فصل ۱: دنیای فیزیکی ماشین‌ها

ماشین‌ها برای جایگزینی نیروی کار انسان ساخته می‌شوند. با این حال، بسیاری از افراد در حضور آن‌ها احساس ناراحتی می‌کنند، زیرا نحوهٔ عملکرد ماشین‌ها را درک نمی‌کنند. این فصل مفاهیم فیزیکی اساسی — نیرو، انرژی، کار، توان و فشار — را تعریف می‌کند که در همهٔ فصل‌های بعدی این دوره ظاهر می‌شوند.

شکل ۱-۱ یک واحد هیدرولیکی صنعتی معمولی. پمپ، موتور، مخزن و شیرها اغلب در یک پوستهٔ واحد مانند این ترکیب شده‌اند.

نیرو

نیرو هر عملی است که وضعیت حرکتی یک جسم را تغییر دهد — یا سعی در تغییر آن داشته باشد.

نیوتن (N)

واحد SI نیرو، نیوتن (N) است. در واحدهای سنتی ایالات متحده، نیرو بر حسب پوند (lbs) اندازه‌گیری می‌شود.

سه روش تأثیر نیرو بر حرکت

نیرو می‌تواند سه کار روی یک جسم انجام دهد:

1. حرکت جسم را آغاز کند.
2. سرعت آن را کاهش دهد یا آن را متوقف کند.
3. جهت حرکت آن را تغییر دهد.

مقاومت

هر نیرویی که حرکت را کند کند یا متوقف کند، مقاومت نامیده می‌شود. دو نوع مقاومت رایج در ماشین‌های هیدرولیکی، اصطکاک و لختی هستند.

اصطکاکی

اصطکاک مقاومتی است که در سطح تماس بین هر دو جسمی که نسبت به یکدیگر در حال حرکت‌اند — یا تمایل به حرکت دارند — وجود دارد.

شکل ۱-۳: اصطکاک هرجا که دو سطح با یکدیگر در تماس بوده و نسبت به یکدیگر می‌لغزند، اعمال می‌شود.

اینرسی

لختی تمایل یک جسم به حفظ وضعیت فعلی حرکتش است. جسمی که در حالت سکون است، ساکن باقی می‌ماند؛ و جسمی که در حال حرکت است، ادامه حرکت می‌دهد. لختی به طور مستقیم با جرم مرتبط است: جسم سنگین‌تر را شروع یا متوقف کردن آن سخت‌تر است.

مثال: یک گلوله سربی اینرسی بیشتری نسبت به یک گلوله چوبی دارد. اگر هر دو را با نیروی یکسانی به پا بزنید، گلوله چوبی سریع‌تر و دورتر حرکت می‌کند که نشان‌دهنده مقاومت بیشتر گلوله سربی در برابر تغییر در حرکت است.

انرژی

انرژی آن چیزی است که یک نیرو هنگامی که قادر به به حرکت درآوردن چیزی است، دارد. به عبارت ساده: انرژی توانایی انجام کار است.

انرژی کینتیک

انرژی جنبشی، انرژی ناشی از حرکت است. هر جسم متحرکی به دلیل توانایی خود در هل دادن اجسام دیگر و به حرکت درآوردن آنها، دارای انرژی جنبشی است. هرچه جسم سنگین‌تر و سریع‌تر حرکت کند، انرژی جنبشی آن بیشتر خواهد بود.

انواع انرژی

انرژی به اشکال مختلفی وجود دارد: مکانیکی، حرارتی (گرمایی)، الکتریکی، نوری، شیمیایی و صوتی.

قانون پایستگی انرژی

انرژی هرگز نمی‌تواند ایجاد یا نابود شود — بلکه تنها می‌تواند از یک شکل به شکل دیگر تبدیل شود. این یکی از مهم‌ترین قوانین فیزیک است.

شکل ۱-۶ قانون پایستگی انرژی: انرژی هرگز نابود نمی‌شود، بلکه تنها به شکل دیگری تبدیل می‌گردد.

تبدیل انرژی

انرژی الکتریکی از یک پریز می‌تواند به نور (در لامپ)، گرما (در گرمکن)، حرکت مکانیکی (در موتور) یا صدا (در بلندگو) تبدیل شود، بسته به دستگاه مورد استفاده. انرژی همیشه پایسته است — تنها شکل آن تغییر می‌کند.

