بكرة

الموسوعة الحرة

البكرة عبارة عن عجلة على محور أو عمود تمكن كابلًا أو حزامًا مشدودًا يمر فوق العجلة من التحرك وتغيير الاتجاه، أو نقل الطاقة بينه وبين العمود.

قد تحتوي البكرة على أخدود أو أخاديد بين حوافها حول محيطها لتثبيت الكابل أو الحزام. ويمكن أن يكون عنصر الدفع في نظام البكرة حبلاً أو كابلاً أو حزاماً أو سلسلة .

تاريخ

يعود أقدم دليل على وجود البكرات إلى مصر القديمة في الأسرة الثانية عشرة (1991-1802 قبل الميلاد) [ 1 ] وبلاد ما بين النهرين في أوائل الألفية الثانية قبل الميلاد، [ 2 ] ثم ظهرت في مصر القديمة واليونان القديمة حيث وصفها عالم الرياضيات اليوناني أرخيتاس من تارانتوم .

في مصر الرومانية ، عرّف هيرو الإسكندري (حوالي 10-70 ميلادي) البكرة بأنها إحدى ست آلات بسيطة تُستخدم لرفع الأثقال. [ 3 ] تُجمّع البكرات لتشكيل نظام البكرة والحبل لتوفير ميزة ميكانيكية لتطبيق قوى كبيرة. كما تُجمّع البكرات كجزء من أنظمة نقل الحركة بالحزام والسلسلة لنقل الطاقة من عمود دوار إلى آخر. [ 4 ] [ 5 ] يروي بلوتارخ في كتابه " حيوات متوازية" مشهدًا أثبت فيه أرخميدس فعالية البكرات المركبة ونظام البكرة والحبل باستخدام إحداها لسحب سفينة محملة بالكامل نحوه كما لو كانت تنزلق في الماء. [ 6 ]

نظام البكرات والحبال

طرق مختلفة لتجهيز معدات الصيد [ 7 ]

البكرة عبارة عن مجموعة من البكرات (العجلات) مُجمّعة بحيث تدور كل بكرة بشكل مستقل عن البكرات الأخرى. تتكون البكرة من بكرتين متصلتين بحبل يمر عبر مجموعتي البكرات. [ 8 ] [ 9 ]

يتم تجميع نظام البكرات بحيث تُثبّت إحدى البكرات في نقطة التثبيت الثابتة، بينما تُثبّت الأخرى في الحمل المتحرك. وتُساوي الفائدة الميكانيكية المثلى لنظام البكرات عدد أجزاء الحبل التي تدعم البكرة المتحركة.

في الرسم البياني على اليمين، تكون الميزة الميكانيكية المثالية لكل مجموعة من مجموعات البكرات والحبال [ 7 ] الموضحة كما يلي:

  • صيد بالبندقية: 2
  • تدخل لوف: 3
  • التدخل المزدوج: 4
  • تدخلات فريق غين: 5
  • عملية شراء ثلاثية: 6

أنظمة الحبال والبكرات

بكرة في برج النفط
رافعة تستخدم نظام البكرات المركبة، مما يوفر ميزة قدرها 4. يتم تركيب بكرة ثابتة واحدة على الرافعة . يتم توصيل البكرتين المتحركتين (المتصلتين) بالخطاف . يتم توصيل أحد طرفي الحبل بإطار الرافعة، والطرف الآخر بالونش.

يتميز نظام الحبل والبكرة - أي نظام البكرة والرافعة - باستخدام حبل واحد متصل لنقل قوة الشد حول بكرة واحدة أو أكثر لرفع أو تحريك حمولة، وقد يكون الحبل رفيعًا أو قويًا. يُدرج هذا النظام ضمن قائمة الآلات البسيطة التي حددها علماء عصر النهضة. [ 10 ] [ 11 ]

إذا لم يقم نظام الحبل والبكرة بتبديد أو تخزين الطاقة، فإن ميزته الميكانيكية هي عدد أجزاء الحبل التي تؤثر على الحمل. ويمكن توضيح ذلك كما يلي.

