Pennod 1: Y Byd Corfforol o Beiriantau

Adnoddau peiriant sydd wedi'u hadeiladu i amnewid gwaith dynol. Ond mae llawer o bobl yn teimlo'n anghyffredin o'u hamgylch oherwydd nad ydyn nhw'n deall sut mae peiriantau'n gweithio. Mae'r pennod hwn yn diffinio'r cysyniadau corfforol sylfaenol — grym, ynni, gwaith, pŵer a phwysedd — sydd yn dod i'r amlaf mewn pob pennod nesaf o'r cwrs hwn.

Ffigur 1-1 Uned bŵer hydrolig diwylliannol arferol. Yr homf, y corff, y cynllun a'r falfau yn aml yn cael eu cyfuno mewn un gorsaf fel hon.

Grym

Mae grym yn unrhyw weithrediad sydd yn newid — neu'n ceisio newid — cyflwr symudiad gwrthrych.

Newton (N)

Uned SI o ryddid yw'r newton (N). Mewn unedau arferol yr Unol Daleithiau, mesurir ryddid mewn pwysau (lbs).

Tair ffordd y mae ryddid yn newid symudiad

Gall ryddid wneud tri peth i wrthrych:

1. Dechrau symudiad y wrthrych.
2. Arau ei symudiad neu'w atal.
3. Newid cyfeiriad ei symudiad.

Arwystlys

Dywedir am unrhyw ryddid sy'n arau neu'n atal symudiad ei fod yn gwrthwynebiad. Mae'r ddau wrthwynebiad cyffredinaf mewn peiriannau hydrolig yn llithriant a niwtrn.

Ffrithiant

Mae llithriant yn wrthwynebiad sydd yn bodoli ar arwyneb cysylltu rhwng unrhyw ddau wrthrych sydd yn symud — neu sydd yn tendio i symud — yn perthnasol i'w gilydd.

Ffigur 1-3 Mae llithriant yn gweithio ble bynnag mae dau arwyneb mewn cysylltiad ac yn lledru'n erbyn ei gilydd.

Niwtrn

Mae anweithreddiad yn y tendans i gynnal cyflwr presennol mudiad gwrthrych. Mae gwrthrych yn ei weddillion yn aros yn ei weddillion; mae gwrthrych sydd yn symud yn parhau i symud. Mae anweithreddiad yn perthnasol uniongyrchol i fass: mae gwrthrych tyngach yn anoddach i'w ddechrau neu'i atal.

Enghraifft: Mae pel llydan yn cynnwys mwy o anweithreddiad na phel coed. Taro'r ddau â'r un grym a bydd y pel coed yn teithio'n gynta' ac yn bellach, gan ddangos fod y pel llydan yn gwrthwynebu'r newid mewn mudiad yn fwy.

Gyfrawd

Mae egni yn yr hyn sydd gan ryw grym pan fo'n gallu gwneud rhywbeth i symud. Mewn termau syml: mae egni yn gallu gwneud gwaith.

Energi gynetig

Mae egni cineyddol yn egni mudiad. Mae pob gwrthrych sydd yn symud yn cynnwys egni cineyddol oherwydd y gall ei bwerthu ar bethau eraill a'u gwneud i symud. Mae'r tyngach a'r cynta' y mae'n symud, yr egni cineyddol sydd ganddo.

Ffurfiadau egni

Mae egni yn bodoli mewn llawer o ffyrdd: mecanyddol, thermol (gwres), trydanol, golau, cemegol, a sain.

Deddf Cydraddiad Egni

Ni all egni byth gael ei greu na'i ddinistrio — gallwn i'w troi o un ffurf i ffurf arall yn unig. Mae hwn yn un o'r cyfreithiau pwysicach yn ffiseg.

Ffigur 1-6 Cyfraith Cadwraeth Egni: nid yw egni byth yn cael ei ddinistrio, ond yn cael ei droi i ffurf arall.

Troi egni

Gall egni trydanol o bwlch trydan fynd yn goleu (mewn bolb goleu), gwres (mewn gweithredwr gwres), symudiad mecanegol (mewn corffor), neu sain (mewn siaradur), yn dibynio ar y dyfeisiad. Mae egni bob amser yn cael ei gadw — mae'n newid ffurf yn unig.

Enghraifft arall: pan rydych yn gludo lawr o rop, mae'r egni cineiddiol o'r corff yn cael ei drosi i gwres yn y rop a'r llaw, ac felly mae'r ffrithiant yn eich gwarantu a'n gwresogi'r rop.

