قرقره‌های مرکب: سامانه‌ای که با چند طناب نیروی لازم را کم می‌کند.

قرقره‌های مرکب: ابزارهای جادویی برای آسان‌تر کردن کارها

قرقره مرکب چیست و چطور کار می‌کند؟

احتمالاً یک قرقره³ ساده را دیده‌اید؛ یک چرخ شیاردار که طناب از روی آن می‌گذرد. اگر از یک قرقره ثابت استفاده کنیم، فقط جهت نیرو را عوض می‌کنیم، مثلاً به جای کشیدن به سمت بالا، می‌توانیم به سمت پایین بکشیم. اما نیروی مورد نیازمان تغییری نمی‌کند. حالا تصور کنید چند قرقره ثابت و متحرک را با یک یا چند رشته طناب به هم وصل کنیم. به این مجموعه، یک قرقره مرکب یا قرقره مرکب¹ می‌گویند.

راز کار قرقره مرکب در این است که وزن جسم بین چند بخش از طناب تقسیم می‌شود. هر چه تعداد طناب‌هایی که وزنه را نگه می‌دارند بیشتر باشد، نیروی لازم برای نگه داشتن یا بلند کردن آن کمتر است. برای درک بهتر، فرض کنید شما و دوستانتان باید یک کیف بسیار سنگین را بلند کنید. اگر هر سه با هم آن را بگیرید و بلند کنید، وزن بین سه نفر تقسیم می‌شود و برای هر نفر سبک‌تر می‌شود. در قرقره مرکب، طناب‌ها مانند دست‌های کمکی عمل می‌کنند.

انواع اصلی قرقره‌های مرکب و مزیت مکانیکی آنها

قرقره‌های مرکب را می‌توان به چند شکل رایج بست. دو نوع اصلی که باید بشناسید، قرقره مرکب متوالی (یا پشت سر هم) و قرقره مرکب مرکب⁵ است. تفاوت در چیدمان قرقره‌ها و مسیر طناب است.

مزیت مکانیکی² عددی است که نشان می‌دهد این دستگاه مکانیکی نیروی وارد شده توسط ما را چند برابر می‌کند. اگر مزیت مکانیکی یک قرقره مرکب 4 باشد، یعنی برای بلند کردن وزنه‌ای به وزن 400 نیوتن، فقط به نیروی 100 نیوتنی نیاز داریم. البته یک معامله وجود دارد: برای جابجایی وزنه به اندازه یک متر، باید 4 متر طناب بکشیم! انرژی کلی که مصرف می‌شود ثابت می‌ماند، اما نیروی کمتری در هر لحظه لازم است.

از آسانسور ساختمان تا جرثقیل ساختمانی: کاربردهای شگفت‌انگیز

شاید فکر کنید قرقره مرکب فقط یک وسیله آزمایشگاهی است، اما نمونه‌های آن همه جا هستند. بیایید به اطراف خود نگاه کنیم:

۱. پرچم‌های روی میله‌های بلند: سامانه بالا بردن پرچم، معمولاً یک قرقره ساده است. اما در میله‌های بسیار بلند یا پرچم‌های سنگین، ممکن است از قرقره مرکب برای کاهش نیروی کشش استفاده شود.

۲. طناب‌کشی در کشتی‌های بادبانی قدیمی: برای بالا کشیدن بادبان‌های بزرگ و سنگین از ترکیب پیچیده‌ای از قرقره‌های مرکب استفاده می‌شد تا دریانوردان بتوانند با نیروی بازوی خود، بادبان‌های عظیم را کنترل کنند.

۳. جرثقیل‌های ساختمانی: قلب بسیاری از جرثقیل‌ها، یک سامانه قرقره مرکب قدرتمند است. موتور جرثقیل، طناب فولادی (کابل) را می‌کشد و با تقسیم بار بین چند رشته کابل، می‌تواند تیرهای فولادی چند تنی را به آرامی و با کنترل کامل بالا ببرد.

۴. آسانسورهای مدرن: در بسیاری از آسانسورها، کابین توسط چندین کابل فولادی محکم نگه داشته شده است. این فقط برای ایمنی نیست. استفاده از چند کابل (که شبیه ایده قرقره مرکب است) بار را تقسیم می‌کند و موتور آسانسور نیازی به تولید نیروی بسیار زیاد برای بلند کردن وزن کابین و مسافران ندارد.

حتی در تجهیزات ورزشی مانند دستگاه‌های بدنسازی نیز از این اصل استفاده می‌شود تا با جابجایی یک پین، تعداد طناب‌های حامل وزنه تغییر کند و مقاومت دستگاه کم یا زیاد شود.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹قرقره مرکب (Compound Pulley): سیستمی متشکل از چندین قرقره (چرخ شیاردار) که همگی توسط یک یا چند رشته طناب به هم متصل شده‌اند تا مزیت مکانیکی ایجاد کنند.

²مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage - MA): نسبت نیروی خروجی (مقاومت) به نیروی ورودی (محرک) در یک ماشین ساده. در قرقره، به صورت ساده، نسبت وزن جسم به نیروی کشش لازم است.

³قرقره (Pulley): یک چرخ شیاردار که طناب، کابل یا زنجیر درون شیار آن قرار می‌گیرد و برای تغییر جهت نیرو یا ایجاد مزیت مکانیکی به کار می‌رود.

⁴اصطکاک (Friction): نیرویی که در مقابل حرکت نسبی دو سطح در تماس با هم مقاومت می‌کند. در قرقره‌ها، اصطکاک بین طناب و قرقره و در بلبرینگ‌ها باعث اتلاف انرژی می‌شود.

⁵قرقره مرکب (بلوک و تاکِل - Block and Tackle): نام دیگر و رایج برای یک سامانه قرقره مرکب متوالی که از چندین قرقره ثابت و متحرک تشکیل شده است.