Полиспаст

В интернете множество схем и объяснений: что такое полиспаст и как он работает. Но они плохо применимы в реальной жизни. Я постараюсь объяснить, что такое полиспаст, как его использовать, какие есть ограничения и подкрепим это теорией с практическими расчетами. Работая в эвакуации и общаясь с разными людьми, я с удивлением обнаружил непонимание принципов работы полиспаста и заметил несколько типичных заблуждений.

Итак, полиспаст - это способ увеличить силу с помощью блоков и троса за счет увеличения расстояния, на которое приходится тянуть, и уменьшения скорости перемещения. Соответсвенно тянуть будет легче, но дольше. Или наоборот, можно увеличить скорость и расстояние тяги ценой большей приложенной силы - это скоростной полиспаст. Полиспаст - это, по сути, рычаг для тросов.

Давайте сразу введем термины и оговорки:

Веревка, трос, канат, цепь... - тип гибкой связи в данном случае не имеет значения, это нечто гибкое и достаточно крепкое для передачи усилия. Здесь и далее буду говорить трос. У него есть ходовой конец - это тот, за который мы тянем. Рукой, лебедкой, машиной... не важно. И мертвый конец - тот, который закреплен, привязан, или как-то иначе зафиксирован к чему-либо.

Часть троса, находящегося между лебедкой и блоком, между двумя блоками или блоком и креплением троса будем называть - ниткой. Если у неё будет порядковый номер, то начинать считать надо от лебедки. Ближайшая нитка к лебедке - первая.

Блок, ролик, полиспаст - это приспособление для беспрепятственного огибания тросом оси. В моём понимании блок - это ролик на оси с щечками или другим кронштейном. Иногда его тоже называют полиспаст, но мне это кажется неверным. Так же как и с нитками, если у блока есть порядковый номер, то он считается от лебедки. Первый блок - это блок ближайший к лебедке.

Якорь - нечто достаточно крепкое, чтобы выдержать приложенное к нему усилие, например дерево, бетонное основание и тд.

Объект - нечто к чему прикладывается сила. Якорь или объект эвакуации: трактор, грузовик и тд.

Цифры слева от ниток - это сила тяжения этой нитки. Можете считать их Ньютонами, килограммами или тоннами - это не важно. Важно лишь численное значение.

Здесь и далее я буду считать КПД блоков и тросов равным 1.0. Позже я обязательно раскрою эту тему, но пока это только усложнит понимание принципа работы полиспаста.

Простой полиспаст

Полиспаст бывает "простой" и "прогрессивный". Рассмотрим простой полиспаст для увеличения силы тяги.
Вся идея полиспаста состоит в том, что с помощью блока мы можем зацепить за объект один и тот же трос два и более раз. И потянув за этот трос окажется, что сила тяги троса приложена к объекту два и более раз, соответсвенно эти силы будут суммироваться. Но чтобы зацепить трос за объект два раза надо использовать блок, он позволит обеим ниткам троса быть натянутыми, т.е. передаст усилие тяжения от одной нитки к другой.

Все рисунки рассматривайте, как вид сверху!

Но давайте прежде рассмотрим совсем простую ситуацию.
Мы привязали трос к объекту a и тянем лебедкой L с силой 1кг. В итоге трос натянут силой 1кг и он тянет объект a и лебедку L с силой 1кг. Вроде, всё очевидно и просто. Но я часто сталкивался с непонимаением следующего: Чтобы тянуть с определенной силой, кто-то должен эту силу воспринимать. Как пример, если бросить веревку на землю, её невозможно тянуть с силой 100кг. При силе 0.3кг она начинает двигаться и натяжение веревки падает. Если ваша лебедка может развить тягу в 1000кг, и вы что-то ей тянете, это не значит, что вы тянете с силой 1000кг. Для измерения силы тяги нужен динамометр или весы.


Рассмотрим рисунок 2.
Есть объект a и объект b, мы тянем за левую нитку троса, которая заходит на ролик блока. Если мы тянем с силой 1кг, то трос, проходящий через блок, тянет объект b с той же силой 1кг. Но объект a посредством блока тянут две нитки троса. Сила тяжения каждой нитки - 1кг. Значит блок тянет объект a с силой 2кг. Это и есть простейший полиспаст. Простой. Самый простой из простых. :)
Мы увеличили силу тяги лебедки на объекте a в два раза благодаря блоку и объекту b. Принято говорить, что кратность этого полиспаста 2, или 2:1. Но ничего не дается просто так, и где-то мы должны потерять. А теряем мы в том, что придется тянуть дольше и дальше.

