滑車

滑車
船の滑車。この文脈では、滑車は通常ブロックと呼ばれます
分類	単純機械
産業	建設、輸送
車輪	1
車軸	1

滑車は、車軸またはシャフト上の車輪で、張られたケーブルまたはベルトが車輪の上を通過して方向を変えたり、軸との間で動力を伝達したり できるようにします

滑車には、ケーブルやベルトを固定するための溝が円周上のフランジ間に設けられることがあります。滑車システムの駆動要素には、ロープ、ケーブル、ベルト、またはチェーンが用いられます。

歴史

滑車の最も古い証拠は、古代エジプト第12王朝（紀元前1991～1802年）^{[ 1 ]}と、紀元前2千年紀初頭のメソポタミアにまで遡ります。 ^{[ 2 ]}ローマ帝国時代のエジプトでは、アレクサンドリアのヘロン（紀元後10～70年頃）が、滑車を重量物を持ち上げるために使用された6つの単純な機械の1つとして特定しました。^{[ 3 ]}滑車は、大きな力を加えるための機械的利点を提供するために、ブロックとタックルを形成するように組み立てられます。滑車はまた、 1つの回転軸から別の回転軸に動力を伝達するために、ベルトとチェーン駆動の一部として組み立てられます。 ^{[ 4 ] [ 5 ]}プルタルコスの『対比列伝』には、アルキメデスが複合滑車とブロックとタックルのシステムの有効性を証明した場面が記されています。満載の船をまるで水中を滑っているかのように引っ張るのです。^{[ 6 ]}

ブロックとタックル

タックルを仕掛ける様々な方法^{[ 7 ]}

ブロックとは、各滑車が他の滑車とは独立して回転するように組み立てられた滑車（車輪）の組です。2つのブロックの片方にロープを取り付け、それを2組の滑車に通すことで、ブロック・アンド・タックルが構成されます。^{[ 8 ] [ 9 ]}

ブロック・アンド・タックルは、一方のブロックを固定の取り付け点に、もう一方のブロックを移動する荷重に取り付けるように組み立てられます。ブロック・アンド・タックルの理想的な機械的利益は、移動するブロックを支えるロープの節の数に等しくなります。

右の図に示されているブロックとタックルのアセンブリのそれぞれの理想的な機械的利点^{[ 7 ]}は次のとおりです。

• ガンタックル：2
• ラフタックル：3
• ダブルタックル：4
• ギンタックル：5
• 三重購入：6

ロープと滑車システム

油井櫓の滑車

複合滑車システムを採用したホイストは、4倍の効率を発揮します。ホイストには1つの固定滑車が取り付けられています。2つの可動滑車（連結）はフックに接続されています。ロープの一端はクレーンフレームに、もう一端はウインチに接続されています。

ロープと滑車を用いたシステム、すなわち滑車と滑車は、一本の連続したロープを用いて一つまたは複数の滑車に張力を伝達し、荷物を持ち上げたり移動させたりすることを特徴とする。ロープは細い線でも丈夫なケーブルでもよい。このシステムは、ルネサンス時代の科学者によって特定された単純機械のリストに含まれている。^{[ 10 ] [ 11 ]}

ロープと滑車のシステムがエネルギーを散逸または蓄積しない場合、その機械的利点は、荷重に作用するロープの部品の数です。これは次のように表すことができます。

可動ブロックを構成する滑車の集合と、このブロックを支えるロープの各部分について考えてみましょう。荷重Wを支えるロープの各部分がp個ある場合、可動ブロック上の力のつり合いから、ロープの各部分の張力はW/pである必要があります。これは、ロープへの入力力がT = W/pであることを意味します。したがって、ブロックと滑車は入力力を係数pで減少させます。

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  ガンタックルは固定ブロックと可動ブロックの両方に1つの滑車があり、2本のロープ部品で荷重Wを支えます。
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  ガンタックルの滑車の分離は、ロープの張力W/2をもたらす力のバランスを示しています。

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  ダブルタックルは、固定ブロックと可動ブロックの両方に二重の滑車があり、4 本のロープで荷重Wを支えます。
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  ダブルタックルの滑車の分離は、ロープの張力W/4をもたらす力のバランスを示しています。

動作方法

滑車システムの最も単純な動作理論は、滑車とラインに重力がなく、摩擦によるエネルギー損失がないことを前提としています。また、ラインは伸びないと仮定しています

平衡状態では、動いているブロックにかかる力の合計はゼロでなければなりません。さらに、ロープの張力は各部分で等しくなければなりません。つまり、動いているブロックを支えるロープの2つの部分は、それぞれ荷重の半分を支える必要があります。

