ประวัติเครนเบื้องต้นและหลักการทางกล

เครนหรือที่รู้จักกันในชื่อเครนสะพานหรือเครนเหนือศีรษะเป็นเครื่องจักรประเภทหนึ่งที่ใช้ในการยก โดยทั่วไปเครนจะติดตั้งเครื่องม้วน (หรือที่เรียกว่าดรัมเชือกลวด) เชือกลวดหรือโซ่และมัด ซึ่งสามารถใช้ได้ทั้งในการยกและลดระดับวัสดุ และเคลื่อนย้ายในแนวนอน มันใช้เครื่องจักรง่ายๆ อย่างน้อยหนึ่งเครื่องเช่นรอกเพื่อสร้างความได้เปรียบทางกลและทำให้ขนย้ายสิ่งของเกินความสามารถปกติของมนุษย์ โดยทั่วไปมีการใช้เครนในอุตสาหกรรมการขนส่งสำหรับการขนถ่ายสินค้า ในอุตสาหกรรมก่อสร้างสำหรับการเคลื่อนย้ายวัสดุ และในอุตสาหกรรมการผลิตสำหรับการประกอบเครื่องจักรกลหนัก

เครนก่อสร้างรุ่นแรกๆ ถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยชาวกรีกโบราณ และขับเคลื่อนโดยคนหรือสัตว์บรรทุกของ เช่น ลา เครนเหล่านี้ใช้ในการก่อสร้างอาคารสูง ต่อมามีการพัฒนาเครนขนาดใหญ่ขึ้น โดยใช้ล้อดอกยางของมนุษย์ จึงสามารถยกของหนักได้ ในยุคกลางตอนปลาย มีการนำปั้นจั่นท่าเรือมาใช้ในการบรรทุกและขนถ่ายเรือ และช่วยในการก่อสร้าง บางส่วนถูกสร้างขึ้นเป็นหอคอยหินเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งและความมั่นคง ปั้นจั่นรุ่นแรกสุดถูกสร้างขึ้นจากไม้ แต่เหล็กหล่อและเหล็กกล้าเข้ามาแทนที่พร้อมกับการปฏิวัติอุตสาหกรรมที่กำลังมาถึง

เป็นเวลาหลายศตวรรษมาแล้วที่พลังได้รับมาจากความพยายามทางกายภาพของมนุษย์หรือสัตว์ แม้ว่ารอกในโรงสีน้ำและกังหันลมอาจขับเคลื่อนด้วยพลังธรรมชาติที่ได้รับการควบคุมก็ตาม กำลัง 'เชิงกล' ตัวแรกได้มาจากเครื่องยนต์ไอน้ำ เครนไอน้ำรุ่นแรกสุดที่ถูกนำมาใช้ในศตวรรษที่ 18 หรือ 19 โดยมีหลายเครื่องที่ยังใช้งานได้ดีจนถึงปลายศตวรรษที่ 20 เครนสมัยใหม่มักจะใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในหรือมอเตอร์ไฟฟ้า และระบบไฮดรอลิกเพื่อให้มีความสามารถในการยกมากขึ้นกว่าที่เคยเป็นไปได้ แม้ว่าเครนแบบแมนนวลจะยังคงใช้ในกรณีที่การจัดหาพลังงานไม่ประหยัดก็ตาม

เครนมีอยู่หลากหลายรูปแบบ – แต่ละแบบได้รับการออกแบบให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะด้าน ขนาดมีตั้งแต่เครนแขนหมุนที่เล็กที่สุดที่ใช้ในโรงงาน ไปจนถึงทาวเวอร์เครนที่สูงที่สุดที่ใช้สำหรับการก่อสร้างอาคารสูง สักพักหนึ่ง มินิเครนยังใช้ในการสร้างอาคารสูง เพื่ออำนวยความสะดวกในการก่อสร้างโดยการเข้าถึงพื้นที่แคบ ในที่สุด เราก็พบเครนลอยน้ำขนาดใหญ่กว่า ซึ่งโดยทั่วไปใช้ในการสร้างแท่นขุดเจาะน้ำมันและกอบกู้เรือที่จม