لنفترض مجموعة البكرات التي تُشكّل الكتلة المتحركة وأجزاء الحبل التي تدعمها. إذا كان هناك p جزءًا من الحبل يدعم الحمل W، فإن موازنة القوى على الكتلة المتحركة تُظهر أن الشد في كل جزء من الحبل يساوي W/p. هذا يعني أن قوة الإدخال المُطبقة على الحبل هي T = W/p. وبالتالي، فإن نظام البكرات يُقلل قوة الإدخال بمعامل p. [ 12 ]

طريقة التشغيل

تفترض أبسط نظرية تشغيل لنظام البكرات أن البكرات والحبال عديمة الوزن، وأنه لا يوجد فقد للطاقة بسبب الاحتكاك. كما يُفترض أيضاً أن الحبال لا تتمدد.

في حالة الاتزان، يجب أن يكون مجموع القوى المؤثرة على الكتلة المتحركة صفرًا. إضافةً إلى ذلك، يجب أن يكون الشد في الحبل متساويًا في جميع أجزائه. وهذا يعني أن جزئي الحبل اللذين يدعمان الكتلة المتحركة يجب أن يتحمل كل منهما نصف الحمل.

هذه أنواع مختلفة من أنظمة البكرات:

  • البكرة الثابتة: تتكون البكرة الثابتة من محور مثبت على محامل متصلة بهيكل داعم. تعمل البكرة الثابتة على تغيير اتجاه القوة المؤثرة على حبل أو حزام يتحرك على محيطها. وتتحقق الفائدة الميكانيكية من خلال دمج بكرة ثابتة مع بكرة متحركة أو بكرة ثابتة أخرى ذات قطر مختلف.
  • بكرة متحركة: تحتوي البكرة المتحركة على محور داخل كتلة متحركة. وتستند البكرة المتحركة المفردة على جزأين من الحبل نفسه، ولها فائدة ميكانيكية تساوي اثنين.
  • نظام البكرات المركبة: يتكون هذا النظام من مجموعة من البكرات الثابتة والمتحركة . ويمكن أن يحتوي نظام البكرات المركبة على عدة بكرات مثبتة على المحاور الثابتة والمتحركة، مما يزيد من الفائدة الميكانيكية.

يمكن زيادة الفائدة الميكانيكية لنظام الرفع عن طريق تبديل البكرات الثابتة والمتحركة، بحيث يُربط الحبل بالبكرة المتحركة ويُسحب في اتجاه الحمل المرفوع. في هذه الحالة، يُقال إن نظام الرفع "مُحسّن". [ 13 ] يوضح الشكل 3 أن ثلاثة أجزاء من الحبل تدعم الآن الحمل W، مما يعني أن الشد في الحبل هو W/3 . وبالتالي، فإن الفائدة الميكانيكية تساوي ثلاثة.

بإضافة بكرة إلى الكتلة الثابتة في رافعة البندقية، ينعكس اتجاه قوة السحب مع بقاء الفائدة الميكانيكية كما هي، كما هو موضح في الرسم التخطيطي 3أ. هذا مثال على رافعة لوف.

مخططات الجسم الحر

يمكن تحليل الميزة الميكانيكية لنظام البكرات باستخدام مخططات الجسم الحر التي توازن قوة الشد في الحبل مع قوة الجاذبية المؤثرة على الحمل. في النظام المثالي، لا تُبدد البكرات عديمة الكتلة والاحتكاك الطاقة، وتسمح بتغيير اتجاه الحبل دون تمدد أو تآكل. في هذه الحالة، ينتج عن موازنة القوى على جسم حر يشمل الحمل W وعدد n من أقسام الدعم لحبل ذي شد T ما يلي:

نتي-دبليو=0.{\displaystyle nT-W=0.}

نسبة الحمل إلى قوة الشد المدخلة هي الميزة الميكانيكية MA لنظام البكرة، [ 14 ]

مأ=دبليوتي=ن.{\displaystyle MA={\frac {W}{T}}=n.}

وبالتالي، فإن الميزة الميكانيكية للنظام تساوي عدد أجزاء الحبل التي تدعم الحمل.

