Smíði samsettrar talíu (blokk og reipi) — Margfaldari krafts Arkimedesar

Áður en timbur er sagað skaltu reikna út vélrænan ávinning sem þú þarft og hversu margar reimskífur það krefst. Vélrænn ávinningur (MA) er jafn fjölda reipiþátta sem bera hreyfanlega (neðri) blokkina, ekki heildarfjölda trissa. Kerfi með tveimur trissum og einni hreyfanlegri reimskífu gefur MA = 2. Kerfi með tveimur trissum í hvorri blokk (fjórar reimskífur alls) með fjórum reipiþáttum sem bera neðri blokkina gefur MA = 4. Álagskrafturinn á festipunktinn sem efri blokkin hangir í er jafn þyngd farms margfaldaðri með (MA + 1) / MA, þannig að 4:1 kerfi fest við loftbita í lofti verður að bera 125% af þyngd farmsins í festipunktinum. Stærðu festinguna í samræmi við það.

Fyrir þessa teikningu smíðum við 4:1 kerfi: tvær reimskífur í efri (föstu) blokkinni, tvær reimskífur í neðri (hreyfanlegu) blokkinni. Þetta kerfi getur lyft 200 kg með 50 kg handarafli, sem gerir það hagnýtt fyrir tvo einstaklinga sem vinna saman við byggingarvinnu.

Hver trissa (rifað hjól) verður að vera gerð úr þéttum, nákvæmlega ofnum harðviði sem þolir klofnun undir endurtekinni reipiálagi. Askur, álmur og lignum vitae (þegar það er fáanlegt) eru tilvalin. Forðastu beinvaxin barrtré — fura og greni klofna meðfram trefjunum þegar reipi þrýstist ofan í rifu trissunnar. Fyrir 4:1 kerfi sem getur lyft 200 kg skaltu gera fjögur trissuhjól, hvert um 15–20 cm í þvermál og 4 cm þykk. Skerðu hjólaauða úr harðviðarplanka sem er 5 cm þykkur og teiknaðu hringi með sirkli.

Ef timbrið er nýlega höggvið skaltu láta það lofttþorna í að minnsta kosti fjórar vikur áður en það er mótað — grænt tré rýrnar og klofnar við þurrkun, og sprungin trissa undir álagi er hættuleg. Boraðu öxulgatið í nákvæma miðju hvers auða áður en felgan er mótuð — að bora út fyrir miðju skapar ójafnt hjól sem veldur því að reipið hleypur úr rifunni.

Þegar öxulgatið hefur verið borað í miðjuna, mótaðu ytri brún hvers hjóls í slétta hringlaga lögun með hefli (spokeshave) eða raspi, og athugaðu með sirkli að radíusinn sé jafn allan hringinn. Skerðu síðan reipirilluna umhverfis ummálið: V-laga rillu sem er 1 cm djúp og nógu breið til að taka við þvermáli reipisins með 2–3 mm bili. Fyrir 12 mm hampreip skal skera rillu sem er 14–15 mm breið við brúnina og mjókkar niður í 5 mm ávalan botn. Rillan verður að halda reipinu miðju á hjólinu — ef rillan er of mjó hleðst reipið saman og festist; ef hún er of breið reikar það úr miðju og hleypur af hjólinu undir álagi.

Sléttaðu rilluna með sandsteini eða fínum slípiefnum til að fjarlægja flísar sem gætu núið reipið. Að lokum skaltu bora miðjugatið fyrir öxulinn þannig að þvermál þess sé 1 mm stærra en járnöxulpinninn, svo hjólið snúist frjálslega með lágmarks sveiflu.

Blokkarhúsið er trévarinn sem heldur tveimur trissuhjólum hlið við hlið, heldur þeim í réttri stöðu og veitir festingarpunkta fyrir krókinn og reipið. Skerið tvo hliðarkinna úr 3 cm þykku harðviðarborði, u.þ.b. 25 cm á hæð og 12 cm á breidd. Á milli þeirra skal skera miðstyrkingu ("skel"-blokkina) sem heldur kinnunum í sundur sem nemur samanlagðri breidd tveggja trissuhjóla auk 3 mm hreyfiskekkju á hvorri hlið. Trissuhjólin verða að snúast frjálst inni í blokkinni án þess að nuddast við kinnarnar.

Spennið samsetninguna saman og festið hana með járnteinum eða trétappa (dýblum). Efst í efri blokkinni skal bora 12 mm gat í gegnum báðar kinnarnar og skelina fyrir krókboltann, en það er gegnumgengin járnstöng með krók sem er smíðaður eða beygður á öðrum endanum og rói á hinum. Krókurinn er það sem hengir alla efri blokkina upp í lyftibitann eða kranann.

Neðri blokkin er smíðuð eins og efri blokkin — sömu kinnamál, sama bil — en hefur krók neðst í stað efst, og reipiskór (auga eða lykkja úr reipi) efst þar sem kyrrstæði endi reipisins er festur. Þessi skórfesting er það sem hlaupandi reipið snýr aftur til þegar 4:1 kerfi er vafið: kyrrstæði endinn (‚dauði‘ endinn) er festur í neðri blokkinni, og hlaupandi endinn fer út um efri blokkina og niður til hendi þess sem dregur.

