Краны на человеческом ходу. Предел достижений - небо

Здравствуйте, уважаемые читатели!

Я решила продолжить рубрику "Сакральные знания - народу!".  Сегодня посмотрим, какие ещё девайсы изпользовали древние, чтобы поднимать неподъёмные вещи. Привожу сделанный для вас вольный перевод статьи о пути каменных блоков в небесные выси.

Начиная с самых ранних цивилизаций и вплоть до начала промышленной революции, люди изпользовали изключительно мышечную силу, организационные навыки и изобретательную механику для поднятия тяжестей, с которыми невозможно справиться большинству работающих сегодня силовых кранов.

Наиболее разпространенный башенный кран, изпользуемый сегодня в строительстве, имеет грузоподъемность от 12 до 20 тонн. Этот тип крана совершенно не отвечал бы требованиям многих строительных проектов, осуществлённых в древней истории.

Большинство камней, лежащих в теле почти 140 обнаруженных египетских пирамид, имеют вес «всего» от 2 до 3 тонн каждый. Однако все пирамиды, построенные в период 2750 - 1500 гг. до н.э., имеют также каменные блоки весом 50 тонн, а иногда и больше. Храм Амона-Ра в Карнаке содержит лабиринт из 134 колонн высотой 23 метра, поддерживающих балки, весящие от 60 до 70 тонн. 18 главных блоков колонны Траяна в Риме весят более 53 тонн, и они были подняты на высоту 34 метра. В построенном римлянами храме Юпитера в Баальбеке имеются каменные блоки весом более 100 тонн, поднятые на высоту 19 метров. Сегодня, чтобы поднять вес от 50 до 100 тонн на эти высоты, вам необходим такой кран.

Одна из моделей Liebherr является самым сильным телескопическим краном на рынке и имеет самую длинную телескопическую стрелу в мире. Г/п 1200 тонн

Время от времени наши предки поднимали ещё более тяжёлые камни. Надгробие Теодориха Великого в Равенне (около 520 года н. э.) представляет собой 275-тонный каменный блок, который был поднят на высоту 10 метров.

Купол-монолит мавзолея в Равенне. Строительство здания было заказано самим Теодорихом до его смерти (30 августа 526 г.).

Внутренний диаметр около 925 см, а высота подъёмасвода около 190 см. Большая трещина, вину за появление которой народная молва возлагает на молнию, "украшает" южную сторону камня.

Купол вытесан из дунайского известняка. Наружный диаметр 10.8 м, высота - 3 м

Храм, посвященный фараону Хафре в Египте, состоит из монолитных блоков весом до 425 тонн. Самый большой египетский обелиск весил более 500 тонн и имел высоту более 30 метров, в то время как самый большой обелиск в эфиопском царстве Аксум (4 век н. э.), поднятый на такую же высоту, весил 520 тонн. Колоссы Мемнона - две статуи по 700 тонн каждая, были возведены на высоту 18 метров, а стены римского храмового комплекса Баальбек (1 век до н. э.) содержат почти 30 монолитов весом от 300 до 750 тонн каждый. Только самые мощные современные краны могли бы поднимать камни такого веса.

Поднять строительные материалы до впечатляющих высот, казалось, тоже не было проблемой. Александрийский маяк (3 век до н.э.) имел высоту более 76 метров. Египетские пирамиды поднимаются до 147 метров. В средние века было построено около 80 крупных соборов и около 500 больших церквей высотой до 160 метров - что вне досягаемости для всех, кроме самых последних моделей гусеничных кранов.

Человеческая подъёмная сила

Беговое колесо sint romboutstoren

Разсматривая тип кранов, которые понадобились бы сегодня, можно задаться вопросом, как наши предки могли поднимать такие внушительные грузы без помощи сложной техники. Дело в том, что в их разпоряжении были самые современные машины для того времени. Единственная разница с современными нам кранами заключается в том, что эти машины работали на силе людей, а не на ископаемом топливе.

В принципе, для веса, который люди могут поднять одной только силой мышц, предела не существует. Нет также предела высоте, на которую может быть поднят этот груз. Единственное преимущество, которое принесли нам краны на изкопаемом топливе, - это более высокая скорость подъёма. Конечно, это не означает, что один человек может поднять что-либо на любую высоту, или что мы можем поднять что-либо на любую высоту, если только соберём вместе достаточное количество людей. Однако, начиная со времени более 5 тысяч лет назад, инженеры разработали коллекцию машин, которые значительно увеличили подъёмную силу отдельного человека или группы людей. Подъёмные устройства изпользовались в основном для строительных проектов, но (позже) их применяли также для погрузки и разгрузки грузов, для подъёма парусов на судах и для горных работ (добычи изкопаемых).

Преимущество, которое принесли нам краны, работающие на изкопаемом топливе, - более высокая скорость подъёма

Первоначально скорость поднятия грузоподъёмными машинами была чрезвычайно низкой, в то время как количество рабочей силы, необходимой для их эксплуатации, оставалось очень большим. Однако к концу девятнадцатого века, как раз перед тем, как верх взяла паровая энергия, подъёмные устройства с человеческим двигателем стали настолько сложными, что один человек мог поднять 15-тонный грузовик в мгновение ока, изпользуя только одну руку.