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  固定滑車
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  図 1: 動いている滑車にかかる荷重F は、滑車を支えるロープの 2 つの部分の張力によってバランスが取られます。
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  動滑車
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  図2：荷重Wを吊り上げる動滑車は、張力W/2の2本のロープによって支えられています

これらは、さまざまなタイプのプーリー システムです。

• 固定滑車：固定滑車は、支持構造物に取り付けられたベアリングに軸が取り付けられています。固定滑車は、円周上を移動するロープまたはベルトにかかる力の方向を変えます。固定滑車を動滑車または直径の異なる別の固定滑車と組み合わせることで、機械的利点が得られます。
• 動滑車：動滑車は、可動ブロックに軸を有します。1つの動滑車は、同じロープの2つの部分によって支えられており、機械的利得は2です。
• 複合式：固定滑車と可動滑車を組み合わせたものがブロック・アンド・タックルです。ブロック・アンド・タックルでは、固定軸と可動軸に複数の滑車を取り付けることができ、これにより機械的利点がさらに高まります。

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  図3：ガンタックルの「有利なロープ」では、ロープが動滑車に接続されています。ロープの張力はW/3で、有利なロープは3になります。
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  図3a：ラフタックルは固定滑車を「不利な方向にロープに張力を加える」。ロープの張力はW/3のままで、有利な方向に3の張力が生じる。

ガンタックルの機械的利点は、固定ブロックと可動ブロックを入れ替えることで高めることができます。つまり、ロープを可動ブロックに接続し、ロープを吊り荷の方向に引っ張るのです。この場合、ブロックとタックルは「有利な方向にロープを張る」と言われています。^{[ 12 ]}図3は、3つのロープが荷重Wを支えていることを示しています。つまり、ロープの張力はW/3です。したがって、機械的利点は3です。

ガンタックルの固定ブロックに滑車を追加すると、機械的利点は同じまま、牽引力の方向が反転します（図3a）。これはラフタックルの例です。

自由体図

滑車システムの機械的利点は、ロープの張力と荷重にかかる重力を釣り合わせる自由体図を用いて分析できます。理想的なシステムでは、質量も摩擦もない滑車はエネルギーを消散させず、伸びたり摩耗したりすることなくロープの方向転換を可能にします。この場合、荷重Wと張力Tを持つロープのn個の支持部を含む自由体上の力のバランスは、次のようになります

${\displaystyle nT-W=0.}$

荷重と入力張力の比は滑車システムの機械的利点MAである^{[ 13 ]。}

${\displaystyle MA={\frac {W}{T}}=n.}$

したがって、システムの機械的利点は、荷重を支えるロープのセクションの数に等しくなります。

ベルト・プーリーシステム

クラウンベルトプーリー上の平ベルト

ベルト・プーリーシステム

ラインシャフトによって上から駆動される円錐プーリー

ベルト・プーリーシステムは、ベルトに2つ以上のプーリーを共通に備えた構造を特徴とします。これにより、機械的な動力、トルク、速度を車軸間で伝達することができます。プーリーの直径が異なる場合、機械的利点が得られます。

ベルト ドライブはチェーン ドライブに似ていますが、ベルト シーブは滑らか (チェーン スプロケット、平歯車、タイミング ベルトにあるような個別の連動部材がない) であるため、機械的な利点は、ギアやスプロケットのように歯の比率で正確に固定されるのではなく、シーブのピッチ円直径の比率でのみほぼ決まります。

溝やフランジのないドラム型プーリーの場合、平ベルトを中央に保つためにプーリーがわずかに凸型になっていることがよくあります。これはクラウンプーリーと呼ばれます。かつては工場のラインシャフトに広く使用されていたこのタイプのプーリーは、今でも直立型掃除機、ベルトサンダー、バンドソーの回転ブラシを駆動するために使用されています。^{[ 14 ]} 1950年代初頭までに製造された農業用トラクターには、一般的に平ベルト用のベルトプーリーが搭載されていました（これが雑誌「ベルトプーリー」のタイトルの由来です）。これは、パワーテイクオフや油圧など、使用方法に柔軟性のある他の機構に置き換えられました。