Búið neðri blokkina stórum lykkjukrók — járnkrók með 10 mm þvermál skafts, sem þolir fullt metið álag upp á 200 kg. Auga krókksins fer í gegnum botn neðri blokkarhússins og er tryggt með rói eða splitti. Sléttið allt ytra yfirborð og rúnið öll horn — blokk og talía undir álagi sveiflast og rekst á mannvirki; hvassar brúnir skera í reipi og meiða hendur.

Hvert par trissuhjóla (efri blokk og neðri blokk) deilir einum járnásbolta sem fer í gegnum báðar kinnar og í gegnum miðjugötin á hjólunum tveimur. Þvermál boltans ætti að vera 8–10 mm fyrir 200 kg kerfi — notið formúluna: fyrir bolta í einfaldri skurðarálagi er leyfilegt álag í kg ≈ (þvermál bolta í mm)² × 5. Járnbolti sem er 10 mm getur borið u.þ.b. 500 kg í skurði, sem gefur öryggisstuðul 2,5 yfir hönnunarálagið.

Áður en boltinn er settur í skal bera tólg eða býflugnavax á ásgöt trissanna og yfirborð boltans. Þetta virkar sem legusmurning og dregur úr núningi og hita við stöðuga notkun. Festið endana á boltanum með kopar- eða járnsplittum í gegnum borađ göt — treystið aldrei eingöngu á þrýstipassun. Undir endurteknu álagi og titringi mun bolti sem haldist aðeins af núningi losna og skríða út.

Fornir talíukerfi notuðu reipi úr hampi, manila eða papýrus trefjum, allt náttúrulegar plöntutrefjar með framúrskarandi togstyrk miðað við þyngd. Fyrir 4:1 kerfi sem lyftir 200 kg verður reipið að vera metið fyrir að minnsta kosti 200 kg spennu (virki endinn er undir fullu 200 kg álagi deilt með MA = 4, en reipið sjálft ber þetta yfir alla lengd sína). Notið að lágmarki 12 mm þvermál þriggja þráða snúið hampreipi, sem hefur öruggt vinnuálag um það bil 200–250 kg og brotstyrk upp á um 1.000–1.200 kg.

Skoðið reipið með tilliti til kjarnarotnunar (myglulyktar og auðveldrar þjöppunar) og yfirborðsslits. Skerið reipið í lengd: þú þarft fjarlægðina milli efri og neðri talía (vinnuhæðina) margfaldaða með fjölda reipisþátta (4) auk aukalengdar fyrir þræðingu um hjólin, festingu becket og endann til togs. Bindið (vefjið) skornu endana með vafningsgarni til að koma í veg fyrir að þeir rakni upp.

Að þræða er ferlið við að þræða reipið í gegnum hjólin í réttri röð. Fyrir 4:1 samsetta talíu með tvö hjól í hvorri blokk: byrjaðu á því að festa kyrrstæða (dauða) endann við festinguna efst á neðri blokkinni með bógahnút (bowline). Leiddu reipið upp og yfir fyrsta hjólið í efri blokkinni (vinstra megin), niður og undir fyrsta hjólið í neðri blokkinni (vinstra megin), upp og yfir annað hjólið í efri blokkinni (hægra megin), niður og undir annað hjólið í neðri blokkinni (hægra megin). Hlaupandi endinn kemur út úr neðri blokkinni niður í átt að vindunni.

Rétt röð við að þræða tryggir að reipið krossi ekki sjálft sig innan blokkanna (sem myndi valda núningi og festingu) og að álagið dreifist jafnt á alla fjóra reipishluta. Þegar rétt er þrætt, lyftir 50 kg átak sem togar hlaupandi endann niður 200 kg á króknum á neðri blokkinni.

Krókur efri blokkarinnar verður að vera festur við mannvirki sem er hannað til að bera fullt álag. Fyrir 200 kg vinnuálag á 4:1 kerfi verður festipunkturinn að bera 200 kg (álag) + eigin þyngd blokkanna og reipisins — kallað 220 kg samtals. Fyrir festingu á timburbita skal nota láréttan eikarbita með þverskurð að minnsta kosti 20 cm × 20 cm, og krókurinn vafinn um bitann í stað þess að hengja hann á einn punkt, til að dreifa álaginu eftir trefjastefnu viðarins.

Festið aldrei í múrsamskeyti, ryðguð járnkrókaa eða timbur með sýnilegum sprungum eða fúa. Þegar unnið er í hæð (lyft steinblokkum eða farmi) skal bæta við öðru öryggisfestingu jafn sterkri og þeirri vinnandi við hliðina á henni. Skoðið festipunktinn fyrir hverja lyftingu — álagslotur veikja efni sem virðast heil við sjónræna skoðun eina saman.