أنظمة الحزام والبكرة

حزام مسطح على بكرة حزام مقوسة
نظام الحزام والبكرة
بكرة مخروطية تُدار من الأعلى بواسطة عمود نقل الحركة

يتميز نظام الحزام والبكرة بوجود بكرتين أو أكثر مشتركة مع الحزام . يسمح هذا بنقل القدرة الميكانيكية وعزم الدوران والسرعة عبر المحاور . إذا كانت البكرات بأقطار مختلفة، يتحقق تفوق ميكانيكي.

إن نظام نقل الحركة بالحزام مماثل لنظام نقل الحركة بالسلسلة ؛ ومع ذلك، قد تكون بكرة الحزام ملساء (خالية من العناصر المتشابكة المنفصلة كما هو الحال في عجلة مسننة أو ترس مستقيم أو حزام توقيت) بحيث يتم تحديد الميزة الميكانيكية تقريبًا من خلال نسبة قطر خطوة البكرات فقط، وليس بشكل دقيق من خلال نسبة الأسنان كما هو الحال مع التروس والعجلات المسننة.

في حالة البكرة الأسطوانية، الخالية من الأخاديد أو الحواف، غالبًا ما تكون البكرة محدبة قليلاً للحفاظ على مركزية الحزام المسطح . ويُشار إليها بالبكرة المقوسة . كان هذا النوع من البكرات شائع الاستخدام في أعمدة خطوط الإنتاج في المصانع، ولا يزال يُستخدم لتشغيل الفرشاة الدوارة في المكانس الكهربائية العمودية ، وآلات صنفرة الأحزمة ، ومناشير الشريط . [ 15 ] كانت الجرارات الزراعية المصنعة حتى أوائل الخمسينيات من القرن الماضي مزودة عمومًا ببكرة حزام للأحزمة المسطحة (وهو ما استوحي منه اسم مجلة Belt Pulley ). وقد استُبدلت هذه البكرة بآليات أخرى أكثر مرونة في طرق الاستخدام، مثل مأخذ الطاقة والأنظمة الهيدروليكية .

كما أن أقطار التروس (وبالتالي عدد أسنانها) تحدد نسبة التروس ، وبالتالي زيادة أو نقصان السرعة والميزة الميكانيكية التي توفرها، فإن أقطار البكرات تحدد هذه العوامل نفسها. تُعد البكرات المخروطية والبكرات المتدرجة (التي تعمل وفق المبدأ نفسه، مع أن هذه التسميات تُستخدم عادةً للإشارة إلى إصدارات الأحزمة المسطحة وإصدارات الأحزمة على شكل حرف V ، على التوالي) وسيلةً لتوفير نسب نقل متعددة في نظام الحزام والبكرة، يمكن تغييرها حسب الحاجة، تمامًا كما توفر ناقلة الحركة هذه الوظيفة من خلال مجموعة تروس قابلة للتغيير. وتُعد بكرات الأحزمة المتدرجة على شكل حرف V الطريقة الأكثر شيوعًا لتوفير نطاق من سرعات دوران المغزل في مثاقب الطاولة .

