مطلب فیزیک سوم (قرقره ها)

شخصی می‌خواهد وزنه فوق العاده سنگینی را نه از راه پله بلکه از طریق پنجره ساختمان به داخل ساختمان انتقال دهد. او برای این کار از طناب و قرقره استفاده می‌کند. این وسایل باعث می‌شوند که وزنه با نیروی کمتر از وزن خود بالا کشیده شود. این کار چگونه عملی می‌شود؟

قِرقِره چرخی است که در لبه‌های خود شیاری دارد برای نگهداشتن طناب یا کابل. قرقره از ماشین‌های ساده است و معمولاً برای کاهش نیروی لازم برای کشیدن یا بلند کردن بارها طراحی می‌شوند.

1- قرقره ثابت:

يکی از انواع قرقره ی ساده ،قرقره ی ثابت است.

سيستمی را در نظر بگيريد که قرقره از جايي آويزان است و در آن طناب به قرقره ای وصل شده است در اين حالت طناب از روی قرقره می گذرد .اگر طناب همگن باشد،کشش طناب در تمام طول آن يکسان خواهد بود.اگر کشش در يک طرف قرقره با طرف ديگرش متفاوت باشد، قرقره شروع به چرخش می کند تا کشش طناب ها در طرفين برابر شود. در حالت کلی قرقره ثابت فقط جهت نيرو راتغيير می دهد.پس مزيّت مکانيکی اين قرقره همواره برابر 1 است.
مزیت مکانیکی این قرقره همواره برابر یک است و از راه تغییر جهت نیرو به ما کمک می کند.

توجه: این قرقره نظیر اهرم نوع اول حالت اول است.

2- قرقره متحرک:

سیستم دیگری که به بالا بردن اجسام کمک می‌کند قرقره متحرک است. انتهای طنابی را به تکیه گاه ثابتی ببندید و انتهای دیگرش را که از شیار قرقره متصل به وزنه‌ای وصل شده، عبور داده و بالا بکشید.

درست است که به کمک قرقره‌ها جسم را با نیروی کمتری بالا می‌برید، اما باید طناب را بیشتر از حالتی که جسم را مستقیما بالا می‌برید، بکشید. هر بار که طناب را ۳ متر با دست بکشید، جسم فقط ۱٫۵ متر بالا می‌آید. توجیه این مساله چنین است که اگر جسم ۱٫۵ متر بالا بیاید، هر دو طرف طناب که جسم را نگه داشته‌اند نیز ۱٫۵ متر کوتاه می‌شوند. بنابراین، باید ۳ متر طناب کشیده باشید. یعنی، جسم با نیرویی برابر نصف وزن آن بالا کشیده می‌شود.

وزن جسمی که بالا کشیده می‌شود را نیروی مقاوم و فاصله‌ای که جسم بالا می‌رود را بازوی مقاوم می‌نامند. نیرویی که به کار می‌برید، نیروی محرک و مسافتی که این نیرو در آن اعمال می‌شود بازوی محرک نام دارد. بازوی محرک همواره برابر است با حاصلضرب بازوی مقاوم در تعداد طنابها.

این قرقره از راه افزایش نیرو به ما کمک می کند.

مزیت مکانیکی کامل این قرقره برابر 2 است. زیرا بازوی محرک (قطر چرخ) همواره دو برابر بازوی مقاوم (شعاع چرخ) است.

نکته: قرقره متحرک مانند اهرم نوع دوم است, با این تفاوت که مزیت مکانیکی اهرم (با تغییر دادن محل نیروی مقاوم) قابل تغییر است در حالیکه مزیت مکانیکی این قرقره تغییر نمی کند.(A=2)

3- قرقره مرکب:

هدف از به کار بردن دستگاه‌ها کاهش نیروی محرک است. می‌توان دستگاه قرقره‌ها را طوری باهم ترکیب کرد که نیروی محرک بازهم کمتر شود. اگر قرقره متحرکی که وزنه‌ای به آن بسته شده را از طریق طنابی به یک قرقره ثابت سوار کنیم. نیروی مقاوم به جای دو طناب، میان سه طناب تقسیم می‌شود. در این حالت بازوی محرک سه برابر بازوی مقاوم می‌باشد. با استفاده از قرقره‌های بیشتر، بازهم می‌توان نیروی محرک را کمتر کرد.

در ترکیب قرقره‌های مرکب چنین تصور می‌شود که اصطکاک بیشتر ظاهر می‌شود، در صورتیکه اصطکاک در آرایش هندسی دستگاه تأثیری ندارد. اما اصطکاک طناب با قرقره مهم است که برای کاهش آن (تا ناچیز و قابل صرف نظر شود) شیار قرقره را روغن کاری می‌کنند.

