Обычные строительные или портальные краны поднимают до 200 т груза. Что же делать, если надо поставить на место предварительно собранную корабельную секцию или нос массой 1500 т? Как переместить 6000-тонную ракету на 5 км на пусковую позицию? Как развернуть 7000-тонную секцию стадиона в новое положение? Все эти проблемы связаны с перемещением тяжелого груза, и каждая из них решается по-своему.
Что такое тяжелые грузы?
Для промышленности очень важно, что сборка весьма крупных узлов на специализированных участках с последующим перемещением их на конечные места экономит капиталовложения. Поэтому предварительно собранные узлы становятся все больше и тяжелее.
«Тяжелыми» обычно считают грузы от сотен до десятков тысяч тонн. Проблемы перемещения тяжелых грузов волновали людей на протяжении тысячелетий. До сих пор остается загадкой как были передвинуты огромные каменные глыбы при строительстве пирамид и в Стоунхендже. Предположений много, но, очевидно, двигать тяжести на катках умели уже тогда. Катками служили бревна, а тянущее усилие развивали люди или рабочий скот.
Как только человек взял в руки рычаг, он вскоре открыл законы взаимного расположения движущей силы» груза и точки опоры, которые могут быть наиболее полезны в каждом отдельном случае. Архимеду приписывают такие слова: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир». Он понимал, что выигрыш в силе при использовании рычага заключается в следующем: тяжелый груз на одном конце рычага всегда получит малое перемещение, если приложенная сила, меньшая веса груза, на другом конце рычага совершит большое перемещение.
Преодоление трения
При перемещении тяжелых грузов приходится решать две различные задачи: как уменьшить трение под грузом и как сообщить достаточную силу для преодоления трения, существующего при движении груза. Для уменьшения трения сначала пользовались катками, а позднее различными колесами. Для облегчения движения груза судостроители применяли смазку. В последнее время разработаны пластмассовые покрытия на основе политетрафторэтилена (тефлона), воздушные подушки.
С движением связано трение двоякой природы. Статическое трение (трение покоя) должно преодолеваться при переходе объекта от покоя к движению, динамическое же трение (трение движения) препятствует начавшемуся движению. Коэффициент трения между двумя материалами есть отношение силы, приводящей груз в движение, к весу груза. Статические и динамические коэффициенты трения изменяются в широких пределах. Их максимальные значения лежат между значениями коэффициента трения для традиционного скольжения стали по смазанной стали (как в случае спуска корабля со стапелей на воду) 0,25-0,17 и 0,10-0,05 для скольжения стали по тефлону. (В последнее время эти цифры упали вдвое.) Эти значения уменьшаются до 0,01 в случае воздушной подушки.
Стоит разрешить задачу уменьшения трения, как возникают новые трудности. Грузы в тысячи тонн, приведенные в движение, нужно уметь останавливать. Поэтому в тех случаях, когда удается добиться низких коэффициентов динамического трения, необходимо предусмотреть средства торможения. Чтобы остановить спущенное на воду судно, требуются мощные тросы и цепи.
Для развития движущего усилия может быть использовано любое обычное средство передвижения, при условии что величина движущего усилия достаточна для преодоления сил трения, возникающих при движении груза. Когда большие портальные краны используются для перемещения груза из одной точки в другую, они просто его поднимают для уменьшения коэффициента трения между грузом и землей. Подъем означает развитие реактивных усилий в грунте под опорами крана. Поэтому подопорные пространства предварительно упрочняют.
Подготовка несущего грунта
Усилия возникают и в грунте, на который должен лечь тяжелый груз. Подготовка грунта к несению этих нагрузок – третья задача подъема и перемещения грузов. Необходимо рассчитать максимально допустимую нагрузку на грунт. Для многих материалов эти нагрузки известны: плотный гравий выдерживает до 33 т на 1 м2, а мокрый песок-5,5 т на 1 м2. При нагрузках, превышающих указанные, гравий и песок осаживаются и груз опускается, тонет в грунте. Поскольку нагрузка – это давление (т.е. сила тяжести, приходящаяся на единицу площади опоры), увеличение площади опоры приведет к снижению нагрузки. Поэтому лыжи держат человека на рыхлом снегу, тогда как в обычных ботинках он проваливается.
Возможность распределения нагрузки на ббльшие площади существует почти всегда. Но и это не решает всех проблем переноса тяжелых грузов. По воде такие грузы можно перевозить на судах на воздушной подушке. Такого рода транспорты медленно зарываются в песок, по мере того как песок выдувается из-под донной поверхности груза.
Универсального способа перемещения любых грузов в любых условиях и для любых целей нет. Задачи, поставленные выше, решаются различно: для подъема корабельной конструкции пригоден портальный кран; для перемещения, например, ракеты «Сатурн» необходимы гусеничные тягачи; трибуны стадиона можно развернуть, пользуясь воздушной подушкой.