahogy a neve is mutatja, a csiga a Pull szóból származik. Mint korábban említettük, a csigák a kerék központi részén lévő tengelyhez vannak rögzítve, hogy lehetővé tegyék a szabad körkörös mozgást körülötte. A kerékben egy horony van, hogy egy kötél vagy kábel elhelyezhető legyen rajta. A kötelet vagy kábelt az egyik végén meghúzzák, hogy a terhet fel lehessen emelni vagy a kívánt irányba lehessen mozgatni. Koncentráljunk néhány olyan rendszerre, amelyben csigákat lehet használni.

• Hogyan működnek az egykerekű csigák?

Az egykerekű csigás rendszerek csak egy csiga használatát tartalmazzák, amely körül a kötelet elhelyezik. Ilyenkor a teher vagy a kötél egyik végén van rögzítve, vagy a teher a csiga tengelyéhez van rögzítve.

– Tárgy emelése egykerekű csigás rendszer segítségével (A teher a kötélhez van rögzítve)

Kép: Egyetlen rögzített csigás rendszer

A fenti képen látható módon a kötél egyik végére 100 fontnyi teher van rögzítve. A kötél áthalad egy egykerekű csigás rendszeren, és eléri a másik oldalt. Jellemzően, ha egy személy kézzel emeli a súlyt, akkor felfelé irányuló erőt kell kifejtenie (a Föld gravitációs vonzásával szemben) ahhoz, hogy megemelje azt. Ez a Földön jelenlévő gravitációs erővel szemben történik. Egy csiga segítségével azonban az erő kifejtésének iránya megváltozik. Ennek eredményeképpen a tárgy felemeléséhez szükséges erőfeszítés csökken (mivel az erő a Föld felé irányul). Ha a kötelet 1 méterrel húzzuk, a súlyt is 1 méterrel emeljük meg, mivel a kötél hossza rögzített.

Fontos megjegyzés: Egyetlen rögzített csiga esetén a teljes kötélre ható feszítőerő megegyezik a tárgy tömegével Newtonban.

– Tárgy emelése egykerekű csigarendszer segítségével (Csigához rögzített teher)

Image: Egyetlen mozgatható csigarendszer

Egyetlen rögzített csiga mechanikai előnye 1, mert az alkalmazott erőkifejtés (erő) egyenlő az emelt tömeggel. Egyetlen mozgó csiga esetében azonban a mechanikai előny 2. Ez főként azért van, mert az alkalmazandó erőkifejtés (erő) az emelni kívánt tömeg fele.

Egy mozgó csiga esetében a teher a tengelyhez vagy tengelyhez van rögzítve, a kötél vagy kábel egyik vége pedig rögzített. A kötél másik végét a tömeggel azonos irányba húzzák. Az egész csiga mozog a kötél körül, ahogy a súlyt felemelik. Mivel a kötél egyik vége egy szilárd szerkezethez van rögzítve, és a csiga a kötél két oldala között lóg, a kötelek mindkét oldala viseli a teher erejét. Ennek eredményeként a tárgy tömege megfeleződik, és a tárgy felemeléséhez csak fél erőt kell kifejteni.

Fontos megjegyzés: Mozgatható csigás rendszer esetén a kötélre mindkét oldalon ható feszítőerő a felemelt tömeg fele. Így ha egy “M” tömegű tárgyat emelünk, akkor a kötél mindkét oldalán a feszítőerő M/2.

• Hogyan működnek a kétkerekű csigák?

A csigarendszerben a kerekek számának növelése segít a teher emeléséhez szükséges erő csökkentésében. A csigás rendszerben a kerekek számának növelésével mechanikai előnyre teszünk szert. A mechanikai előny a súlymennyiség és azon szakaszok számának hányadosa, amelyekre a kötél fel van osztva. A két kerékkel ellátott csigát általában főként olyan kombinációban helyezik el, ahol az egyik csiga rögzített, a másik pedig mozgatható.

Kép: Kétkerekű csigás rendszer

A kétkerekű csigás rendszer használata majdnem olyan, mintha egyetlen mozgatható csigát használnánk, mivel ugyanaz a mechanikai előny érhető el. Ebben az esetben azonban két fő különbség van:

• Először is, az erő lefelé hat, hogy egy tárgyat felfelé emeljen. Ez segít a teherre ható gravitációs erő negligálásában.
• Másodszor, ahhoz, hogy egy tárgyat x távolságra emeljünk fel, a kötelet 2x távolságra kell húzni. Ennek főleg az az oka, hogy a kötél most a két csigarendszer között van felosztva, és két feszített szakasza van. A súly felemeléséhez a kötél minden egyes szakaszát meg kell mozgatni. Így a kötél mindkét szakaszának x távolsággal történő elmozdítása x távolsággal emeli meg a terhet. Ahhoz, hogy mindkét kötélszakaszt x távolsággal elmozdítsuk, egy egyenértékű hosszúságú 2x részt kell meghúzni.

• Hogyan működnek a négykerekű csigák?

Kép: Négykerekű csigás rendszer

A négykerekű csigás rendszer esetében tovább csökken a tárgy felemeléséhez szükséges erőfeszítés. Ez főként azért van, mert a kötelet négyszer hurkolják a csigarendszer köré, figyelmen kívül hagyva a lefelé húzott szabad véget. Ennek eredményeképpen a tárgy tömege vagy a teheren keresztül lefelé ható erő négyszeresére oszlik. Ennek eredményeképpen a kötél szabad végét húzó személynek csak az erő egynegyedét kell kifejtenie a tárgy felemeléséhez. Ahhoz azonban, hogy a tárgyat x távolsággal megemeljük, a kötéllel egyenértékű 4x hosszúságot kell a személynek húznia.

Következtetés

A csigák az egyik legszélesebb körben használt egyszerű gép a különböző ipari és gépészeti ágazatokban. Az idővel bekövetkezett fejlődés növelte a csigák hatékonyságát. A tervezés lehetővé tette, hogy az emberek a négy csigás rendszer mechanikai előnyét mindössze két csiga használatával érjék el, egyszerűen növelve a hornyok számát egyetlen csigán. Ha többet szeretne megtudni a csigák működéséről, látogasson el a Pulley India weboldalára, és szerezzen részletes információkat.