КПД блока¶

Коэффициент полезного действия блока — это отношение полезной работы, совершаемой механизмом (блоком), к затраченной работе, выраженное в процентах или долях единицы. Блок представляет собой простейшее механическое устройство, позволяющее изменять направление или величину приложенной силы. КПД блока всегда меньше 100 % из-за неизбежных потерь энергии на трение в оси и на деформацию троса (каната).

¶История

Принцип использования блоков известен с глубокой древности. Первые упоминания о системах блоков (полиспастах) встречаются в трудах древнегреческих учёных, в частности у Архимеда (III век до н. э.). Он теоретически обосновал выигрыш в силе, достигаемый с помощью подвижных блоков. В эпоху Возрождения Леонардо да Винчи детально изучал механику блоков и разработал их классификацию. В России блоки широко применялись в строительстве, на флоте и в горном деле. В XIX веке с развитием теории машин и механизмов было введено понятие коэффициента полезного действия как меры эффективности преобразования энергии.

¶Устройство и принцип действия

Блок состоит из колеса (шкива) с желобом по окружности, через который перекинут гибкий элемент (канат, верёвка, трос). Шкив вращается на оси, закреплённой в обойме. Различают два основных типа блоков:

• Неподвижный блок — ось закреплена неподвижно. Он не даёт выигрыша в силе, но позволяет изменить направление приложенной силы (например, поднимать груз, стоя на земле, а не на высоте).
• Подвижный блок — ось перемещается вместе с грузом. Он даёт выигрыш в силе примерно в 2 раза (при идеальных условиях), но требует перемещения конца троса на вдвое большее расстояние.

В реальных механизмах блоки объединяют в системы (полиспасты) для получения значительного выигрыша в силе.

¶КПД блока: расчёт и факторы

КПД блока (η) определяется по формуле:

\[ \eta = \frac{A_{\text{полезная}}}{A_{\text{затраченная}}} \times 100\% \]

где \(A_{\text{полезная}}\) — работа по подъёму груза (произведение силы тяжести груза на высоту подъёма), а \(A_{\text{затраченная}}\) — работа, совершённая приложенной силой (произведение силы на перемещение точки приложения силы).

¶Основные потери энергии

1. Трение в оси блока. Между шкивом и осью возникает сила трения, которая зависит от материала, смазки и нагрузки. Для уменьшения трения применяют подшипники качения (шариковые или роликовые) вместо подшипников скольжения.
2. Жёсткость троса (каната). При огибании шкива трос деформируется — изгибается и распрямляется. На это тратится дополнительная работа. Чем толще и жёстче трос, тем больше потери.
3. Трение между тросом и желобом шкива. Проскальзывание троса по желобу также приводит к потерям, особенно при загрязнении или износе.

¶Типичные значения КПД

• Неподвижный блок: КПД обычно составляет 90–98 % в зависимости от качества изготовления и смазки. При использовании подшипников качения и гибкого троса КПД может приближаться к 99 %.
• Подвижный блок: КПД несколько ниже — 85–95 %, так как в нём дополнительно возникают потери из-за перемещения оси блока вместе с грузом.
• Полиспаст (система блоков): КПД системы тем ниже, чем больше блоков в ней используется. Для 2-кратного полиспаста (два блока) КПД может составлять около 90–92 %, для 4-кратного — 80–85 %, для 10-кратного — 60–70 %. Это связано с тем, что каждый блок вносит свои потери, и они суммируются.

¶Применение

Блоки и системы блоков широко используются в различных областях:

• Грузоподъёмные механизмы: краны, лебёдки, тали, тельферы. В строительстве и на производстве полиспасты позволяют поднимать многотонные грузы с помощью относительно небольших усилий.
• Морское дело: такелажные работы, подъём парусов, шлюпок, якорей. На парусных судах блоки (шкивы) применяются для управления рангоутом и такелажем.
• Спасательные работы: подъём людей и грузов в труднодоступных местах, в альпинизме и спелеологии.
• Спорт и фитнес: силовые тренажёры с тросовыми системами (кроссоверы, блочные рамы) используют блоки для изменения направления нагрузки.
• Бытовые устройства: жалюзи, шторные карнизы, подъёмные механизмы для гаражных ворот.

¶Интересные факты

• В идеальной механической системе (без трения и деформаций) КПД блока равен 100 %, но на практике это недостижимо.
• В полиспастах каждый дополнительный блок не только увеличивает выигрыш в силе, но и снижает общий КПД системы, поэтому для больших выигрышей применяют не более 6–8 блоков в одной системе.
• В древности для уменьшения трения в блоках использовали жир животных, а в современной технике — специальные смазки и подшипники.
• КПД блока можно измерить экспериментально, подвешивая грузы и измеряя силу натяжения троса динамометром.

¶Источники

• Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. Том 1. — М.: Наука, 1985.
• Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. — М.: Высшая школа, 2004.
• ГОСТ 24336-80 «Блоки грузоподъёмные. Общие технические условия».
• Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Том 1. — М.: Мир, 1977.