مثال دیگر: سُر خوردن روی طناب، انرژی جنبشی بدن را به گرما در طناب و دست‌ها تبدیل می‌کند؛ به همین دلیل اصطکاک باعث کند شدن حرکت شما و گرم شدن طناب می‌شود.

حالت‌های انرژی

انرژی جنبشی — انرژی در حال حرکت

انرژی جنبشی نشان‌دهنده‌ی کاری است که قبلاً انجام شده است — یعنی انرژی‌ای که یک جسم به دلیل حرکت دارد. بیشتر اشکال انرژی باید ابتدا به حالت جنبشی درآیند تا بتوانند کار مفیدی انجام دهند.

انرژی پتانسیل — انرژی ذخیره‌شده

انرژی پتانسیل، انرژی ذخیره‌شده‌ای است. وقتی شرایط مناسب فراهم شود، این انرژی به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود و باعث ایجاد حرکت می‌گردد. انرژی پتانسیل از ماهیت فیزیکی جسم یا از موقعیت آن نسبت به یک نقطه‌ی مرجع ناشی می‌شود.

مثال‌ها: آب ذخیره‌شده در یک مخزن بالارفته، به دلیل ارتفاعش، انرژی پتانسیل دارد — این آب می‌تواند به سمت پایین جریان یابد و در سطح پایین‌تر کار انجام دهد. باتری‌ای که به مداری متصل نشده است، انرژی پتانسیل شیمیایی ذخیره می‌کند.

شکل ۱-۸: دو مثال آشنا از انرژی پتانسیل: برج آب بلندشده و باتری شارژشده.

تبدیل حالت انرژی

انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی به‌طور آزاد و متقابل به یکدیگر تبدیل می‌شوند. آب موجود در برج انرژی پتانسیل است؛ هنگامی که به سمت پایین جریان می‌یابد، به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود؛ و زمانی که در ظرفی جمع‌آوری شده و دوباره بالا برده می‌شود، دوباره به انرژی پتانسیل تبدیل می‌گردد.

کار

کار زمانی انجام می‌شود که نیرویی بر جسمی اثر کند و آن را در جهت نیرو به مسافتی جابه‌جا کند. اگر هیچ جسمی جابه‌جا نشود، کاری انجام نشده است.

ژول، J = N·m

واحد SI کار، ژول (J) است. در سیستم واحدهای مرسوم ایالات متحده، کار بر حسب فوت-پوند (ft·lbs) اندازه‌گیری می‌شود.

فرمول کار

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

مثال: یک ماشین باربری هر پالت را به ارتفاع ۵ فوت (۱٫۵۲۴ متر) با نیروی ۲۰۰۰ پوند (۸۸۸۰ نیوتن) بلند می‌کند. کار انجام‌شده برای هر پالت:

شکل ۱-۹: کار = نیرو × فاصله. ماشین باربری هر بار که یک پالت را بلند می‌کند، کار انجام می‌دهد.

توان

کار همیشه در مدت زمانی مشخصی انجام می‌شود. توان نرخ انجام کار است — یعنی مقدار کار انجام‌شده در واحد زمان.

فرمول توان

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

با استفاده از مثال ماشین باربری: اگر کار ۱۰۰۰۰ ft·lbs در ۵ ثانیه انجام شود، خروجی توان برابر است با:

قدرت اسبی (HP)

اسپیس‌پاور واحد امپریال توان است. جیمز وات، که موتور بخار را اختراع کرد، آن را با مقایسهٔ موتور خود با یک اسب کارگر تعریف نمود. او دریافت که یک اسب می‌تواند وزن ۵۵۰ پوند را در فاصلهٔ ۱ فوت در عرض ۱ ثانیه جابه‌جا کند:

فرمول اسب‌بخار

کیلووات = اسب‌بخار × ۰٫۷۴۶

برای مثال بالابر: ۲۰۰۰ فوت.پوند/ثانیه ÷ ۵۵۰ = ۳٫۶ اسب‌بخار (= ۲۷۰۷ وات = ۲٫۷۱ کیلووات).

شکل ۱-۱۱: جیمز وات پس از مشاهدهٔ اسب‌های کارگر، ۱ اسب‌بخار را برابر با ۵۵۰ فوت.پوند در ثانیه تعریف نمود.

