Física

Projeto da máquina 101: Polias e contrapesos

Projeto da máquina 101: Polias e contrapesos


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Roldanas e contrapesos têm sido usados ​​há séculos para obter vantagens mecânicas em máquinas de guerra e equipamentos industriais. A física por trás deles é bastante simples, mas sua importância é primordial.

Em nosso mundo moderno, polias e contrapesos são usados ​​em uma ampla variedade de aplicações. Sendo o engenheiro que é, você provavelmente percebe que toda vez que pisa em um elevador, está acionando o que provavelmente é um sistema de roldanas e contrapesos. Em termos de projeto de máquina, as polias são talvez a maneira mais fácil de obter vantagem mecânica. Outra maneira comum de aumentar sua força de saída na mecânica moderna seriam alavancas, cujas polias funcionam de maneira muito semelhante.

O básico de polias

Sem entrar em todas as várias configurações de polia, em seu núcleo, as polias têm uma roda e uma corda. Uma polia com apenas uma roda fixa simplesmente inverte a direção da força de entrada em relação à massa sendo puxada. Com apenas uma roda, para levantar uma massa de 100 kg, você precisaria exercer uma força equivalente a 100 kg (1000 Newtons) na outra extremidade da corda.

Quando mais rodas ou blocos são adicionados à máquina simples que é um sistema de polia, você ganha cada vez mais vantagem mecânica. Com um sistema de 2 rodas, você poderia levantar um peso de 100 kg exercendo apenas 50 kg de força equivalente à corda. Calcular as forças de entrada fica um pouco mais complicado quanto mais blocos você adiciona, bem como por meio de diferentes variações de configuração. No entanto, mesmo os sistemas de polia mais complexos podem ser compreendidos somando os comprimentos dos diferentes trechos de corda e gerando equações a partir de derivações.

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A coisa mais importante a lembrar é que as polias não são sistemas mágicos que simplesmente transformam uma pequena força em uma força maior. Isso pode parecer verdade se você se concentrar na entrada e na saída, mas a massa do que está sendo levantado é sempre traduzida nos pontos fixos onde as polias estão presas ao seu sistema rígido. Em vez de transformar forças, podemos dizer que um sistema de polias e cordas gerencia as forças para maximizar a quantidade de massa que você pode levantar ou mover.

Jogando o sistema com contrapesos

Agora que temos um conhecimento básico dos sistemas de polias, podemos mergulhar nos sistemas de contrapeso para obter ainda mais vantagem mecânica no projeto da máquina. Os contrapesos são usados ​​em sistemas de polias, como elevadores, e também em sistemas de alavanca, como um guindaste. Em termos de contrapesos de guindaste, tudo gira em torno de momentos. Para manter um braço da grua rígido ao levantar uma massa de 100 kg que está a 10 m de distância do fulcro, você precisaria de um contrapeso de 1000 kg a 1 m do fulcro do outro lado para estabilizar o braço da grua. Em guindastes, os contrapesos normalmente mantêm uma massa constante, então, para se ajustar a diferentes cargas, o contrapeso usualmente tem a capacidade de se mover para ajustar o momento. Esta é obviamente uma explicação muito rudimentar dos contrapesos do guindaste.

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Em termos de sistemas de polias, um contrapeso simplesmente ajuda a aplicar uma força de entrada para levantar um objeto. A maneira mais fácil de demonstrar isso seria examinar um sistema de elevador. Em elevadores típicos, há um contrapeso conectado à outra extremidade do sistema de polia equivalente a cerca do peso do carro com 50% de carga. Os contrapesos não fazem todo o trabalho nos elevadores modernos, mas ajudam a estabilizar o sistema e reduzir a carga no motor do elevador.

Assumindo que a cabine do elevador estava carregada com 25% de sua capacidade, tudo o que o motor precisaria fazer é frear a cabine do elevador no andar certo (ao subir). O contrapeso em um elevador também significa que, se um freio motorizado falhar, a velocidade de queda da cabine será tão rápida quanto ocorreria de outra forma. Os sistemas de elevadores como um todo são um pouco mais complicados do que explicados aqui, mas olhando para os contrapesos, essa é a essência de sua função.

Assim, por meio de uma combinação de polias e contrapesos, podemos projetar máquinas que nos dão vantagem mecânica e tornam o movimento de grandes massas bastante fácil com uma pequena força de entrada.

Mais informações sobre polias

Se você está procurando aprender um pouco mais sobre esses dispositivos mecânicos simples, o vídeo abaixo vai em detalhes ainda maiores, com recursos visuais úteis.

Especificamente, Destin da Smarter Every Day discute um tipo de polia, conhecido como blocos de travamento. Esses tipos de polias permitem que a corda seja passada por elas com facilidade, pois se separam no meio. Isso evita que o usuário tenha que passar a corda ou corrente pelo mecanismo da polia no início do uso.

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Quais são alguns dos usos comuns de polias que você já viu, ou talvez, quais são os mais impressionantes?


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