جرثقیل: غولهای مهندسی چگونه کار میکنند؟
قلب تپنده جرثقیل: قرقره و اهرم چگونه به ما کمک میکنند؟
برای درک کار جرثقیل، ابتدا باید دو مفهوم ساده فیزیک را بشناسیم: قرقره و اهرم. این دو از "ماشینهای ساده"۴ هستند که قرنهاست انسان از آنها برای انجام راحتتر کارها استفاده میکند.
معیاری است که نشان میدهد یک ماشین ساده (مثل قرقره یا اهرم) چند برابر نیروی شما را افزایش میدهد. اگر برای بلند کردن جسم 100 کیلوگرمی فقط نیاز به اعمال نیرویی معادل 25 کیلوگرم داشته باشید، مزیت مکانیکی سیستم شما 4 است .
قرقره در سادهترین حالت، یک چرخ شیاردار است که طناب از روی آن عبور میکند. با استفاده از یک قرقره تنها، جهت نیرو تغییر میکند (مثلاً با کشیدن طناب به پایین، جسم به بالا میرود) اما مقدار نیرو تغییر نمیکند . رمز کار وقتی آشکار میشود که چند قرقره را با طنابهایی خاص به هم متصل کنیم. به این سیستم قرقره مرکب میگویند.
در یک سیستم قرقره مرکب، هرچه تعداد طنابهای حامل بار بیشتر باشد، نیروی کمتری برای بلند کردن آن نیاز است. به بیان دیگر، مزیت مکانیکی افزایش مییابد. البته یک معامله در کار است: برای بلند کردن جسم به اندازه یک متر، باید طول طناب بیشتری (مثلاً چهار متر) را بکشید. این همان حفظ انرژی است: کار ورودی تقریباً برابر کار خروجی است .
فرمول کار (انرژی مصرفی) به این صورت است:
که در آن $W$ کار، $F$ نیرو و $d$ جابهجایی است. در یک سیستم قرقره با مزیت مکانیکی 4، نیرو به یکچهارم کاهش مییابد، اما طول طناب کشیده شده ۴ برابر میشود، بنابراین کل کار ثابت میماند .
اهرم نیز ایده مشابهی دارد. در الاکلنگ، اگر فرد سبکتر دورتر از نقطه تکیهگاه (فولکرم۵) بنشیند، میتواند فرد سنگینتر را بلند کند. در جرثقیلهای بازویی، همین اصل با کمک یک بازوی بلند (بوم) و یک وزنه تعادل در طرف دیگر اجرا میشود.
انواع جرثقیل: هر کدام برای کاری ساخته شدهاند
جرثقیلها بر اساس شکل، محل کار و کاربردشان به انواع مختلفی تقسیم میشوند . در جدول زیر با برخی از رایجترین انواع آنها آشنا میشوید:
| نوع جرثقیل | تصویر ذهنی و شکل | کاربرد اصلی |
|---|---|---|
| جرثقیل برجی (تاور) | برج بلند عمودی با یک بازوی افقی در بالا. نماد ساختوسازهای شهری. | ساخت ساختمانهای مرتفع، برجها و سدها . |
| جرثقیل متحرک (کامیونی) | سوار بر کامیون یا شاسی چرخدار. دارای بازویی تلسکوپی. | کارهای عمرانی کوتاهمدت، بارگیری و تخلیه کالا در بنادر و انبارها . |
| جرثقیل سقفی | نصبشده بر روی ریلهایی در زیر سقف سالنهای بزرگ. | جابهجایی قطعات سنگین در داخل کارخانهها (مثل کارخانه خودروسازی) . |
| جرثقیل دروازهای (گانتری) | شبیه یک دروازه غولپیکر با دو پایه و یک تیر بالایی. | بنادر برای بارگیری کشتیها، محوطههای انبارداری بزرگ . |
از تئوری تا عمل: جرثقیل در زندگی روزمره ما
شاید فکر کنید جرثقیل فقط برای پروژههای عظیم است، اما نمونههای کوچک و کاربردی آن در اطراف ما زیاد هستند :
آسانسور: یک جرثقیل عمودی است! کابین توسط سیمبکسلهای قوی (سیستم قرقره) کشیده شده و توسط موتور (نیرو) به بالا و پایین حرکت میکند.
جرثقیلهای دستی: در گاراژها یا مغازههای کوچک دیده میشوند. این جرثقیلهای ثابت یا متحرک معمولاً با یک زنجیر دستی کار میکنند و برای بلند کردن موتور خودرو یا تجهیزات سنگین استفاده میشوند . حتی میتوان با درک اصول قرقره، مدل سادهای از آن را با چوب و طناب ساخت .
فروشگاههای لوازم خانگی: وقتی کالای سنگینی مثل یخچال را خریداری میکنید، معمولاً برای رساندن آن به طبقات بالا از یک بالابر ساختمانی کوچک استفاده میکنند که همان اصول جرثقیل را دارد.
این مثالها نشان میدهند اصول فیزیکی یکسان، هم در یک جرثقیل دستی کوچک و هم در یک غول برجی صدها تنی جریان دارد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
۱جرثقیل (Crane): ماشینی برای بلند کردن و جابهجایی اجسام سنگین در راستای افقی و عمودی با استفاده از بازو، کابل و قرقره .
۲قرقره (Pulley): یک چرخ شیاردار که طناب یا کابل از روی آن عبور میکند. با ترکیب چند قرقره میتوان نیروی لازم برای بلند کردن بار را کاهش داد .
۳مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage): نسبت نیروی خروجی ماشین به نیروی ورودی کاربر. نشان میدهد ماشین چند برابر نیرو را افزایش داده است .
۴ماشین ساده (Simple Machine): ابزارهای پایهای که انجام کار را آسانتر میکنند، مانند اهرم، قرقره، سطح شیبدار و چرخو محور.
۵فولکرم (Fulcrum): نقطه تکیهگاه یا چرخش در یک اهرم.
۶حداکثر ظرفیت مجاز بار (Safe Working Load - SWL): بیشترین باری که یک وسیله (مانند جرثقیل یا سیمبکسل) به طور ایمن میتواند تحمل کند .
