Kapitel 1: Maskinernes fysiske verden

Maskiner er bygget til at erstatte menneskeligt arbejde. Alligevel føler mange mennesker ubehag i deres nærhed, fordi de ikke forstår, hvordan maskiner fungerer. Dette kapitel definerer de grundlæggende fysiske begreber — kraft, energi, arbejde, effekt og tryk — som optræder i alle senere kapitler i denne kursus.

Figur 1-1 En typisk industrihydraulisk kraftenhed. Pumpen, motoren, reservoiret og ventilerne er ofte kombineret i ét hus som dette.

Kraft

En kraft er enhver handling, der ændrer — eller forsøger at ændre — et objekts bevægelsestilstand.

Newton (N)

SI-enhed for kraft er newton (N). I amerikanske traditionelle enheder måles kraft i pund (lbs).

Tre måder, hvorpå kraft ændrer bevægelse

En kraft kan gøre tre ting ved et objekt:

1. Sætte objektet i bevægelse.
2. Formindske dets hastighed eller standse det.
3. Skift retningen af dets bevægelse.

Modstand

Enhver kraft, der sænker farten eller standser bevægelsen, kaldes en modstand. De to mest almindelige modstande i hydrauliske maskiner er friktion og inertie.

Friktion

Friktion er den modstand, der opstår ved kontaktfladen mellem to genstande, der bevæger sig – eller har tendens til at bevæge sig – i forhold til hinanden.

Figur 1-3: Friktion virker overalt, hvor to overflader er i kontakt og glider mod hinanden.

Inerti

Inertie er et objekts tendens til at bevare sin nuværende bevægelsestilstand. Et legeme i hvile forbliver i hvile; et bevægeligt legeme fortsætter med at bevæge sig. Inertie er direkte relateret til masse: et tungere objekt er sværere at sætte i gang eller standse.

Eksempel: En blykugle har mere inertie end en trækugle. Spark til begge med samme kraft, og trækuglen bevæger sig hurtigere og længere, hvilket viser, at blykuglen mere modstår ændringen i bevægelse.

Energi

Energi er det, som en kraft besidder, når den er i stand til at få noget til at bevæge sig. I enkle ord: Energi er evnen til at udføre arbejde.

Kinetisk energi

Kinetisk energi er bevægelsesenergi. Ethvert bevægeligt objekt har kinetisk energi, fordi det kan skubbe andre ting og få dem til at bevæge sig. Jo tungere og hurtigere det bevæger sig, jo mere kinetisk energi har det.

Energi former

Energi findes i mange former: mekanisk, termisk (varme), elektrisk, lys, kemisk og lydenergi.

Loven om energibevarelse

Energi kan hverken skabes eller destrueres – den kan kun omdannes fra én form til en anden. Dette er en af de vigtigste love inden for fysikken.

Figur 1-6 Loven om energibevarelse: energi bliver aldrig ødelagt, kun omdannet til en anden form.

Energiomformning

Elektrisk energi fra en stikkontakt kan blive lys (i en pære), varme (i en radiator), mekanisk bevægelse (i en motor) eller lyd (i en højttaler), afhængigt af enheden. Energi bevares altid – den skifter bare form.

Et andet eksempel: at glide ned ad et reb omdanner kroppens kinetiske energi til varme i rebet og i hænderne, hvilket er grunden til, at friktion sænker farten og opvarmer rebet.

Energitilstande

Kinetisk energi — energi i bevægelse

Kinetisk energi repræsenterer arbejde, der allerede er udført — det er den energi, et objekt besidder på grund af sin bevægelse. De fleste former for energi skal befinde sig i den kinetiske tilstand, før de kan udføre nyttigt arbejde.

Potentiel energi — lagret energi

Potentiel energi er lagret energi. Når de rigtige betingelser er opfyldt, omdannes potentiel energi til kinetisk energi og forårsager bevægelse. Potentiel energi stammer fra et objekts fysiske natur eller dets position over et referencepunkt.

Eksempler: Vand lagret i en højtliggende tank har potentiel energi på grund af sin højde — det kan strømme nedad og udføre arbejde på et lavere niveau. En batteri, der ikke er tilsluttet en kreds, lagrer kemisk potentiel energi.

Figur 1-8 To velkendte eksempler på potentiel energi: en højtliggende vandtårn og et opladet batteri.

Omdannelse af energitilstand

Potentiel og kinetisk energi omdannes frit frem og tilbage. Vandet i en tårn er potentiel energi; når det strømmer ned ad bakken, bliver det kinetisk energi; når det fylder en beholder og løftes igen, bliver det potentiel energi igen.

Arbejde

Der udføres arbejde, når en kraft virker på et objekt og flytter det en bestemt afstand. Hvis der ikke sker nogen bevægelse, udføres der intet arbejde.

Joule, J = N·m

SI-enheden for arbejde er joule (J). I amerikanske traditionelle enheder måles arbejde i fod-pund (ft·lbs).

Arbejdsformel

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

Eksempel: En gaffeltruck løfter hver palle 5 ft (1,524 m) med en kraft på 2.000 lbs (8.880 N). Arbejdet pr. palle er:

Figur 1-9 Arbejde = kraft × afstand. Gaffeltrucken udfører arbejde hver gang den løfter en palle.

