滑車

滑車
船の滑車。この場合、滑車は通常ブロックと呼ばれます。
分類	単純な機械
業界	建設、運輸
ホイール	1
車軸	1

滑車は、車軸またはシャフト上の車輪であり、車輪上を通過する張力のあるケーブルまたはベルトを動かして方向を変えたり、車輪とシャフトの間で動力を伝達したりできるようにします。シーブまたは滑車ホイールは、フレームまたはシェル (ブロック)によって支持された車軸を使用してケーブルを誘導したり力を加えたりするための滑車です。

滑車には、ケーブルまたはベルトを配置するための溝が円周上のフランジ間に 1 つまたは複数ある場合があります。滑車システムの駆動要素には、ロープ、ケーブル、ベルト、またはチェーンを使用できます。

滑車に関する最も古い証拠は、古代エジプト第12王朝（紀元前1991～1802年）^[1]と、紀元前2千年紀初期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の6つの単純な機械の1つとしていました。^[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、1つの回転軸から別の回転軸に動力を伝達するために、ベルトとチェーンドライブの一部としても組み立てられます。 ^{[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、満載の船をまるで水中を滑っているかのように引っ張って証明した場面が記されています。^[6]

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）のセットです。2つのブロックの1つにロープが取り付けられ、2組の滑車に通されてブロックアンドタックルを形成します。^{[8] [9]}

ブロックとタックルは、 1 つのブロックを固定取り付けポイントに取り付け、もう 1 つを移動する負荷に取り付けるように組み立てられます。ブロックとタックルの理想的な機械的利点は、移動するブロックを支えるロープのセクションの数に等しくなります。

右の図では、ブロックとタックルのアセンブリ^[7]のそれぞれの理想的な機械的利点は次のとおりです。

• 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
• 3倍購入: 6

ロープと滑車システム、つまり滑車とブロックは、一本の連続したロープを使って一つ以上の滑車に張力を伝達し、荷物を持ち上げたり移動したりするのが特徴です。ロープは細い線でも丈夫なケーブルでもかまいません。このシステムは、ルネサンス時代の科学者が特定した単純機械のリストに含まれています。^{[10] [11]}

ロープと滑車のシステムがエネルギーを消散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分の数です。これは次のように示されます。

可動ブロックを形成する滑車のセットと、このブロックを支えるロープの部分について考えてみましょう。荷重 W を支えるロープの部分がp 個ある場合、可動ブロックの力のバランスから、ロープの各部分の張力はW/p でなければならないことがわかります。つまり、ロープへの入力力はT = W/p です。したがって、ブロックと滑車は入力力を係数p で減らします。

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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 つ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ます。

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  ダブルタックルは、固定ブロックと移動ブロックの両方に 2 つの滑車があり、4 つのロープ部品が荷重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ます。

滑車システムの最も単純な動作理論では、滑車とラインに重さがなく、摩擦によるエネルギー損失がないと仮定します。また、ラインは伸びないと仮定します。

平衡状態では、移動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同じでなければなりません。つまり、移動ブロックを支えるロープの 2 つの部分は、それぞれ半分の荷重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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  可動滑車
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  図2: 荷重Wを持ち上げる可動滑車は、張力W/2の2本のロープ部分によって支えられています。

滑車システムには次のような種類があります。

• 固定:固定滑車には、支持構造に取り付けられたベアリングに取り付けられた車軸があります。固定滑車は、円周に沿って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。固定滑車を可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と、機械的利点が得られます。
• 可動:可動滑車には、可動ブロック内に車軸があります。 1 つの可動滑車は、同じロープの 2 つの部分によって支えられており、機械的利点は 2 です。
• 複合:固定滑車と可動滑車の組み合わせでブロック アンド タックルが形成されます。ブロック アンド タックルでは、固定車軸と可動車軸に複数の滑車を取り付けることができ、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「ローブ トゥ アドバンテージ」では、ロープが動いている滑車に接続されています。ロープの張力はW/3で、 3 のアドバンテージが得られます。
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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で移動」させます。ロープの張力はW/3のままで、 3 の利点が得られます。

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増加します。つまり、ロープを可動ブロックに取り付け、ロープを吊り上げた荷重の方向に引っ張ります。この場合、ブロックとタックルは「有利にロープを張る」と言われています。^[12]図3は、3つのロープ部分が荷重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で、引っ張る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。

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とのバランスをとる自由体図を使用して分析できます。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せず、伸びたり摩耗したりしない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 個の支持セクションを含む自由体の力のバランスは、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。

ベルトとプーリーのシステムは、ベルトに共通する 2 つ以上のプーリーが特徴です。これにより、機械的な動力、トルク、速度を車軸間で伝達できます。プーリーの直径が異なると、機械的な利点が実現されます。

ベルト駆動はチェーン駆動に似ていますが、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 ベルトに見られ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によって正確に固定されるのではなく、シーブのピッチ直径の比率によってのみ近似的に決まります。

溝やフランジのないドラム型プーリの場合、平ベルトを中央に保つためにプーリがわずかに凸型になっていることがよくあります。クラウンプーリと呼ばれることもあります。かつては工場のラインシャフトに広く使用されていましたが、このタイプのプーリは、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今でも使用されています。^[14] 1950年代初頭までに製造された農業用トラクターには、平ベルト用のベルトプーリが一般的にありました（これがBelt Pulley誌の名の由来です）。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メカニズムに置き換えられました。

ギアの直径(およびそれに応じて歯の数)によってギア比が決まり、それによって速度の増減や機械的な利点が決まるのと同様に、プーリーの直径によっても同じ要素が決まります。コーン プーリーとステップ プーリー (同じ原理で動作しますが、名前はそれぞれ平ベルト バージョンとV ベルトバージョンに適用される傾向があります) は、必要に応じてシフトできるベルトとプーリーのシステムで複数の駆動比を提供する方法です。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。

ベルトとプーリーでは、摩擦は最も重要な力の 1 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が悪くなり、ベルトがプーリーから滑り落ちる可能性があります) やベルトの張力が低い環境が伴う場合があり、ベルトが不必要に滑り、ベルトが余分に摩耗します。この問題を解決するために、プーリーにラグが付けられることがあります。ラグとは、プーリー シェルに適用されることがある、さまざまなテクスチャ パターンのコーティング、カバー、または摩耗面の適用を表す用語です。ラグは、摩耗面を交換可能にしてシェルの寿命を延ばすため、またはベルトとプーリー間の摩擦を改善するためによく適用されます。特に、ドライブ プーリーには、まさにこの理由から、ゴム ラグ (ゴム摩擦層でコーティング) が付けられることがよくあります。^[15]ベルトに粉末ロジンを塗布すると、一時的に摩擦が増加する可能性がありますが、ベルトの寿命が短くなる可能性があります。^[16]

• ウィキメディア・コモンズの滑車関連メディア
• Wiktionaryのsheaveの辞書定義