محتويات
البكرة
البكرة هي آلة ميكانيكية بسيطة، تتكون من عجلة مجوفة، وسلك أو حبل مرن حول حوافها، تُستخدم مُنفردةً أو مُجمعةً لنقل الحركة والطاقة، وللحصول على خصائص ميكانيكية خاصة لرفع الأثقال، ولتساعد على تغيير اتجاه تطبيق قوة الشد، وتُقلل مقدار القوة اللازمة لرفع الحمولة، ويُشار لمزيج الحبال والبكرات والكُتل أو أي مادة أخرى متعلقة بالبكرة على أنها كتلة تحتاج للمعالجة.
يُعتقد بأن بلاد ما بين الرافدين في حوالي عام 1500 قبل الميلادي استخدموا البكرات لرفع المياه، ولكن من المعروف علميًا بأن أول من استخدم الكتل هو العالم أرخميدس في القرن الثالث قبل الميلاد، إذ استخدم البكرة لسحب سفينة مُحملة بالركاب من البحر لليابسة، وتعدّ البكرة من الآلات الخمسة البسيطة بجانب الرافعة، والإسفين، والمسمار، والمحور والعجلة.[١][٢]
استخدام البكرات
تُستخدم البكرة بشكل رئيسي في الرافعات، خاصة الرافعات الموجودة على السُفن والقوارب لنقل ومعالجة الحمولة، والفنادق والمستشفيات، وفي العقود الأخيرة استُخدمت في السيارات والطائرات والمركبات الفضائية، وفي الوقت الحاضر تُستخدم في حياتنا اليومية في الكثير من المعدات المتحركة، مثل:[٣]
- بكرات البناء: وهي البكرات الأكثر شيوعًا في وقتنا الحاضر وأبسط الآلات والمُحركات، وهي تتكون من مسارات للعجلات ترتفع لمسافات عالية، وتسمح هذه البكرات بحمل المعدان لاستخدامها من قبل العمال في مواقع البناء.
- المصاعد: تعمل المصاعد عن طريق نظام بكرات قوي، وتساعد البكرات على تدعيم أوزان مضادة لنظام الرفع ونظام السلامة في المصاعد، وفي جميع المباني الجديدة تُوضع تصميمات تُحتم رؤية الآلية الداخلية للمصاعد المُستخدمة.
- آلات التمرين: تستخدم البكرات في معظم آلات رفع الأثقال، والهدف من استخدامها هو التحكم في الزاوية التي ترفع عندها الأوزان مع الحفاظ على الأوزان نفسها التي تُستخدم في الموقع، مما يجعل استخدام الأوزان أكثر أمانًا وفاعلية لمرتادي الأندية الرياضية.
- الآبار: كانت تزود الآبار بنظام بكرات بسيط للمساعدة في سحب الماء من البر، وتكون البكرات في الآبار عجلة مثبتة عليها سلسلة ملولبة أو حبل، مع وجود دلو متصل بأحد طرفي الحبل أو كلاهما، وتساعد البكرة في عمليات السحب مع الجرافات.
- أنظمة المسرح: تستخدم البكرات المتعددة في المسارح وأنظمتها، وهي بكرات تقع في أعلى المسرح لا يمكن رؤيتها من قبل الجمهور في المسارح، وتعمل الستائر وأنظمة الطيران باستخدام نظام من البكرات المتعددة.
فوائد البكرات ومساوئها
تتلخص فائدة البكرة في جميع الآلات المستخدمة فيما يأتي:[٤]
- أنها واحدة من أبسط أدوات الرفع للأجسام الثقيلة.
- يُمكن تطبيق القوة فيها على أي اتجاه، وهي تساعد على تغيير قوة الحركة والاتجاه لخيط السحب، مما يساعد على حمل ثقل أكبر.
- إمكانية تحريك الأشياء بيد الإنسان.
- عدم تخزين الطاقة أثناء العمل.
- يوفر دعم كبير لأي تطبيق يستخدمه.
- إمكانية تصميم بكرة متحركة تعمل جنبًا إلى جنب مع القوة المؤثرة.
وتوجد بعض العيوب للبكرات، منها ما يأتي:[٤]
- يمكن أن تفقد البكرة طاقتها.
- لا تعمل البكرة في حال وجود احتكاك، كما أنها قد تنزلق.
- مع رفع الأشياء تزداد المسافة الفعلية التي تنقلها البكرة، أي تحصل زيادة في مسافة الرفع، مما يُؤدي إلى زيادة الوقت المطلوب للوصول إليه.
- مع التشغيل المستمر للبكرات يمكن حصول ضعف وتشققات في الحبل، وفي النهاية ينقطع هذا الحبل.