Cyflwr Egni

Egni cineiddiol — egni mewn symudiad

Mae egni cineiddiol yn cynrychioli gwaith sydd eisoes wedi ei wneud — mae hon yn egni sydd gan wrthrych oherwydd ei symudiad. Rhaid i'r rhan fwyaf o ffyrdd egni fod yn y cyflwr cineiddiol cyn eu bod yn gallu gwneud gwaith defnyddiol.

Egni potensial — egni storiedig

Mae egni potensial yn egni sydd wedi'i storio. Pan fydd y cyflwr cywir yn bodoli, mae egni potensial yn trosi i egni cineyddol ac yn achosi symudiad. Daw egni potensial o natur ffisegol gwrthrych neu ei leoliad uwchben pwynt cy reference.

Enghreifftiau: mae'r dŵr a storir mewn tanlith uchel yn cynnwys egni potensial oherwydd ei uchder — gall llifo i lawr a gwneud gwaith ar le is. Mae bateri nad yw wedi'i gysylltu â chylchred yn storio egni potensial cemegol.

Ffigur 1-8 Dau enghraifft gyffredin o egni potensial: tanlith dŵr codi a bateri wedi'i gosod.

Trosiadau cyflwr egni

Mae egni potensial a thegni cineyddol yn trosi'n ôl a rhag ofyn yn rhydd. Mae'r dŵr mewn tanlith yn egni potensial; wrth llyfnio i lawr mae'n dod yn egni cineyddol; pan fydd yn llenwi cynhwysydd ac yn cael ei godi eto, mae'n dod yn egni potensial eto.

Gwaith

Gwneir gwaith pan fydd grym yn weithgar ar wrthrych ac yn ei symud trwy bellter. Os nad oes dim yn symud, nid oes gwaith yn cael ei wneud.

Joule, J = N·m

Yr uned SI o waith yw'r joule (J). Mewn unedau arferol yr Unol Daleithiau, mesurir gwaith mewn troedfeddi-punnoedd (ft·lbs).

Fformiwla gwaith

(J) = (m) × (N) neu (ft.lbs) = (ft) × (lbs)

Enghraifft: Mae forklift yn codi pob pallet 5 troedfedd (1.524 m) â chrŵydd o 2,000 punnod (8,880 N). Y gwaith a wneir ar bob pallet:

Ffigur 1-9 Gwaith = grym × pellter. Mae'r forklift yn gwneud gwaith bob tro mae'n codi pallet.

Grym

Gweithir gwaith bob amser mewn rhagor na dim o amser. Pwer yw'r cyfradd rydym yn gwneud gwaith — maint y gwaith a wneir pob uned o amser.

Fformiwla pwerau

(W) = (m) × (N) ÷ (s) neu (ft.lbs/s) = (ft) × (lbs) ÷ (s)

Defnyddio'r enghraifft o'r forklift: os yw'r gwaith o 10,000 ft·lbs yn cael ei wneud mewn 5 eiliad, yw allbwn y pwer:

Ceirffrych (HP)

Ceirffrych yw uned bwer yr Ymerodraeth. James Watt, a ddygodd i fyny'r peiriant llygredd, ei ddiffiniodd trwy gymharu ei beiriant â geirch gweithgar. Darganfu fod geirch yn gallu symud 550 lbs am bellter o 1 troedfedd mewn 1 eiliad:

Fformiwla ceirffrych

kW = HP × 0.746

Er enghraifft y ffrwydro: 2,000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3.6 HP (= 2,707 W = 2.71 kW).

Ffigur 1-11: Diffiniodd James Watt 1 HP fel 550 ft·lbs pob eiliad ar ôl gweithio o hyd i geffylloedd yn gweithio.

PRYSAD

Mae gwasgedd yn mesur intensydd y grym — pa mor ganolog yw'r grym hwn dros arwynebedd penodol. Gall dau wrthrych gyfeirio'r un cyfanswm o ryw grym ond creu gwahanol wasgeddau yn dibynnu ar arwynebedd y cysylltiad.

Enghraifft o bob dydd: esgidiau talcyn naill ai esgidiau llafn. Mae'r ddau yn tynnu'r un pwyslais corff, ond mae'r arwynebedd bychan iawn o'r talcyn yn canoli'r pwyslais hwn i wasgedd uchel iawn ar y llawr, tra bod y llafn yn rhedeg yr un grym dros arwynebedd mawr a'u cynhyrchu'n wasgedd isel. Mae pawb sydd wedi bod yn y sefyllfa lle mae talcyn wedi disgyn ar eu troed yn deall hyn.

