Две равные и противоположно направленные силы, действующие на данное тело вдоль по одной прямой, называются взаимно уравновешивающимися силами. Взаимно уравновешивающиеся силы не могут вывести тело из состояния покоя или равномерного и прямолинейного движения, так как в этом случае существует равносие сил.

На кран, находящийся в покое, действует сила тяжести, которая передается через колеса на рельсы, крановые пути и несущие конструкции здания. Так как сила есть мера механического воздействия одного тела на другое, то на основании этого можно заключить, что силы в природе появляются и исчезают только попарно. Если тележка подъемного крана давит на рельсы с определенной силой, то и рельсы давят на колеса тележки с той же силой, но в противоположном направлении.

Колеса тележки и рельсы крана в точках соприкосновения деформируются — происходит сжатие. Вследствие деформации возникают силы упругости, отталкивающие колеса и рельсы друг от друга. Эти деформации обычно I малы и незаметны на глаз, но силы упругости, создаваемые ими, могут быть очень большими.

Согласно третьему закону Ньютона, действие всякой силы вызывает равное и противоположное по направлению противодействие. В нашем случае сила тяжести крана вызовет появление силы, противодействующей ей. Она будет называться реакцией крановых путей. Направление ее противоположно силе тяжести, а абсолютное значение равно силе тяжести крана. В результате действия этих сил движения не возникает, но сила тяжести обязательно вызывает деформацию (сжатие) материала колес и рельсов.

Равновесие сил наступает также при равномерном движении крана по подкрановым путям, в этом случае силы движущие уравновешиваются силами сопротивления движению и скорость крана не изменяется.

Всякому телу свойственно сохранять относительный покой или равномерное прямолинейное движение при отсутствии действия на него других сил (первый закон Ньютона). Это свойство тела называется инерцией.

Практически невозможно создать условия, при которых на движущееся тело не действовали бы окружающие тела. Например, в земных условиях тело при движении испытывает сопротивление воздуха.

При действии постоянной силы тело движется с постоянным ускорением, т. е. его скорость непрерывно возрастает, а при воздействии различных сил на одно и то же тело его ускорение меняется прямо пропорционально приложенным силам. При действии одинаковых сил на различные тела их ускорения обратно пропорциональны массам тел.

На этих положениях основан второй закон Ньютона: ускорение тела прямо пропорционально силе, действующей на тело, и обратно пропорционально его массе:
a=F/m, (1.1)
или
F = та. (1.2)
Отсюда видно, что при неизменной силе F ускорение а будет уменьшаться с увеличением массы т.

От массы тела зависит его инерция, т. е. масса является мерой инертности тела. Согласно Международной системе (СИ) единицей массы является килограмм.
Единицу силы получим из формулы (1.2): F = 1 кгХ X 1 м/с2 = 1 Н (ньютон). Ньютон равен силе, сообщающей телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2 в направлении действия силы.

Пользуясь уравнением второго закона Ньютона, можно вычислить любую силу, сообщающую ускорение телу, а значит, и силу тяжести, сообщающую свободно падающим телам ускорение g. Тогда получим формулу
P = mg, (1.3)
где Р — вес тела; т — его масса.

Вес тела — это сила, с которой оно действует на опору или подвес вследствие притяжения тела к Земле. Очевидно, что вес тела на Земле один, а в большом удалении от Земли он меньше или исчезнет совсем, т. е. наступит состояние невесомости. Масса же тела остается неизменной, и для того чтобы сообщить ему ускорение, надо приложить силу такую же, как и на Земле. Выражение F = та остается справедливым, и в этих условиях — при отсутствии веса — масса и инерция тела сохраняются.

Работа, мощность, кинетическая и потенциальная энергия. Грузчик, перенося груз, совершает работу; подъемный кран, перемещая груз, также совершает работу. Для совершения работы необходимы наличие силы и перемещение тела.

Работу, связанную с перемещением тел, называют механической. Без действия силы не может быть механической работы. Если на тело действуют силы, но тело остается в покое относительно тел, создающих эти силы, то механической работы также не производится. Если подъемный кран неподвижен, механической работы не совершается, хотя при этом действуют две силы — сила тяжести и сила реакции крановых путей.