Effekt

Arbejde udføres altid på en bestemt tid. Effekt er den hastighed, hvormed arbejde udføres – altså mængden af arbejde pr. tidsenhed.

Effektformel

(W) = (m) × (N) / (s) eller (ft·lbs/s) = (ft) × (lbs) / (s)

Ved hjælp af gaffeltruckeksemplet: Hvis de 10.000 ft·lbs arbejde udføres på 5 sekunder, er effekten:

Hestekraft (HP)

Hestekraft er den kejserlige enhed for effekt. James Watt, der opfandt dampmaskinen, definerede den ved at sammenligne sin motor med en arbejdshest. Han fandt ud af, at en hest kunne flytte 550 lbs en afstand på 1 ft på 1 sekund:

Hestekraftformel

kW = HK × 0,746

For gaffeltruck-eksemplet: 2.000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3,6 HK (= 2.707 W = 2,71 kW).

Figur 1-11 James Watt definerede 1 HK som 550 ft·lbs pr. sekund efter at have observeret arbejdsheste.

Tryk

Tryk måler intensiteten af en kraft – altså, hvor koncentreret kraften er over et givet areal. To objekter kan udøve samme samlede kraft, men skabe meget forskellige tryk afhængigt af kontaktarealet.

Almindeligt eksempel: høje hæle mod flade sko. Begge bærer samme kropsvægt, men det lille hælområde koncentrerer vægten til et meget højt tryk på gulvet, mens en flad sål spreder samme kraft over et stort areal og dermed giver lavt tryk. Alle, der har haft en hæl lande på deres fod, forstår dette.

Trykformel

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

Omregning af enheder:

• 1 bar = 10^5 N/m² = 10^5 Pa
• 1 bar = cirka 14,5 psi
• Standardatmosfærisk tryk = 14,7 psia = 1,01 bar = 101.000 Pa

Eksempel: En klods med en bundflade på 100 in² (645 cm²) vejer 100 lbs (444 N). Tryk = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). De samme 100 lbs på en stålnål med en bundflade på 0,25 in² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Figur 1-12: Samme kraft, meget forskelligt tryk. Jo mindre arealet er, jo højere er trykket.

Arbejdsenergi

Maskiner bruger energi typisk via tryk. Tryk opstår, når kinetisk energi virker på overfladen af en belastning. Arbejdsenergi kombinerer kinetisk energi med tryk for at flytte belastningen.

Omdannelse af arbejdsenergi

I alle transmissionsystemer går en del af arbejdsenergien tabt som friktion på vejen til belastningen. Denne tabte energi bliver ikke ødelagt – den omdannes til varme. Den andel af energien, der omdannes til varme, udgør systemets tab og er årsagen til, at systemer er ineffektive.

Trykket ved kilden er højere end trykket ved belastningen, fordi energi forbruges til at overvinde friktionen i rør, ventiler og fittings på vejen.

Figur 1-13: Arbejdsenergi strømmer fra kilde til belastning. Friktionen på vejen frembringer varme, hvilket reducerer det tryk, der når frem til belastningen.

Energitransmissionsmetoder

Der er fire måder, hvorpå maskiner transmitterer energi fra kilden til det sted, hvor arbejde udføres:

Mekanisk transmission

Energi bevæger sig gennem fysisk bevægelse – vippearme, kæder, tandhjul, taljer, remme og kurver. Bæreren er en bevægelig mekanisk del, der er direkte forbundet med energikilden.

Elektrisk transmission

Energi bevæger sig langs elektriske ledere (ledninger) og leveres til en elektrisk aktuator – en motor eller en magnetventil – til udførelse af arbejde.

Pneumatisk transmission

Energi bevæger sig gennem rør som komprimeret luftstrøm og leveres til en pneumatisk aktuator (luftcylinder eller luftmotor) til udførelse af arbejde.

HYDRAULISK TRANSMISSION

Energi transporteres gennem rør som trykstuet væskestrøm (olie) og leveres til en hydraulisk aktuator (cylinder eller motor) for at udføre mekanisk arbejde. Dette er emnet for hele denne kursus.

Enhver maskine udfører til sidst mekanisk arbejde. Energi i enhver form — elektrisk, pneumatisk, hydraulisk — skal omformes tilbage til mekanisk energi af en aktuator, før belastningen kan flyttes. Hver metode har fordele og ulemper, og mange maskiner kombinerer to eller flere metoder.

Figur 1-17: Hydraulisk transmission transporterer energi som trykstuet væske. Cylindren eller motoren i enden omformer den tilbage til mekanisk kraft.

Systemtab

I ethvert reelt transmissionsystem omdannes en del energi til varme ved friktion, inden den når belastningen. Den arbejdende energi (kinetisk energi under tryk) virker på overfladerne i rør og ventiler og genererer modstand og varme. Denne tab viser sig som et trykfald fra kilde til belastning. Energien bevares – den skifter blot form, hvilket gør systemet mindre effektivt.