Поясню. Предположим, что объект a или объект b можно сдвинуть приложив силу 100кг. Нам надо сдвинуть объект a на 2 метра. Но у нас есть лебедка, которая может создать тягу только 50кг. Собираем вышеприведенную схему и тянем трос лебедкой с силой 50кг, трос проходит через блок и тянет объект b с той же силой 50кг, а значит блок тянет объект a с усилием 100кг. Но, для того чтобы сдвинуть объект массой 100кг на 2 метра с помощью полиспаста и лебедки, нам придется тянуть его с силой 50кг 4 метра. Никакой магии, работу совершаем такую же.
Ну и не забываем, чтобы лебедка смогла тянуть с силой 50кг, она сама должна крепко стоять на земле или быть за что-то зафиксирована.
Забудьте про подвижный и неподвижный блоки, как многим преподавали на уроках физики. Это применимо, когда грузики и блоки висят на веревочках на стенде. А здесь это будет только путать. Нам важно понимать распределение сил в статике, а уж что будет двигаться это уже вопрос другой. Чтобы понять и использовать полиспаст в работе вам надо думать о нитках, блоках и силах, которые появляются на нитках, блоках, якорях и объектах.


Теперь идем дальше. Рисунок 3. Простой полиспаст на 5 блоках. Мы тянем с силой 1кг за трос, а это значит, что на всех нитках троса будет сила тяжения 1кг. Это важно! На любой и каждой нитке полистпастного троса будет усилие 1кг. (Тут часто люди заблуждаются.) Значит, каждый ролик (в блоке) будет тянуть свою ось с силой 2кг. На объект b зацеплено 3 блока - значит объект b они тянут с суммарным усилием 6кг. На объект a приходится 2 блока и одна нитка(мертвый конец) - значит ему досталось 5кг тяги. Если считать объект b объектом эвакуации, а объект a якорем, то с помощью лебедки L и полиспаста мы можем создать 6ти кратное усилие относительно тяги лебедки. Если кг заменить на тонны, то это будет вполне рабочая ситуация.
Цифры тяжения, расставленные возле ниток троса и якорей, позволяют увидеть, где и какое создается усилие. Не ленитесь рисовать схемы и расставлять цифры, это помогает понимать.

Но надо не забывать какой ценой нам далось увеличение тяги. Предположим, нам надо сдвинуть объект эвакуации на 5 метров, а двигается он усилием в 6 тонн. Если у нас есть лебедка, которая может развить силу тяги в 6 тонн мы можем тянуть напрямую, и через 5 метров объект был бы на свободе. Но, предположим, лебедка у нас тянет только 1 тонну. Поэтому собираем вышеприведенную схему. Значит надо выбрать в 6 раз больше троса, 5м*6ниток = 30м троса. Если барабан лебедки вмещает только 28м, то это больше, чем одна протяжка с нагрузкой в 1000кг.

Представим, что объект a надо тянуть в сторону b, но туда нельзя подъехать. Тогда объект b будет якорем. И наш первый блок становится разворотным. Он не добавляет тяги для объекта a, но он разворачивает векотор тяги. Поэтому при тех же вводных, тяга на объекте a будет 5кг. И в этом применении кратность полиспаста уже будет 5.

Прогрессивный полиспаст.

Теперь представим, что мы одним блоком тянем другой блок, другим - третий. Рисунок 4. Мы 3 блоками увеличили тягу в 8 раз. На 5 блоках будет кратность 32 раза. По сути, мы полиспастом тянем полиспаст.
Это максимально эффективное использование блоков. Но в чистом виде прогрессивный полиспаст почти не используют. Проблема в том, что на последний трос приходится вся нагрузка, а якорь b должен держать половину этой нагрузки. В то же время простой полиспаст позволяет распределить нагрузку как на объект эвакуации, так и на якори. И это важное преимущество.
А тянуть одним полиспастом другой полиспаст это очень часто в ходу. Кто-то называет это сложный полиспаст. Кто-то называет это разгрузка. Но сути это не меняет.


Один блок позволил удвоить тягу простого полиспаста.

Скоростной полиспаст

Полиспаст работает и в обратную сторону, тогда это назвается скоростной полиспаст. Вернемся к рисунку 3 и представим, что мы начнем тянуть объектом b с тягой в 6кг, все блоки начнут вытягивать трос. И если объект b пройдет расстояние 1м, то троса он выберет 6м, но при этом тяга на ходовом конце будет в 6 раз меньше, зато скорость в 6 раз выше и путь он пройдет в 6 раз больше.
Такое используется в технике, например гидроцилиндр толкает зубчатую шестерню, через которую проходит цепь. В итоге ходовой конец цепи совершает движение в 2 раза быстрее и в 2 раза дальше.

В общем, полиспаст - великая вещь. Если посмотрите на свои ботинки, то с удивлением обнаружите, что шнурки это тоже полиспаст. И думаю вы замечали, что если потянуть за шнурки и туго их завязать, то сверху, где узел, шнурки уже давят, а снизу они болтаются. Это потому, что КПД этих дырочек-люверсов для шнурков и самих шнурков даже близко не единица. Как и КПД блоков и тросов. Мы рассмотрели идеальную ситуацию, но наш мир не идеален, и позже я напишу про то, что ощутимо изменяет кратность полиспаста. Это КПД блоков и тросов.