Kapitola 1: Fyzický svět strojů

Stroje jsou konstruovány tak, aby nahradily lidskou práci. Mnoho lidí se však cítí v jejich blízkosti nepohodlně, protože nerozumí tomu, jak stroje fungují. Tato kapitola definuje základní fyzikální pojmy – sílu, energii, práci, výkon a tlak –, které se objevují v každé následující kapitole tohoto kurzu.

Obrázek 1-1 Typická průmyslová hydraulická pohonná jednotka. Čerpadlo, motor, nádrž a ventily jsou často spojeny v jednom pouzdře, jako je to na obrázku.

Síla

Síla je jakékoli působení, které mění – nebo se snaží změnit – pohybový stav tělesa.

Newton (N)

SI jednotkou síly je newton (N). V americkém měrném systému (US customary units) se síla měří v librách (lbs).

Tři způsoby, jak síla mění pohyb

Síla může s tělesem udělat tři věci:

1. Uvést těleso do pohybu.
2. Zpomalit ho nebo zastavit.
3. Změňte směr jeho pohybu.

Odpor

Jakákoli síla, která zpomaluje nebo zastavuje pohyb, se nazývá odpor. Dva nejběžnější odpory v hydraulických strojích jsou tření a setrvačnost.

Tření

Tření je odpor, který vzniká na styčné ploše mezi jakýmikoli dvěma tělesy, která se pohybují – nebo mají tendenci se pohybovat – vzhledem k sobě.

Obrázek 1-3: Tření působí všude tam, kde jsou dvě povrchy v kontaktu a posouvají se po sobě.

Inercie

Setrvačnost je tendence tělesa zachovat svůj současný stav pohybu. Těleso v klidu zůstává v klidu; pohybující se těleso pokračuje v pohybu. Setrvačnost je přímo úměrná hmotnosti: těžší těleso je obtížnější uvést do pohybu nebo zastavit.

Příklad: Olověná koule má větší setrvačnost než dřevěná koule. Koplěte obě stejnou silou a dřevěná koule se pohne rychleji a do větší vzdálenosti, což ukazuje, že olověná koule více odolává změně pohybu.

Energie

Energie je to, co síla má, když je schopna uvést něco do pohybu. Jednoduše řečeno: energie je schopnost konat práci.

Kinetickou energii

Kinetická energie je energie pohybu. Každý pohybující se předmět má kinetickou energii, protože může tlačit jiné věci a uvádět je do pohybu. Čím je těžší a rychlejší, tím více kinetické energie má.

Formy energie

Energie existuje v mnoha formách: mechanická, tepelná (teplo), elektrická, světelná, chemická a zvuková energie.

Zákon zachování energie

Energie nemůže být nikdy vytvořena ani zničena – může být pouze přeměněna z jedné formy na jinou. Jedná se o jeden z nejdůležitějších zákonů ve fyzice.

Obrázek 1-6 Zákon zachování energie: energie se nikdy nezničí, pouze se přemění na jinou formu.

Převod energie

Elektrická energie ze zásuvky se může změnit na světlo (v žárovce), teplo (v topném tělese), mechanický pohyb (v motoru) nebo zvuk (ve reproduktoru), v závislosti na zařízení. Energie je vždy zachována – pouze mění svou formu.

Další příklad: klouzání po laně přeměňuje kinetickou energii těla na teplo v laně a v rukou, což je důvod, proč tření zpomaluje pohyb a ohřívá lano.

Stavy energie

Kinetická energie — energie v pohybu

Kinetická energie představuje práci, která již byla vykonána — je to energie, kterou má těleso díky svému pohybu. Většina forem energie musí být v kinetickém stavu, než může vykonat užitečnou práci.

Potenciální energie — uložená energie

Potenciální energie je uložená energie. Pokud jsou splněny vhodné podmínky, přemění se potenciální energie na kinetickou energii a způsobí pohyb. Potenciální energie vyplývá z fyzikální povahy tělesa nebo z jeho polohy nad referenčním bodem.

Příklady: voda uložená v nadzemní nádrži má potenciální energii z důvodu své výšky — může téct dolů a vykonat práci na nižší úrovni. Baterie nepřipojená k obvodu uchovává chemickou potenciální energii.

Obrázek 1-8: Dva známé příklady potenciální energie — vodojem a nabitá baterie.

Přeměna stavu energie

Potenciální a kinetická energie se navzájem volně přeměňují. Voda v nádrži představuje potenciální energii; při toku z kopce se mění na kinetickou energii; když naplní nádobu a je znovu zvednuta, stane se opět potenciální energií.

Práce

Práce je vykonána tehdy, působí-li síla na těleso a posune jej o určitou vzdálenost. Pokud se nic nepohne, práce není vykonána.

Joule, J = N·m

SI jednotkou práce je joule (J). V americkém měrném systému se práce měří ve stopa-librách (ft·lbs).

Vzorec pro výpočet práce

(J) = (m) × (N) nebo (ft·lbs) = (ft) × (lbs)

Příklad: Vysokozdvižný vozík zvedne každou paletu do výšky 5 stop (1,524 m) silou 2 000 liber (8 880 N). Práce vykonaná na jednu paletu:

Obrázek 1–9 Práce = síla × dráha. Vysokozdvižný vozík vykonává práci pokaždé, když zvedne paletu.