Fformiwla gwasgedd

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

Trosiadau unedau:

• 1 bar = 10⁵ N/m² = 10⁵ Pa
• 1 bar = tua 14.5 psi
• Gwasgedd aerffyrdd safonol = 14.7 psia = 1.01 bar = 101,000 Pa

Enghraifft: Mae bloc â sylfaen o 100 in² (645 cm²) yn pwyso 100 lbs (444 N). Gwasgedd = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi (0.07 bar). Yr un 100 lbs ar benin stål â sylfaen o 0.25 in² (1.6 cm²): 100 ÷ 0.25 = 400 psi (27.6 bar).

Ffigur 1-12 Un grym, ond gwasgeddau gwahanol iawn. Dim honno'r arwynebedd, hynny yw'r gwasgedd uwch.

Yr Egni Gweithio

Mae'r ffordd y defnyddir ynni gan beiriannau fel arfer yn cael ei wneud trwy wasgedd. Mae wasgedd yn yr hyn sydd yn digwydd pan mae egni cineyddol yn gweithio ar arwyneb llwyth. Mae'r egni gweithio'n cyfuno egni cineyddol â wasgedd i symud y llwyth.

Trosiadau'r Egni Gweithio

Mewn pob system trosglwyddo, mae rhagor o egni gweithio'n cael ei golli i grym tarwad ar y ffordd i'r llwyth. Nid yw'r egni a golledir yn cael ei ddinistrio — mae'n trosi i boer. Mae'r ffracsiwn o egni sydd yn troi i boer yn colled y system, ac mae hynny sydd yn gwneud y systemau'n aneffeithlon.

Mae'r pwysedd yn y ffynhonnell yn uwch na'r pwysedd ar y llwybr oherwydd bod egni yn cael ei defnyddio i groesi'r gwrthiant mewn tybiau, foliadau a chydranau ar hyd y llwybr.

Ffigur 1-13: Mae'r egni gweithgar yn llifo o'r ffynhonnell i'r llwybr. Mae'r gwrthiant ar hyd y llwybr yn cynhyrchu gwres, sy'n lleihau'r pwysedd sydd yn cyrraedd y llwybr.

Dulliau Trosglwyddo Egni

Mae pedwar ffordd i beiriant drosglwyddo egni o'r ffynhonnell i'w leoliad gweithgar:

Tramio Mecanegol

Mae'r egni yn teithio trwy symudiad corfforol — leferydd, cadwyni, cymylau, pwlis, cebyllau a chamiau. Mae'r cynhwysydd yn rhan mecanegol sydd yn symud ac sydd yn gysylltiedig yn uniongyrchol â'r ffynhonnell egni.

Trosglwyddo trydanol

Mae'r egni yn teithio ar hyd cynhwysyddion trydanol (gwiredd) ac yn cael ei ddarparu i weithredydd trydanol — sef corffiadur neu solenoid — i wneud gwaith.

Trosglwyddo pneumaidd

Mae'r egni yn teithio drwy dybiau fel llif awyr cywasgedig ac yn cael ei ddarparu i weithredydd pneumaidd (silindr awyr neu corffiadur awyr) i wneud gwaith.

Trosglwyddo hydrolig

Mae'r ynni'n teithio drwy gipiau fel llif hylif dan bwysedd (olew) ac yn cael ei ddarparu i weithredydd hydrolig (silindr neu beiriant) i wneud gwaith mecanegol. Mae hwn yn y pwnc o'r cwrs cyfan hwn.

Mae pob peiriant yn gwneud gwaith mecanegol yn y pen draw. Rhaid trosi'r ynni mewn unrhyw ffurf — trydanol, pneumaidd, hydrolig — yn ôl i ynni mecanegol gan weithredydd cyn y gall y llwyth gael ei symud. Mae gan bob dull mantais a chyfrinachau, ac mae llawer o beiriannau'n cyfuno dau ddull neu fwy.

Ffigur 1-17: Mae'r trosglwyddiad hydrolig yn cario ynni fel hylif dan bwysedd. Mae'r silindr neu'r beiriant ar y diwedd yn ei drosi'n ôl i gryfder mecanegol.

Collediad y system

Mewn pob system darparu go iawn, mae rhai o'r ynni'n cael eu trosi i boer trwy grym tarwedd cyn iddynt gyrraedd y llwyth. Mae'r ynni gweithgar (yr ynni cineyddol dan bwysedd) yn gweithio ar wynebau'r ciliau a'r ffyrdd, gan greu gwrthiant a boer. Mae'r colli hwn yn dangos fel gostyngiad mewn pwysedd o'r ffynhonnell i'r llwyth. Mae'r ynni'n cael ei chadw — mae'n newid ffurfiad yn unig, sy'n gwneud y system yn llai effeithlon.