มีข้อควรพิจารณาหลักสามประการในการออกแบบเครน ประการแรก เครนจะต้องสามารถยกน้ำหนักของสินค้าได้ ประการที่สองเครนจะต้องไม่โค่นล้ม ประการที่สาม เครนต้องไม่แตกร้าว

เครนแสดงให้เห็นการใช้เครื่องจักรง่ายๆ หนึ่งเครื่องขึ้นไปเพื่อสร้างความได้เปรียบทางกล:

•คันโยก:

เครนทรงตัวประกอบด้วยลำแสงแนวนอนที่หมุนรอบจุดที่เรียกว่าศูนย์กลาง หลักการของคันโยกช่วยให้สามารถยกของหนักที่ติดอยู่กับปลายด้านสั้นของคานได้โดยใช้แรงที่น้อยกว่าซึ่งกระทำในทิศทางตรงกันข้ามกับปลายด้านที่ยาวกว่าของคาน อัตราส่วนของน้ำหนักของโหลดต่อแรงที่ใช้จะเท่ากับอัตราส่วนของความยาวของแขนยาวและแขนสั้น และเรียกว่าข้อได้เปรียบทางกล

• ลูกรอก:

เครนแขนหมุนมีสตรัทแบบเอียงที่รองรับบล็อกรอกแบบตายตัว สายเคเบิลถูกพันรอบบล็อกที่อยู่กับที่หลายครั้งและพันอีกบล็อกหนึ่งที่ติดอยู่กับโหลด เมื่อปลายสายเคเบิลที่ว่างถูกดึงด้วยมือหรือด้วยเครื่องม้วน ระบบรอกจะส่งแรงให้กับโหลดที่เท่ากับแรงที่ใช้คูณด้วยจำนวนความยาวของสายเคเบิลที่ผ่านระหว่างบล็อกทั้งสอง หมายเลขนี้คือข้อได้เปรียบทางกล

• กระบอกไฮดรอลิก:

สามารถใช้โดยตรงในการยกน้ำหนักหรือโดยอ้อมเพื่อเคลื่อนย้ายแขนหรือคานที่บรรทุกอุปกรณ์ยกอื่น

เครนก็เหมือนกับเครื่องจักรอื่นๆ ที่ปฏิบัติตามหลักการอนุรักษ์พลังงาน ซึ่งหมายความว่าพลังงานที่ส่งไปยังโหลดจะต้องไม่เกินพลังงานที่ใส่เข้าไปในเครื่อง ตัวอย่างเช่น หากระบบลูกรอกคูณแรงที่กระทำด้วยสิบ โหลดจะเคลื่อนที่เพียงหนึ่งในสิบของแรงที่กระทำ เนื่องจากพลังงานเป็นสัดส่วนกับแรงคูณด้วยระยะทาง พลังงานเอาต์พุตจึงอยู่ที่ประมาณเท่ากับพลังงานอินพุต (ในทางปฏิบัติน้อยกว่าเล็กน้อย เนื่องจากพลังงานบางส่วนสูญเสียไปเนื่องจากการเสียดสีและความไร้ประสิทธิภาพอื่นๆ)

หลักการเดียวกันนี้สามารถทำงานในแบบย้อนกลับได้ ในกรณีที่เกิดปัญหา การผสมผสานระหว่างน้ำหนักมากกับความสูงที่สูงสามารถเร่งให้วัตถุขนาดเล็กมีความเร็วมหาศาลได้ ขีปนาวุธดังกล่าวอาจส่งผลให้เกิดความเสียหายอย่างรุนแรงต่อสิ่งก่อสร้างใกล้เคียงและผู้คน เครนยังสามารถเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ การแตกของนกกระเรียนตัวหนึ่งอาจทำให้นกกระเรียนที่อยู่ใกล้เคียงหลุดออกไป เครนจะต้องได้รับการดูแลอย่างระมัดระวัง