Výkon

Práce je vždy vykonána za určitou dobu. Výkon je rychlost, jakou je práce vykonávána – tedy množství práce vykonané za jednotku času.

Vzorec pro výkon

(W) = (m) × (N) ÷ (s) nebo (ft·lb/s) = (ft) × (lb) ÷ (s)

Použijeme-li příklad s vysokozdvižným vozíkem: pokud je práce 10 000 ft·lb vykonána za 5 sekund, je výstupní výkon:

Výkon (HP)

Koňská síla je imperiální jednotka výkonu. James Watt, který vynalezl parní stroj, definoval tuto jednotku porovnáním výkonu svého stroje s výkonem pracujícího koně. Zjistil, že kůň dokáže posunout závaží 550 lb o vzdálenost 1 ft za 1 sekundu:

Vzorec pro koňskou sílu

kW = HP × 0,746

U příkladu s jeřábem: 2 000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3,6 HP (= 2 707 W = 2,71 kW).

Obrázek 1-11 James Watt definoval 1 HP jako 550 ft·lbs za sekundu na základě pozorování pracujících koní.

Tlak

Tlak měří intenzitu síly – tedy, jak je tato síla soustředěná na danou plochu. Dva objekty mohou působit stejnou celkovou silou, ale vytvářet velmi rozdílné tlaky v závislosti na ploše styku.

Běžný příklad: boty na vysokém podpatku versus ploché boty. Obě nesou stejnou hmotnost těla, avšak malá plocha podpatku soustředí tuto sílu do velmi vysokého tlaku na podlahu, zatímco plochá podrážka rozmístí tutéž sílu přes velkou plochu a vytvoří nízký tlak. Každý, kdo už měl podpatku na noze, to dobře pochopí.

Vzorec pro tlak

(Pa = N/m²) = (N) ÷ (m²) nebo (psi) = (lbs) ÷ (in²)

Převody jednotek:

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar = přibližně 14,5 psi
• Standardní atmosférický tlak = 14,7 psia = 1,01 bar = 101 000 Pa

Příklad: Blok se základnou o ploše 100 in² (645 cm²) váží 100 liber (444 N). Tlak = 100 liber ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Stejných 100 liber působí na ocelový kolík se základnou o ploše 0,25 in² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Obrázek 1-12 Stejná síla, zcela odlišný tlak. Čím menší je plocha, tím vyšší je tlak.

Pracovní energie

Způsob, jakým stroje využívají energii, je obvykle prostřednictvím tlaku. Tlak vzniká, když kinetická energie působí na povrch zátěže. Pracovní energie kombinuje kinetickou energii s tlakem za účelem posunutí zátěže.

Přeměna pracovní energie

Ve všech převodových systémech se na cestě ke zátěži část pracovní energie ztrácí na tření. Tato ztracená energie není zničena – mění se na teplo. Podíl energie, který se mění na teplo, představuje ztrátu systému a je to právě ona, která způsobuje neúčinnost systémů.

Tlak ve zdroji je vyšší než tlak v zátěži, protože se energie spotřebuje na překonání tření v potrubí, ventilech a armaturách po celé trase.

Obrázek 1-13: Pracovní energie proudí ze zdroje ke zátěži. Tření po trase vyvolává teplo, čímž se snižuje tlak, který dosáhne zátěže.

Způsoby přenosu energie

Stroje přenášejí energii ze zdroje na místo, kde je práce vykonávána, čtyřmi způsoby:

Mechanická převodovka

Energie se přenáší fyzickým pohybem – pákami, řetězy, ozubenými koly, kladkami, řemeny a kulisami. Nosným prvkem je pohybující se mechanická součást přímo spojená se zdrojem energie.

Elektrický přenos

Energie se šíří elektrickými vodiči (dráty) a je dodávána elektrickému aktuátoru – motoru nebo elektromagnetickému ventilu – za účelem vykonání práce.

Pneumatická přenosová soustava

Energie se přenáší potrubím ve formě stlačeného vzduchu a je dodávána pneumatickému aktuátoru (vzduchovému válci nebo vzduchovému motoru) za účelem vykonání práce.

HYDRAULICKÝ PŘENOS

Energie se přenáší potrubím ve formě stlačené kapaliny (oleje) a je dodávána hydraulickému aktuátoru (válcům nebo motorům), který ji přeměňuje na mechanickou práci. Toto je tématem celého tohoto kurzu.

Každý stroj nakonec vykonává mechanickou práci. Energie v jakékoli formě – elektrická, pneumatická, hydraulická – musí být aktuátorem převedena zpět na mechanickou energii, než lze zatížení posunout. Každá metoda má své výhody i nevýhody a mnoho strojů kombinuje dvě či více metod.

Obrázek 1-17: Hydraulický přenos přenáší energii ve formě stlačené kapaliny. Válec nebo motor na konci ji převádí zpět na mechanickou sílu.

Ztráta systému

Ve každém skutečném přenosovém systému se část energie před dosažením zátěže přemění třením na teplo. Pracovní energie (kinetická energie pod tlakem) působí na povrchy potrubí a ventilů, čímž vzniká odpor a teplo. Tato ztráta se projevuje poklesem tlaku mezi zdrojem a zátěží. Energie se zachovává – pouze mění svou formu, což způsobuje snížení účinnosti systému.