يُعدّ الاحتكاك أحد أهم العوامل في الأحزمة والبكرات. تتضمن بعض استخدامات الأحزمة والبكرات زوايا غير اعتيادية (مما يؤدي إلى سوء محاذاة الحزام واحتمالية انزلاقه عن البكرة) أو بيئات ذات شدّ منخفض، مما يتسبب في انزلاق غير ضروري للحزام وبالتالي تآكله بشكل زائد. ولحل هذه المشكلة، تُغطى البكرات أحيانًا بطبقة عازلة. يُستخدم مصطلح "التغطية العازلة" لوصف طلاء أو غطاء أو سطح مقاوم للتآكل ذي أنماط نسيجية مختلفة يُطبّق على أغلفة البكرات، أو عملية تطبيقه. غالبًا ما تُستخدم التغطية العازلة لإطالة عمر الغلاف من خلال توفير طبقة خارجية قابلة للاستبدال أو لتحسين الاحتكاك بين الحزام والبكرة. والجدير بالذكر أن بكرات القيادة غالبًا ما تُغطى بطبقة مطاطية (طبقة احتكاك مطاطية) لهذا السبب تحديدًا. [ 16 ] قد يؤدي وضع مسحوق الصمغ على الحزام إلى زيادة الاحتكاك مؤقتًا، ولكنه قد يُقصّر من عمر الحزام. [ 17 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ أرنولد، ديتر (1991). البناء في مصر: فن البناء الحجري الفرعوني . مطبعة جامعة أكسفورد. ص  71. ISBN 9780195113747.
  2. ↑ موري، بيتر روجر ستيوارت (1999). مواد وصناعات بلاد ما بين النهرين القديمة: الأدلة الأثرية . آيزنبراونز. ص 4. ISBN  9781575060422.
  3. ↑ آشر، أبوت بايسون (1988). تاريخ الاختراعات الميكانيكية . الولايات المتحدة الأمريكية: منشورات كوريير دوفر. ص 98. ISBN  0-486-25593-X.
  4. ↑ أويكر، جون؛ بينوك، جوردون؛ شيجلي، جوزيف (2010). نظرية الآلات والآليات (الطبعة الرابعة ). مطبعة جامعة أكسفورد، الولايات المتحدة الأمريكية. ISBN  978-0-19-537123-9.
  5. ↑ بول، بيرتون (1979). حركيات وديناميكا الآلات المستوية ( طبعة مصورة). برنتيس هول. ISBN  978-0-13-516062-6.
  6. ↑ روريس، كريس (2017). أرخميدس في القرن الحادي والعشرين . دار نشر سبرينغر الدولية. ص 71. ISBN  9783319580593.
  7. 1 2 ماكدونالد، جوزيف أ. (14 يونيو 2008). دليل التجهيز: لعمليات البناء والعمليات الصناعية . ماكجرو هيل بروفيشنال. ص 376. ISBN  978-0-07-149301-7.
  8. ↑ براتر، إدوارد ل. (1994). "الآلات الأساسية" (ملف PDF) . مركز التطوير المهني والتكنولوجيا التابع للتعليم والتدريب البحري، NAVEDTRA 14037.
  9. ↑ مكتب شؤون الأفراد البحرية (1971) [1965]. الآلات الأساسية وكيفية عملها (ملف PDF) . منشورات دوفر. رقم ISBN 0-486-21709-4أُرشف من النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 22-09-2016 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13-12-2011 .
  10. ↑ أفيري، إلروي (1878). الفيزياء الابتدائية . شيلدون وشركاه. ص 459. العجلة والمحور . 
  11. ↑ باوزر، إدوارد (1890). رسالة تمهيدية في الميكانيكا التحليلية: مع أمثلة عديدة ( الطبعة الخامسة). شركة دي. فان نوستراند. ص 180.  
  12. ↑ "حاسبة قوة البكرة ومعادلات الميزة الميكانيكية" . شركة فيرجيلي للأتمتة . تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 مارس 2026 .
  13. ↑ "مرجع الملاحة البحرية، الفصل 5، التجهيزات العامة" (ملف PDF) . sccheadquarters.com.
  14. ↑ تاينر، جون هدسون (1 مايو 2006). استكشاف عالم الفيزياء : من الآلات البسيطة إلى الطاقة النووية . غرين فورست، أركنساس: مجموعة نيو ليف للنشر . ص 68. ISBN   978-1-61458-156-7. LCCN 2005936557 . OCLC 892430550 .  
  15. ↑ "كيف تحافظ البكرات المقوسة على مسار الحزام المسطح" . تروس خشبية.
  16. ↑ "تبطين البكرة" . CKIT . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 يونيو 2022 .
  17. ↑ "أحزمة من الجلد والقطن" . الميكانيكي الإنجليزي وعالم العلوم . العدد 1236. لندن. 30 نوفمبر 1888. ص 278.  
  • شعار ويكيميديا ​​كومنزالوسائط المتعلقة بالبكرات على ويكيميديا ​​كومنز
  • شعار ويكشنريتعريف كلمة " sheave" في قاموس ويكشنري