Представьте себе строительство небоскреба. Или даже просто двухэтажного дома. Чтобы добраться до верха, требуется огромное количество тяжелых камней и бетона. Электрического крана нет. Что делать?
В прошлом ответом была система блоков. Она не была красивой. Она была изнурительной. Но она работала. Большинство людей упускают этот момент. Современные автомобильные краны до сих пор используют тот же самый принцип. Он не изменился за столетия.
Слово «блок» происходит от немецкого слова «Flaschenzug». Когда вы видите это, вы можете подумать о стеклянной бутылке. Это не так. В данном случае «бутылка» (Flasche) — это просто корпус одного или нескольких колес или роликов. Оберните веревку вокруг них. Вот и всё. Простые геометрические формы выполняют тяжелую работу.
Объяснение простого блока
Рассмотрим базовые настройки. Представьте, что у вас есть два колеса.
Одно колесо закреплено на балке сверху. Оно не двигается. Другое колесо свободное. Оно свисает вниз. Прикрепите к его свободному нижнему колесу тяжелый объект, такой как камень, балка или человек.
Теперь возьмите веревку. Привяжите один конец к фиксированному верхнему колесу. Протяните веревку вниз под свободным колесом и обратно поверх фиксированного колеса. От верхнего колеса веревка свисает вниз. Это то место, за которое нужно тянуть.
Вы можете использовать свои мышцы. Или лошадь. Или корову. Или двигатель. Источник силы не меняет принципы физики.
Математика усилия
Здесь становится интересно. Допустим, вы тянете веревку вниз. Вы тянете её ровно на два метра. Это расстояние тяги называется расстояние усилия (в оригинале Kraftweg ).
Какой груз он может поднять?
1 метр.
Ровно один.
Почему? Потому что веревка сложена пополам между двумя колесами. Натяжение веревки поддерживает вес. Нагрузка распределяется между двумя частями веревки. Следовательно, на каждый 1 метр подъема необходимо протянуть 2 метра веревки.
Это не баг. Это фича.
Золотое правило механики
Этот компромисс подчиняется тому, что физики называют «Золотым правилом механики».
Правила просты. Бесплатного обеда не бывает. Если вы хотите уменьшить силу, необходимую для подъема, вы должны заплатить за это расстоянием.
Вы жертвуете расстоянием, чтобы получить силу.
Если вы тянете веревку в два раза дальше, чем поднимается груз, то для подъема груза требуется только половина силы. Если камень весит 1000 килограммов, вам нужно приложить силу, эквивалентную подъему 500 килограммов. Это все еще очень тяжело. Но его можно поднять.
Без этого механического преимущества многие строительные задачи были бы невозможны. Мы полагаемся на эту простую конструкцию из колес и веревок, чтобы перемещать объекты, которые в противном случае пришлось бы раздавливать. Это не магия. Это просто геометрия. И она до сих пор поддерживает наши здания.
