Вот так выглядит применяемая на стройках бадья для бетона:
Фото с сайта https://www.prom23.ru/
Посмотрим, нельзя ли здесь уменьшить число подъемных петель до трёх и что из этого может получиться.
Может показаться, что на левой бадье её вес распределяется между четырьмя ветвями стропа, а на правой между тремя. На самом деле, слева почти вся тяжесть бадьи приходится только на две ветви из четырех, а справа этот же вес практически поровну делится на все три ветви.
Фокус в том, что четырехветвевой строп, это статически неопределимая система, а трехветвевой – статически определимая. Или, как говорят французы, в первом случае система гиперстатична (hyperstatique), а во втором изостатична (isostatique). При изостатике система имеет ровно столько связей, сколько необходимо для нормальной работы, - ни больше и ни меньше. В нашем случае это три необходимые и достаточные ветви стропа. Гиперстатичной называют систему с избыточными связями. В нашем случае одна из четырех ветвей стропа избыточна. Вот эта лишняя связь и приводит к странной, но совершенно реальной ситуации, когда работают только две ветви стропа из четырех.
Для объяснения можно обойтись без составления уравнений статического равновесия, как это делается в более сложных случаях.
И без таких уравнений понятно, что даже если длины ветвей правого стропа будут существенно, но в разумных пределах, различаться, это лишь немного наклонит бадью, но нагрузка будет делиться между тремя ветвями практически поровну.
Также понятно, что, если одна из ветвей левого стропа будет немного длиннее остальных, она не будет брать на себя нагрузку и не будет натянута. Но даже при недостижимом идеальном равенстве длин ветвей, у такого стропа реально будут работать не четыре и не три, а только две ветви. Покажем это на следующей схеме.
Центр тяжести любого груза всегда несколько смещен относительно оси симметрии подъемных петель. В случае, показанном на схеме, при смещении С, понятно, что большая часть груза распределится поровну между двумя красными ветвями стропа. Остальная малая часть груза придется на желтую ветвь, а зеленая будет вообще не нагружена.
При более значительном смещении центра тяжести, на две красные ветви может приходится несколько меньшая доля нагрузки и она может делиться между ними не поровну. А нагрузка на жёлтую ветвь стропа может несколько возрасти. Однако, при правильном расчётном (симметричном) расположении подъемных петель почти всю нагрузку в простом четырёхветвевом стропе всегда несут две ветви из четырех.
Именно поэтому Госгортехнадзор предписывает при расчете такого стропа исходить из распределения всей нагрузки на две ветви.
Есть случаи, когда четырехветвевой строп необходим. Например, для подъема прямоугольной плиты перекрытия с четырьмя петлями. В таких случаях, можно обеспечить распределение нагрузки между всеми четырьмя ветвями. Для этого потребуется рычажный балансир, к которому присоединяются две ветви из четырех. Вместо балансира можно применить уравнительный блок. На следующем рисунке показан строп с двумя уравнительными блоками.
Доработанный рисунок с сайта https://samson-td.ru/katalog/stropyi/s-uravnitelnyimi-blokami.html
Блоки обеспечивают равномерное распределение нагрузки на все ветви стропа. Однако, здесь самое время вспомнить ещё одно французское словечко. Это система ипостатическая (hypostatique). На русском это означает систему с недостаточными связями или с избыточными подвижностями.
Если убрать тоненькие гибкие страховочные связи между ветвями, отмеченные стрелками, строп становится опасным. Например, при подъеме тяжелой плиты перекрытия она может встать «на ребро». Здесь можно применить изостатическую конструкцию, более простую и дешёвую. Достаточно оставить один блок и одну страховочную связь, а вместо второго присоединить к верхней скобе пару обычных ветвей. Тогда будет обеспечена практически равномерная нагрузка всех ветвей стропа.
Всё изложенное написано не ради самих стропов. Полагаю, что на этих простых примерах показаны преимущества принципа конструирования, сводящегося к тому, что правильный механизм, это механизм изостатический, то есть статически определимый, он же самоустанавливающийся.
Реализация этого принципа иногда требует некоторого усложнения конструкции, но зачастую, как в рассмотренном случае, она сопровождается упрощением и снижением себестоимости. И всегда изостатический механизм обеспечивает повышение нагрузочной способности и надёжности по сравнению с гиперстатическим.
Эти преимущества во многих случаях реальны не только для таких простейших устройств, как бадья для бетона или грузовые стропы, но и для гораздо более сложных изделий любых отраслей машиностроения. А чтобы убедиться в этом, приглашаю коллег конструкторов и просто любителей техники на сайт «Правильное строение машин», где изложена суть метода конструирования самоустанавливающихся механизмов, созданного профессором МВТУ Леонидом Николаевичем Решетовым, и приведены многочисленные примеры его применения.
Добро пожаловать: https://pravmash.ru/