برای آنکه به مزیت های مکانیکی بالاتری دست یافت می توان دو یا چند قرقره ثابت و متحرک را با هم ترکیب کرد و یک قرقره مرکب به وجود آورد. در این حالت قرقره ها را به شکل های مختلفی با یکدیگر ترکیب می کنیم.

الف) در یک روش, برای بستن تمام قرقره ها فقط از یک رشته نخ استفاده می شود.

در این حالت برای به دست آوردن مزیت مکانیکی کامل دستگاه به دو صورت عمل می کنیم:

1- تعداد نخ های متصل به قرقره متحرک را می شمریم.

2- نیروی کشش نخ (T) را مشخص کرده و مزیت مکانیکی کامل را به دست می آوریم.

ب) قرقره های ارشميدس:

برای اتصال این قرقره ها به یکدیگر از چند رشته نخ استفاده می شود.

برای بدست آوردن مزیت مکانیکی کامل این دستگاه از دو راه استفاده می شود:

الف) نیروی کشش نخ (T) را مشخص می کنیم.

توجه: وجود قرقره ثابت در مزیت مکانیکی کامل دستگاه هیچ تاثیری ندارد ولی چون کشیدن ریسمان به سمت پایین آسانتر از کشیدن به سمت بالاست گاهی برای آسانتر شدن کار از قرقره ثابت استفاده می شود.

ج) ممکن است قرقره به صورت زیر به یکدیگر وصل شده باشند, در این صورت برای به دست آوردن مزیت مکانیکی کامل.

1) از راه کشش نخ استفاده می کنیم.

تذکر: قرقره ها را به شکل های گوناگون می توان با هم ترکیب کرد. در هر مورد برای به دست آوردن مزیت مکانیکی کامل می توان از نیروی کشش نخ استفاده کنیم.

محدودیت افزایش نیرو

کم کردن نیروی محرک با به کار بردن تعداد بیشتری از قرقره‌ها محدودیت دارد. زیرا در تحلیل اخیر از عواملی همچون نیروی اصطکاک، وزن قرقره‌های متحرک کشسانی طناب و مقاومت هوا صرف نظر کرده‌ایم. در حالت واقعی مسئله، هر بار که یک قرقره اضافه کنیم اصطکاک دستگاه افزایش می‌یابد. اگر قرقره متحرک باشد که در واقع این نوع قرقره نیروی محرک را کاهش می‌دهد، وزن آن به نیروی مقاوم اضافه می‌شود. نیروی محرک در یک دستگاه واقعی همواره از نیروی محرک آرمانی که با تقسیم نیروی مقاوم میان طنابها بدست می‌آید، بزرگ‌تر است.

اگر تعداد قرقره‌ها افزایش یابد ممکن است مقدار نیروی مقاوم به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یابد. نیروی اصطکاک نیز، با اینکه باعث افزایش نیروی محرک می‌شود، هیچ تأثیری در مقداری که باید طناب کشیده شود، ندارد.قرقره‌های مرکب به طور کلی به سه دسته تقسیم می‌شوند:۱-قرقره‌های مرکبی که اجزای آنها توسط یک رشته نخ به هم متصل شده اند و برای به دست آوردن مزیت مکانیکی کامل آنها باید رشته خ‌های متصل به قرقره‌های متحرک را شمرد.۲-قرقره‌های مرکبی که با چند رشته نخ متصل شده اند و مزیت مکانیکی کامل آنها از فرمول دو به توان تعداد قرقره‌های متحرک به دست می‌آید.انواع دیگری از قرقره‌های مرکب نیز وجود دارند که برای به دست آوردن مزیت مکانیکی آنها باید از راههای دیگری استفاده کرد.

انواع قرقره های صنعتی:

مزیت مکانیکی قرقره

طبق تعریف نسبت بازوی محرک بر بازوی مقاوم یا نیروی مقاوم بر نیروی محرک مزیت مکانیکی دستگاه است. این مقدار برای قرقره ثابت و متحرک ۲ بوده و برای قرقره متحرکی که از دو تا قرقره ثابت و متحرک تشکیل شده برابر ۳ است.

مزیت مکانیکی واقعی قرقره:

نیروی مقاوم بر نیروی محرک

مزیت کامل قرقره:

بازوی محرک بر بازوی مقاوم یا جابجایی نیروی محرک بر جابجایی نیروی مقاوم

==========================================================

پرسش:

بازده دستگاه مقابل 90% است. براي بالابردن يك وزنه ي 1350 نيوتني چه مقدار نيروي محرك نياز داريم؟

جواب سوال رو در قسمت ارسال نظر بفرستید.

مطلب فیزیک سوم (قرقره ها)

مطالب مشابه :

معما ها و مسئله های ریاضی

مطلب فیزیک سوم (قرقره ها)

فایلهای فلش ریاضی هفتم

فیزیک سال اول دبیرستان

مطالعه فیزیک

سرفصل های ریاضی هفتم

زندگی نامه انیشتین