قرقره؛ انواع و نقش در کاهش نیروی محرک

قرقره؛ اهرم‌های کوچک برای کارهای بزرگ

قرقره چیست و اصل بنیادین آن

یک قرقره در ساده‌ترین شکل خود، یک چرخ با محوری ثابت و یک شیار در لبه‌اش است که یک طناب یا کابل در آن قرار می‌گیرد. وقتی شما به طناب نیرو وارد می‌کنید (نیروی محرک^۲)، قرقره می‌چرخد و این نیرو به جسم متصل به سر دیگر طناب (بار^۳) منتقل می‌شود. اصل کار قرقره‌ها بر پایه تغییر جهت نیرو استوار است. فرض کنید می‌خواهید سطلی پر از آب را از چاهی بالا بکشید. کشیدن طناب به سمت بالا سخت است. اما اگر طناب از روی یک قرقره که بالای چاه نصب شده عبور کند، شما می‌توانید با کشیدن طناب به سمت پایین، سطل را به سمت بالا حرکت دهید. در این حالت، جهت نیروی شما تغییر کرده اما بزرگی آن تغییری نکرده است.

انواع اصلی قرقره‌ها و مزایای هرکدام

قرقره‌ها را بر اساس نحوه نصب و عملکرد به سه دسته اصلی تقسیم می‌کنند. هر کدام مزایا و کاربردهای خاص خود را دارند.

نحوه کاهش نیرو توسط قرقره متحرک

کاهش نیرو در قرقره متحرک یک مفهوم کلیدی است. وقتی از یک قرقره متحرک استفاده می‌کنید، وزن بار بین دو قسمت طناب که به قرقره متصل است، تقسیم می‌شود. به عبارت دیگر، بار توسط دو طناب نگه داشته می‌شود. بنابراین، نیرویی که شما باید وارد کنید فقط نصف وزن بار خواهد بود. این رابطه را می‌توان با فرمول زیر نشان داد:

$F_{effort} = \frac{F_{load}}{2}$

مثال: اگر بخواهیم جعبه‌ای به وزن 200 نیوتن را با یک قرقره متحرک بلند کنیم، نیروی مورد نیاز ما فقط 100 نیوتن خواهد بود. اما یک نکته مهم وجود دارد: برای بلند کردن بار به اندازه یک متر، شما باید دو متر طناب بکشید! این همان اصل تضاد راه و نیرو^۷ در ماشین‌های ساده است: شما در نیرو صرفه‌جویی می‌کنید، اما باید مسافت بیشتری را طی کنید.

محاسبه مزیت مکانیکی در سیستم‌های قرقره

مزیت مکانیکی^۸ (MA) عددی است که نشان می‌دهد یک ماشین ساده مانند قرقره، نیروی شما را چند برابر می‌کند. برای سیستم‌های قرقره، ساده‌ترین راه برای محاسبه مزیت مکانیکی ایده‌آل، شمردن تعداد طناب‌هایی است که بار را مستقیماً نگه می‌دارند (تعداد طناب‌های حامل بار). اگر قرقره متحرک باشد، طنابی که به سمت بالا می‌رود و به تکیه‌گاه می‌رسد نیز بار را نگه می‌دارد.

مزیت مکانیکی ایده‌آل از رابطه زیر به دست می‌آید:

$MA = \frac{F_{load}}{F_{effort}} = \text{تعداد طناب‌های حامل بار}$

در دنیای واقعی، به دلیل اصطکاک و وزن خود قرقره‌ها، مزیت مکانیکی واقعی کمی کمتر از این مقدار ایده‌آل است.

کاربردهای قرقره در زندگی روزمره و صنعت

قرقره‌ها همه‌جا هستند! زمانی که پرده‌های پنجره را با کشیدن یک طناب به کناری می‌زنید، از یک قرقره ثابت استفاده کرده‌اید. آسانسورهای مدرن از سیستم‌های پیچیده قرقره (معمولاً با موتور) استفاده می‌کنند. جرثقیل‌های ساختمان‌سازی برای بلند کردن تیرهای سنگین فولادی و مصالح به سیستم‌های قرقره مرکب قدرتمند مجهز هستند. حتی پرچم‌هایی که بر فراز میدانی برافراشته می‌شوند، با کمک یک قرقره ثابت بالا و پایین می‌روند. در کشتی‌های بادبانی نیز از قرقره‌های متعدد برای کنترل بادبان‌های بزرگ استفاده می‌شود.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱ قرقره (Pulley)
^۲ نیروی محرک (Effort Force)
^۳ بار (Load)
^۴ قرقره ثابت (Fixed Pulley)
^۵ قرقره متحرک (Movable Pulley)
^۶ قرقره مرکب (Compound Pulley / Pulley System)
^۷ تضاد راه و نیرو (Trade-off between Force and Distance)
^۸ مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage - MA)