Уявіть собі будівництво хмарочоса. Або навіть просто двоповерхового будинку. Щоб дістатися до верху, потрібна величезна кількість важких каменів та бетону. Електричного крана немає. Що робити?
У минулому відповіддю була система блоків. Вона не була гарною. Вона була виснажливою. Але вона працювала. Більшість людей втрачають цей момент. Сучасні автомобільні крани досі використовують той самий принцип. Він не змінився за сторіччя.
Слово “блок” походить від німецького слова “Flaschenzug”. Коли ви бачите це, ви можете подумати про скляну пляшку. Це негаразд. В даному випадку “пляшка” (Flasche) – це просто корпус одного або декількох коліс або роликів. Оберніть мотузку навколо них. Ось і все. Прості геометричні форми виконують тяжку роботу.
Пояснення простого блоку
Розглянемо базові налаштування. Уявіть, що у вас два колеса.
Одне колесо закріплене на балці зверху. Воно не рухається. Інше колесо вільне. Воно звисає вниз. Прикріпіть до його вільного нижнього колеса важкий об’єкт, як-от камінь, балка або людина.
Тепер візьміть мотузку. Прив’яжіть один кінець до фіксованого верхнього колеса. Протягніть мотузку вниз під вільним колесом і зверху поверх фіксованого колеса. Від верхнього колеса мотузка звисає вниз. Це те місце, за яке треба тягнути.
Ви можете використати свої м’язи. Або кінь. Або корову. Або двигун. Джерело сили не змінює принципів фізики.
Математика зусилля
Тут цікаво. Допустимо, ви тягнете мотузку вниз. Ви тягнете її рівно на два метри. Ця відстань тяги називається відстань зусилля (в оригіналі Kraftweg).
Який вантаж може підняти?
1 метр.
Рівно один.
Чому? Бо мотузка складена навпіл між двома колесами. Натяг мотузки підтримує вагу. Навантаження розподіляється між двома частинами мотузки. Отже, на кожен 1 метр підйому необхідно протягнути 2 метри мотузки.
Це не баг. Це фіча.
Золоте правило механіки
Цей компроміс підпорядковується з того що фізики називають «Золотим правилом механіки».
Правила прості. Безкоштовного обіду не буває. Якщо ви хочете зменшити силу, необхідну для підйому, ви повинні заплатити за це відстанню.
Ви жертвуєте відстанню, щоб отримати силу.
Якщо ви тягнете мотузку вдвічі далі, ніж піднімається вантаж, то для підйому вантажу потрібно лише половина сили. Якщо камінь важить 1000 кілограмів, вам потрібно докласти сили, еквівалентної підйому 500 кілограмів. Це ще дуже важко. Але його можна підняти.
Без цієї механічної переваги багато будівельних завдань були б неможливі. Ми покладаємося на цю просту конструкцію з коліс та мотузок, щоб переміщати об’єкти, які інакше довелося б роздавлювати. Не магія. Це просто геометрія. І вона досі підтримує наші будинки.
