Physik

Maschinenkonstruktion 101: Riemenscheiben und Gegengewichte

Maschinenkonstruktion 101: Riemenscheiben und Gegengewichte



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Riemenscheiben und Gegengewichte werden seit Jahrhunderten verwendet, um mechanische Vorteile bei Kriegsmaschinen und Industrieanlagen zu erzielen. Die Physik hinter ihnen ist ziemlich einfach, aber ihre Bedeutung ist von größter Bedeutung.

In unserer modernen Welt werden Riemenscheiben und Gegengewichte in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Als Ingenieur, der Sie sind, werden Sie wahrscheinlich feststellen, dass Sie jedes Mal, wenn Sie in einen Aufzug steigen, ein System von Riemenscheiben und Gegengewichten einschalten. In Bezug auf die Maschinenkonstruktion sind Riemenscheiben vielleicht der einfachste Weg, um einen mechanischen Vorteil zu erzielen. Ein weiterer üblicher Weg, um Ihre Ausgangskraft in der modernen Mechanik zu erhöhen, sind Hebel, deren Riemenscheiben sehr ähnlich funktionieren.

Die Grundlagen der Riemenscheiben

Ohne in die verschiedenen Riemenscheibeneinstellungen einzusteigen, haben die Riemenscheiben im Kern ein Rad und ein Seil. Eine Riemenscheibe mit nur einem festen Rad kehrt einfach die Richtung der Eingangskraft relativ zur gezogenen Masse um. Mit nur einem Rad müssten Sie zum Anheben einer Masse von 100 kg ein Kraftäquivalent von 100 kg (1000 Newton) auf das andere Ende des Seils ausüben.

Wenn der einfachen Maschine, die ein Riemenscheibensystem ist, mehr Räder oder Blöcke hinzugefügt werden, erhalten Sie immer mehr mechanische Vorteile. Mit einem System von 2 Rädern können Sie ein Gewicht von 100 kg heben, indem Sie nur 50 kg Kraft ausüben, die dem Seil entspricht. Die Berechnung der Eingangskräfte wird umso komplizierter, je mehr Blöcke Sie hinzufügen, sowie durch verschiedene Einstellungsvarianten. Selbst die komplexesten Flaschenzugsysteme können jedoch verstanden werden, indem die Längen der verschiedenen Seilabschnitte addiert und aus Ableitungen Gleichungen erzeugt werden.

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Das Wichtigste ist, dass Riemenscheiben keine magischen Systeme sind, die einfach eine kleine Kraft in eine größere Kraft umwandeln. Dies mag zutreffen, wenn Sie sich auf die Eingabe und Ausgabe konzentrieren, aber die Masse dessen, was angehoben wird, wird immer in die festen Punkte übersetzt, an denen die Riemenscheiben an Ihrem starren System befestigt sind. Anstatt Kräfte umzuwandeln, können wir sagen, dass ein System von Riemenscheiben und Seilen Kräfte verwaltet, um zu maximieren, wie viel Masse Sie heben oder bewegen können.

Das System mit Gegengewichten spielen

Jetzt, da wir ein grundlegendes Verständnis für Riemenscheibensysteme haben, können wir in Gegengewichtssysteme eintauchen, um noch mehr mechanische Vorteile bei der Maschinenkonstruktion zu erzielen. Gegengewichte werden sowohl in Flaschenzugsystemen wie Aufzügen als auch in Hebelsystemen wie Kranen eingesetzt. Bei den Kran-Gegengewichten dreht sich alles um Momente. Um einen Kranarm beim Heben einer 100 kg schweren Masse, die 10 m vom Drehpunkt entfernt ist, steif zu halten, benötigen Sie ein 1000 kg Gegengewicht 1 m vom Drehpunkt auf der anderen Seite, um den Kranarm zu stabilisieren. Bei Kranen behalten Gegengewichte typischerweise eine konstante Masse bei, so dass das Gegengewicht auf unterschiedliche Belastungen eingestellt werden kann meistens hat die Fähigkeit, bewegt zu werden, um den Moment einzustellen. Dies ist offensichtlich eine sehr rudimentäre Erklärung für Kran-Gegengewichte.

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In Bezug auf Riemenscheibensysteme hilft ein Gegengewicht einfach, eine Eingangskraft aufzubringen, um ein Objekt anzuheben. Der einfachste Weg, dies zu demonstrieren, wäre ein Blick auf ein Aufzugssystem. Bei typischen Aufzügen ist am anderen Ende des Flaschenzugsystems ein Gegengewicht angebracht, das etwa dem Gewicht des Wagens bei 50% Belastung entspricht. Gegengewichte erledigen nicht die gesamte Arbeit in modernen Aufzügen, tragen jedoch zur Stabilisierung des Systems und zur Verringerung der Belastung des Aufzugsmotors bei.

Angenommen, eine Aufzugskabine wäre mit 25% ihrer Kapazität beladen, müsste der Motor lediglich die Aufzugskabine im rechten Stock bremsen (beim Aufstieg). Das Gegengewicht in einem Aufzug bedeutet auch, dass bei einem Ausfall einer Motorbremse das Herunterfahren des Fahrzeugs genauso schnell verlangsamt wird wie sonst. Aufzugssysteme als Ganzes sind etwas komplizierter als hier erklärt, aber bei Gegengewichten ist dies die Essenz ihrer Funktion.

Durch eine Kombination von Riemenscheiben und Gegengewichten können wir Maschinen konstruieren, die uns einen mechanischen Vorteil verschaffen und das Bewegen großer Massen mit einer kleinen Eingangskraft ziemlich einfach machen.

Weitere Informationen zu Riemenscheiben

Wenn Sie mehr über diese einfachen mechanischen Geräte erfahren möchten, wird das folgende Video mit nützlichen visuellen Hilfsmitteln noch detaillierter.

Insbesondere beschreibt Destin von Smarter Every Day eine Art von Riemenscheibe, die als Schnappblöcke bezeichnet wird. Diese Art von Riemenscheiben ermöglicht ein leichtes Einfädeln von Tauwerk, da sie sich in der Mitte teilen. Dies erspart dem Benutzer, das Seil oder die Kette zu Beginn des Gebrauchs durch den Riemenscheibenmechanismus führen zu müssen.

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