ギアの直径（およびそれに応じた歯数）がギア比を決定し、それによって速度の増減や機械的利点が決まるのと同様に、プーリーの直径も同じ要素を決定します。コーンプーリーとステッププーリー（動作原理は同じですが、それぞれ平ベルトバージョンとVベルトバージョンに適用されることが多い）は、必要に応じてシフト可能なベルト＆プーリーシステムで複数の駆動比を提供する手段です。これは、トランスミッションがシフト可能なギアトレインでこの機能を提供するのと同じです。Vベルトステッププーリーは、ドリルプレスがさまざまなスピンドル速度を提供する 最も一般的な方法です。

ベルトとプーリーにおいて、摩擦は最も重要な要素の一つです。ベルトとプーリーの用途によっては、特殊な角度（ベルトのトラッキング不良やプーリーからのベルトの滑りにつながる可能性があります）やベルト張力の低い環境で使用される場合があり、ベルトの不要な滑りが発生し、結果としてベルトの摩耗が増大します。この問題を解決するために、プーリーにはラギングが施されることがあります。ラギングとは、プーリーシェルに様々なテクスチャパターンを施したコーティング、カバー、または摩耗面、あるいはその適用方法を指す用語です。ラギングは、摩耗面を交換可能にすることでシェルの寿命を延ばしたり、ベルトとプーリー間の摩擦を改善したりするためによく使用されます。特に、駆動プーリーにはゴムラギング（ゴム摩擦層でコーティング）が施されることが多いのは、まさにこのためです。^{[ 15 ]}ベルトに粉末ロジンを塗布すると、一時的に摩擦は増加しますが、ベルトの寿命が短くなる可能性があります。^{[ 16 ]}

参照

• ブロック（セーリング）  - セーリング用語。単一または複数の滑車
• コンベアプーリー
• デッドアイ - 帆船の索具に使用されるアイテム
• 差動プーリー - 自動バランス式機械式リフトホイスト
• ホイスト – 荷物を持ち上げたり下ろしたりするために使用される装置

参考文献

1. アーノルド、ディーター（1991年）『エジプトの建築：ファラオの石造建築』オックスフォード大学出版局、71ページ、ISBN 9780195113747.
2. ムーリー、ピーター・ロジャー・スチュアート (1999). 『古代メソポタミアの資材と産業：考古学的証拠』アイゼンブラウン社. 4ページ . ISBN 9781575060422.
3. アッシャー、アボット・ペイソン（1988年）。『機械的発明の歴史』。米国：クーリエ・ドーバー出版。98ページ。ISBN 0-486-25593-X.
4. ジョン・ウイッカー、ゴードン・ペノック、ジョセフ・シグリー (2010). 『機械とメカニズムの理論』（第4版）. オックスフォード大学出版局, 米国. ISBN 978-0-19-537123-9.
5. ポール、バートン (1979).平面機械の運動学と動力学（図解版）. プレンティス・ホール. ISBN 978-0-13-516062-6.
6. ロレス、クリス (2017). 『21世紀のアルキメデス』 シュプリンガー・インターナショナル・パブリッシング. p. 71. ISBN 9783319580593.
7. マクドナルド、ジョセフ・A（2008年6月14日）。『リギングハンドブック：建設および産業用オペレーション』マグロウヒル・プロフェッショナル、376ページ。ISBN 978-0-07-149301-7.
8. プラター、エドワード・L. (1994). 「基本機械」(PDF) . 海軍教育訓練専門能力開発技術センター, NAVEDTRA 14037
9. 海軍人事局 (1971) [1965].基本的な機械とその仕組み(PDF) . Dover Publications. ISBN 0-486-21709-42016年9月22日にオリジナル（PDF）からアーカイブ。2011年12月13日閲覧
10. Avery, Elroy (1878).初等物理学. Sheldon and company. p.  459.車輪と車軸.
11. Bowser, Edward (1890). 『解析力学の基礎的論考：多数の例題付き』（第5版）D. Van Nostrand社. p. 180.
12. 「Seamanship Reference、第5章、一般的な索具」(PDF) . sccheadquarters.com.
13. ジョン・ハドソン・タイナー（2006年5月1日）『物理学の世界を探る：単純な機械から核エネルギーまで』グリーンフォレスト、アーカンソー州：ニューリーフ出版グループ、p.68、ISBN 978-1-61458-156-7 . LCCN  2005936557 . OCLC  892430550
14. 「クラウンプーリーが平ベルトの軌道を維持する仕組み」。Wood Gears。
15. 「プーリーの遅れ」 CKIT . 2022年6月17日閲覧。
16. 「革と綿のベルト」『The English Mechanic and World of Science』第1236号、ロンドン、1888年11月30日、278ページ。

外部リンク

• ウィキメディア・コモンズにおける滑車関連メディア
• Wiktionaryのsheaveの辞書定義

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