Подъемный кран, поднимая груз в 1 т и перемещая его на 10 м по горизонтали, совершает определенную работу. Если кран снова поднимет такой же груз и переместит его на то же расстояние, то он второй раз выполнит такую же работу. Но всю эту работу он мог совершить и за один раз, подняв груз в 2 т и увеличив подъемную силу вдвое. Отсюда видно, что работа прямо пропорциональна силе, действующей на тело при его перемещении.

Механической работой называется мера внешнего воздействия, приложенного к телу. Измеряется работа произведением силы, действующей на тело на прямолинейном участке пути, на этот путь. Обозначив работу А, пройденный путь s и силу, действующую в направлении движения, F, получим
А = Fs. (1.4)

При выполнении механической работы возможны два случая: когда сила, совершающая работу, направлена в сторону движения тела и когда сила, совершающая работу, направлена противоположно движению тела. В первом случае сила увеличивает скорость движения и работа называется положительной. Во втором случае сила замедляет движение тела и работа силы является отрицательной. При подъеме груза сила тяжести совершает отрицательную работу, а при спуске — положительную. Положительной является всякая работа, в результате которой увеличивается скорость механического движения.

Быстрота выполнения работы тем или иным двигателем зависит от его мощности. Мощностью N двигателя называется отношение работы А, осуществляемой двигателем, ко времени t, в течение которого эта работа совершена:
N = АЦ (1.5)

В Международной системе за единицу мощности принят ватт (Вт): 1 Вт = 1 Дж/с. Ватт — небольшая единица, поэтому на практике пользуются в 1000 раз большей единицей мощности — киловаттом: 1 кВт = 1000 Вт. Иногда на практике встречается внесистемная единица мощности — лошадиная сила (л. с): 1 л. с. « 736 Вт « « 0,736 кВт.

Человек при длительной работе развивает мощность в среднем от 0,08 до 0,1 кВт.

Одним из всеобщих законов природы является закон сохранения энергии, который гласит, что энергия не создается из ничего и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую.

Энергией называется величина, количественно характеризующая качественно различные формы движения тел и совершаемую ими при этом работу. Различают следующие виды энергии: внутреннюю, механическую, магнитную, тепловую, гравитационную, ядерную и др.

Рассмотрим только механическую энергию. Всякое тело, совершающее механическое движение, обладает механической энергией. Поднятое над Землей тело имеет запас механической энергии: падая вниз, оно может выполнить работу. То же относится к деформированным упругим телам — растянутой или сжатой пружине. Механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергии.

Кинетической называется энергия тела, обусловленная его механическим движением. Кинетическая энергия определяется массой тела и скоростью его движения.

Потенциальной называется энергия, зависящая от положения тела или частиц тела относительно друг друга. Потенциальная энергия поднятого тела зависит от массы этого тела и высоты подъема и измеряется той работой, которую может выполнить тело при падении.

Кинетическая энергия свободно падающего тела в нижней точке пути в момент удара о Землю равна его потенциальной энергии в верхней точке, из которой началось свободное падение.

Все части крана — грузозахватные органы, канаты, тележка, мост, а также и крановые пути — несут определенную нагрузку, максимальное значение которой обусловливается грузоподъемностью крана. Нагрузки делятся на статические и динамические. Статической называется нагрузка, создаваемая массой поднятого груза и элементов крана в состоянии его покоя. Динамическая нагрузка возникает при перемещении груза и элементов крана, например в редукторе, барабане, в результате движения и торможения.

Нагрузка вызывает механические напряжения. При работе крана его части испытывают одно или комбинацию напряжений растяжения, сжатия, изгиба, кручения, среза, смятия и т. п. Грузовой канат, например, работает на растяжение, а при наматывании на барабан — также и на изгиб. Мост крана и крановые пути подвержены изгибу, так как поднимаемый краном груз стремится изогнуть их. Шпонки зубчатых колес испытывают напряжение на срез, поскольку усилия, возникающие при работе этих колес, стремятся сдвинуть металл, срезать шпонку, что часто наблюдается в действительности при перегрузках машин.

Напряжения вызывают деформацию частей крана, т. е. изменение их первоначального состояния. Деформации делятся на упругие и неупругие. Упругой называется деформация, которая исчезает при снятии нагрузки. Все части крана при работе должны испытывать только упругие деформации; если же нагрузка превысит предел, при котором деформация является упругой, то возникает остаточная деформация, т. е. данная деталь не возвращается в первоначальное состояние, например при изгибе, а остается несколько изогнутой. Остаточные деформации приводят к нарушению нормальных свойств материала и поэтому недопустимы.