Механическое преимущество или выигрыш в силе

Любое подъёмное устройство имеет определённый выигрыш в силе (ВС) или механическое преимущество, то есть мера увеличения силы при помощи инструмента, машины или механической системы устройства. Говоря иными словами, это некий коэффициент, отображающий величину преимущества выходной силы над входной для определённого механического устройства. Если мы, затратив усилие 1 кг поднимем вес 4 кг (с помощью рычага или блока), то механическое преимущество будет равно 4. Однако, выигрывая в силе, мы проигрываем в расстоянии. Для иллюстрации этого можно использовать рычаг. При соотношении длин плеч равном 7, получаем выигрыш в силе - 7/1 и проигрыш в расстоянии - 1/7 (руке, давящей на конец длинного плеча рычага, требуется пройти расстояние в семь раз длиннее, чем путь, который пройдёт груз, прикреплённый к короткому плечу). Это - в идеале. На практике в процессе участвуют силы трения, понижающие выигрыш в силе на некоторую величину.

Механическое преимущество - это отношение силы, прилагаемой к предмету машиной, к силе, действующей на неё. В этом колесно-осевом шкиве радиус колеса в три раза больше радиуса оси. Таким образом, теоретически механическое преимущество равно трем, то есть усилие, направленное вниз на веревку, должно привести к трёхкратному усилию, направленному на вес (без учёта сил трения).

Рампы и рычаги

Хотя некоторые считают, что египтяне имели в своем распоряжении более совершенные подъёмные механизмы (иллюстрация ниже), большинство историков сходятся во мнении, что египтяне изпользовали только самые простые подъёмные устройства: наклонные плоскости (пандусы или рампы) и рычаги (принцип качелей). Вполне вероятно, что пандусы также изпользовались для поднятия обелисков.

Перемещая объект вверх по наклонной плоскости, а не изключительно вертикально, величину требуемой для подъёма груза силы уменьшают за счёт увеличения разстояния, которое он должен пройти. Механическое преимущество наклонной плоскости равно длине, делённой на высоту склона. Механическое преимущество рычага - это расстояние между точкой опоры и точкой, где прикладывается сила, делённое на разстояние между точкой опоры и весом, который необходимо поднять.

Закатывание блока пирамиды по пандусу с помощью канатов

Рампы пирамид Египта

В то время как методы египтян давали значительное механическое преимущество по сравнению с простым подъёмом груза по вертикали с помощью верёвки, потребность в человеческой силе оставалась очень высокой. Она была нужна не только для буксировки или переворачивания камней (для транспортировки 2.5-тонного блока требовалось около 50 человек), но также для того, чтобы построить и затем убрать огромные земляные рампы.

Историки подсчитали, что рабочая сила для строительства пирамиды состояла из 20 000-50 000 человек, а иногда и больше. В то время как подобное сооружение с помощью силовых кранов и небольшой рабочей силы сегодня может быть построено за несколько лет, для строительства большинства пирамид египтянам потребовались десятилетия.

Рождение крана: шкив

Можно поближе посмотреть, как работает кран с ходовым колесом (с конца второй минуты самое интересное)

Первые краны появляются в Греции примерно в конце 6-го или начале 5-го века до нашей эры. Римляне, стремящиеся построить всё более и более огромные монументы, переняли эту технологию и развили её дальше. Самые ранние краны состояли из каната, пропущенного через шкив. Шкив изпользовался с 8-го или 9-го века до нашей эры для подъёма воды из колодцев-шадуфов. Сам по себе одиночный шкив не даёт никакого механического преимущества, но он меняет направление тяги: груз легче тянуть вниз, а не толкать снизу вверх. Толчок вертикально вверх одной рукой генерирует около 150 ньютонов, в то время как толчок вертикально вниз одной рукой генерирует около 250 Ньютонов (източник).

Шкивы

Постепенно механическое преимущество кранов было увеличено с помощью дополнительной технологии. Главным усовершенствованием с 4-го века до н.э. и поныне, изпользуемым в настоящее время, является составной шкив: комбинация одиночных шкивов в блоке. Механическое преимущество блока равно количеству изпользуемых в нём шкивов.

Кран с тройным шкивом ( "Trispastos" - "Триспаст") имеет два шкива, прикреплённых к крану, и свободный шкив, подвешенный к ним. Он предлагает механическое преимущество 3 к 1. Кран с пятью шкивами в аналогичном расположении (получивший название "Пентаспаст" - «Pentaspostos» ) дает механическое преимущество 5 к 1.

Изпользуя составной шкив, человек может поднять больше, чем он способен сделать в противном случае. Если один человек, тянущий веревку, может приложить усилие в 50 кг, он же может поднять (или опустить) 150 кг с помощью Триспаста и 250 кг с помощью Пентаспаста. То же самое касается и верёвки. Канат с прочностью на растяжение 50 килограммов может быть применён для подъёма (или опускания) 150 килограммов, если изпользуются 3 шкива, и 250 килограммов, если применяются 5 шкивов.

Кран с пятью шкивами позволяет вам поднять в пять раз больше, чем вы можете сделать в противном случае, но веревка должна быть натянута на разстоянии в пять раз превышающем высоту подъёма самого груза.

Обратной стороной (недостатком) составного шкива является, опять же, разстояние и, следовательно, скорость подъёма. Подъём груза на 3 метра с помощью Триспаста потребует вытягивания веревки на 9 метров, подъём груза на 3 метра с помощью Пентаспаста потребует вытягивания веревки на 15 метров.

Фото: John Spirko

Теоретически можно изпользовать любое количество шкивов, но из-за трения древние системы были ограничены лишь пятью шкивами. Если величина подъёмной силы требовалась большей, вместо того чтобы увеличивать число шкивов внутри каждого блока, римляне изпользовали два или более 3 - или 5 - шкивных набора, причем каждый из них работал с разными артелями ("полиспаст"). Конечно, за каждую из верёвок могли тянуть сразу несколько человек. Потери мощности из-за трения для римских (и средневековых) кранов оцениваются не более чем в 20 процентов (източник).

Акрополиспаст

(продолжение следует)

О необходимости уроков механики в начальной школе