Smurning á snertifleti trissu og öxulsins er nauðsynleg. Án smurningar skapar 200 kg álag á 4:1 kerfi hliðarálag á hvern öxulpinna sem nemur um 100 kg. Núningshitinn sem af því hlýst getur sviðið viðarhúsið utan um trissuna innan nokkurra mínútna samfelldrar notkunar. Pakkaðu bræddum dýratalg eða býflugnavaxi í öxulpinnagötin áður en samsetning fer fram, og berðu aftur á í gegnum litlar smurningarholur sem boraðar eru í gegnum kinnar blokkarinnar á staðsetningu öxulpinnans eftir að blokkirnar hafa verið settar saman.

Smyrðu líka snertiflöt reipis og trissu: renndu þeim hlutum reipisins sem eru þræddir í gegnum kerfið í gegnum lófafylli af talg (ekki tjöru eða feiti — þessi efni stífa trefjar reipisins og valda innri sliti). Vel smurð blökk og talía gengur með áberandi mun á auðveldni — munurinn á MA 4:1 og virkri MA nær 3:1 vegna núningstapa í þurru kerfi.

Áður en fullt vinnuálag er sett á skal reynsluprófa blokkina og talíuna við 110% af metnu álagi. Hengdu þekkta þyngd á neðri blokkarkrókinn (vatnsfylltar ílát henta vel — 1 lítri af vatni = 1 kg). Lyftu prófunarálaginu 10 cm frá jörðu og haltu því í fimm mínútur. Hlustaðu eftir brakhljóðum sem aukast með tímanum (það bendir til aflögunar í timbri), skoðaðu reipisþræðina með tilliti til spennuhvells (brotinna trefja) og finndu hitann á öxulboltunum í gegnum hliðar blokkarinnar (hlýja er ásættanleg; heitt þýðir að núningstap er of mikið og smurning hefur brugðist).

Eftir að hafa staðist reynsluprófið við 110% skal keyra kerfið í gegnum nokkrar heilar lyftu- og lækkunarlotur til að leyfa reipinu að setjast til (þræðirnir þjappast saman og snúningurinn þéttist undir upphafsálagi). Vélrænt hagræði er best mælt beint: hengdu kvarðaða 100 kg þyngd og mæltu handaraflið sem þarf á lausa endanum með gormavog. Vel smíðað 4:1 kerfi krefst 25–28 kg togs — 3 kg umfram hina fræðilegu 25 kg eru núningstöp í trissunum og reipinu.

Með kerfið sett upp og prófað það, sýndu vélrænan ávinning hverjum þeim sem efast um stærðfræðina. Settu 100 kg steinblokk á jörðina undir neðri blokkina. Láttu einn mann halda á kvarðaðri gormavog á enda togreipisins. Annar maður skráir mælingu vogarinnar þegar hinn fyrsti dregur hægt. Vogin ætti að sýna 25–28 kg þrátt fyrir að 100 kg séu lyft — samsetta trissan hefur minnkað nauðsynlegan kraft í einn fjórða. Þetta var sýnikennsla Arkimedesar fyrir Hierón konung: ekki galdur, heldur rúmfræði birt í tré, reipi og bronsi.

Samsett trissa Arkimedesar felur í sér djúpstæða innsýn: hlutfall krafta er öfugt við hlutfall vegalengda sem farnar eru. 4:1 vélrænn ávinningur þýðir að hönd þess sem togar ferðast fjórum sinnum lengra en byrðin hækkar. Orka varðveitist — kraftur × vegalengd er fasti — en kraftur er skiptur við vegalengd í því hlutfalli sem hönnuðurinn velur. Þessi meginregla, fyrst sett fram nákvæmlega af Arkimedesi í 'Um jafnvægi flata', liggur til grundvallar allri klassískri aflfræði og var áfram fræðilegur grunnur vélahönnunar fram að iðnbyltingunni.

Eftir hverja notkun skal létta öllu álagi af reipinu og skoða alla lengd þess fyrir skurðum, núningi og hnútum. Reipi sem hefur verið hnýtt fær varanlega minnkun á brotstyrk á hnútsstaðnum — skerðu hnýtta hlutann úr og splæstu aftur ef ekki er hægt að slétta hann. Vefðu reipinu í lykkjur með skiptis réttsælis og rangsælis hálfum snúningum (svokölluð 'áttutölu' lykkja) til að koma í veg fyrir uppsöfnun snúnings sem veldur því að reipið flækist við notkun.

Geymið talíur á þurrum stað fjarri beinu sólarljósi — útfjólublátt ljós brýtur niður trefjar reipisins og þurrkar viðarkubbana, sem veldur sprungumyndun (yfirborðssprungum). Smyrjið öxulpinnana aftur á 20 notkunarstunda fresti. Skoðið kinnar talíunnar árlega með tilliti til lagskiptingar eða útbreiðslu sprungna frá öxulpinnagötunum; skiptið um kinnar ef sprungurnar ná lengra en einn þriðji af breidd kinnarinnar. Vel viðhaldin talía endist kynslóð án meiriháttar viðgerða.