نظريات تشغيل البكرات
توجد عدة نظريات لتشغيل البكرات، وهي:[٢]
- وجود خطوط حركة متوازية، مما يعني أن التوترات في كل خط متساوية، ومجموع المتجه لجميع القوى الموجودة يساوي صفر، وهذا يعني استخدام المعادلة الثانية لحفظ الطاقة في البكرة، والتي تنص على أن ناتج الوزن المرفوع والمسافة التي يتحرك بها مساوية لمنتج التوتر في خط الرفع بأضعاف المسافة انتقل بها خط الرفع، مع ملاحظة أن حجم العمل المنجز للبكرة المثالية هو نفسه في جميع الحالات.
- بكرة واحدة متحركة ترفع الوزن كاملًا بنصف القوة اللازمة لرفع الوزن، وهنا تُقسم القوة الكلية اللازمة بين سقف العمل وقوة الرفع.
- توجيه قوة الرفع في اتجاه حركة الحمل نفسه، وبالرغم من أن القوة اللازمة لرفع وزن ثقل كامل ليست إلا نصف الوزن الحقيقي، يكون الحجم الإجمالي قد بقي على حاله.
- إضافة بكرة ثابتة للحصول على ثلاث حالات لرفع القوة.
- استخدام أنظمة البكرات الكتلية والمُعالجة.
أنواع البكرات
يعتمد نوع البكرة على كيفية وضع الحبل والعجل معًا، وتوجد ثلاثة أنواع رئيسية من البكرات، هي:[٢]
- البكرات الثابتة: وهي أبسط أنواع البكرات، فيها بكرة ذات محور ثابت لا يتحرك، ويكون الثقل أو الحمل معلقًا في طرف واحد، ويمر الحبل من حول الثقل لكن العجلة تكون مثبتة وهي مركز البكرة ومحور الارتكاز.
- البكرات المُتحركة: يُربط الحمل في البكرة المتحركة أو الوزن في البكرة، ويمكن لكلاهما التحرك، ويُربط أحد طرفي السلك ببكرة متحركة تحت جهد أقل لرفع الحمل، إذ إن السلك المستخدم يلتف لإكمال دورة البكرة الثابتة من أسفل الجسم، والطرف الآخر بنقطة ثابتة لا تتحرك، وتتحرك البكرة مع الجسم عند رفعه.
- البكرات الرافعة: وهي بكرات تتكون من محاور دوران متوازية، وفيها مزيج من البكرات الثابتة والمتحركة لتكوين الرافعة، مما يجعل الجهد أقل من نصف وزن الحمل، وتكون مهمة البكرة الثابتة تغيير اتجاه القوة بسلاسة.
وتوجد بعض البكرات البلاستيكية التي تُستخدم في المصاعد، وهي:[٥]
- بكرة الرفع: وهي البكرات التي تنقل الحركة من محرك المصعد، وهي تُستخدم في أعلى مقصورة المصعد وأسفلها.
- البكرة الهيدروليكية: وهي بكرات لديها القدرة على التحرك بعكس اتجاه بعضها أو نفسه، وهي بكرات توفر نقل الحركة بين النظام الهيدروليكي والمقصورة.
- بكرات الانحراف: وهي البكرات التي تساعد الحبل في الوصول للوزن الصحيح عن طريق تغيير اتجاه الحبل.
- بكرات الصب: وهي بكرات تُستخدم مع البكرات الهيدروليكية وبكرات الانحراف وآلات الرفع.
مطور علم البكرات أرخميدس
أرخميدس عالم يوناني عبقري، وهو من أعظم علماء الهندسة الميكانيكية والرياضيات والمخترعين في العصور القديمة، عاش في الفترة ما بين 287ق.م-212ق.م، في مدينة سيراكيوز اليونانية، ودرس العلوم في الإسكندرية، وقد طبق أرخميدس معرفته الرياضية في الأسلحة والحروب، وتجلت هذه المعرفة في الحروب التي دارت بين روما وسيراكيوز، ولعل أشهر قصة هي استخدامه للبكرات في رفع سفينة مع طاقمها من البحر لليابسة، وقد كانن تصنيف أعمال أرخميدس في الرياضيات والستاتيكا والميكانيكا لثلاث مجموعات، وهي:[٦]
- أعمال تحليل مشكلات الإحصاء، والهيدروستاتيكا بطريقة هندسية.
- نظريات متعلقة بالمواد الصلبة التي تحدها الأسطح والمنحنيات.
- أعمال متنوعة كثيرة خاصة التي تؤكد نظريات العد.
المراجع
- ↑ " Pulley ", britannica,8-3-2016، Retrieved 29-9-2019. Edited.
- ^ أ ب ت "Pulley", newworldencyclopedia,16-6-2019، Retrieved 29-9-2019. Edited.
- ↑ Lauren Vork (13-03-2018), "Examples of Pulleys in Everyday Life"، sciencing, Retrieved 29-09-2019.
- ^ أ ب "advantages and disadvantages of pulley used in power transmation (pully drive)", mecholic, Retrieved 29-9-2019. Edited.
- ↑ "Reasons to Use", asansorkasnagi, Retrieved 29-9-2019. Edited.
- ↑ Cristian Violatti (24-6-2013), " Archimedes"، ancient, Retrieved 29-9-2019. Edited.