فشار

فشار شدت یک نیرو را اندازه‌گیری می‌کند — یعنی اینکه این نیرو چقدر بر روی سطح معینی متمرکز شده است. دو جسم می‌توانند نیروی کل یکسانی وارد کنند، اما بسته به مساحت سطح تماس، فشارهای بسیار متفاوتی ایجاد نمایند.

مثال روزمره: کفشهای پاشنه‌بلند در مقابل کفشهای صاف. هر دو وزن بدن یکسانی را تحمل می‌کنند، اما سطح بسیار کوچک پاشنه آن را به فشار بسیار بالایی روی کف زمین متمرکز می‌کند، در حالی که کف صاف همان نیرو را روی سطح بزرگ‌تری پخش کرده و فشار کمی ایجاد می‌کند. هر کسی که قبلاً پاشنه‌ی کفشی بر پایش فرود آمده باشد، این مفهوم را به خوبی درک می‌کند.

فرمول فشار

(پاسکال = نیوتون بر مترمربع) = (نیوتون) ÷ (مترمربع) یا (psi) = (پوند-نیرو) ÷ (اینچمربع)

تبدیل واحدها:

• ۱ بار = ۱۰⁵ نیوتون بر مترمربع = ۱۰⁵ پاسکال
• ۱ بار ≈ ۱۴٫۵ psi
• فشار استاندارد جو = ۱۴٫۷ psia = ۱٫۰۱ بار = ۱۰۱۰۰۰ پاسکال

مثال: یک بلوک با مساحت قاعده‌ی ۱۰۰ اینچمربع (۶۴۵ سانتی‌مترمربع) وزنی معادل ۱۰۰ پوند (۴۴۴ نیوتون) دارد. فشار = ۱۰۰ پوند ÷ ۱۰۰ اینچمربع = ۱ psi (۰٫۰۷ بار). همان ۱۰۰ پوند روی یک سوزن فولادی با مساحت قاعده‌ی ۰٫۲۵ اینچمربع (۱٫۶ سانتی‌مترمربع): ۱۰۰ ÷ ۰٫۲۵ = ۴۰۰ psi (۲۷٫۶ بار).

شکل ۱-۱۲: همان نیرو، اما فشارهای بسیار متفاوت. هرچه مساحت کوچک‌تر باشد، فشار بالاتر است.

انرژی کاری

روشی که ماشین‌ها از انرژی استفاده می‌کنند، معمولاً از طریق فشار است. فشار آنچه است که هنگام اعمال انرژی جنبشی بر سطح بار ایجاد می‌شود. انرژی کارکردی با ترکیب انرژی جنبشی و فشار، بار را به حرکت درمی‌آورد.

تبدیل انرژی کارکردی

در تمام سیستم‌های انتقال، بخشی از انرژی کارکردی در مسیر انتقال به بار، به دلیل اصطکاک اتلاف می‌شود. این انرژی اتلاف‌شده نابود نمی‌شود — بلکه به گرما تبدیل می‌گردد. کسری از انرژی که به گرما تبدیل می‌شود، اتلاف سیستم نامیده می‌شود و همین امر باعث کاهش بازدهی سیستم‌ها می‌گردد.

فشار در منبع بیشتر از فشار در بار است، زیرا انرژی برای غلبه بر اصطکاک در لوله‌ها، شیرها و اتصالات موجود در مسیر مصرف می‌شود.

شکل ۱-۱۳: جریان انرژی کارکردی از منبع به بار. اصطکاک در مسیر باعث تولید گرما و کاهش فشاری می‌شود که به بار می‌رسد.

روش‌های انتقال انرژی

چهار روش برای انتقال انرژی از منبع به محل انجام کار توسط ماشین‌ها وجود دارد:

انتقال مکانیکی

انرژی از طریق حرکت فیزیکی منتقل می‌شود — اهرم‌ها، زنجیرها، چرخ‌دنده‌ها، قرقره‌ها، تسمه‌ها و کام‌ها. حامل انرژی، قطعه‌ای مکانیکی متحرک است که به‌طور مستقیم به منبع انرژی متصل شده است.

انتقال الکتریکی

انرژی از طریق رساناهای الکتریکی (سیم‌ها) منتقل می‌شود و به یک عملگر الکتریکی — موتور یا سولنوئید — تحویل داده می‌شود تا کار انجام دهد.

انتقال پنوماتیک

انرژی به‌صورت جریان هواي فشرده از طریق لوله‌ها منتقل می‌شود و به یک عملگر پنوماتیک (سیلندر هوایی یا موتور هوایی) تحویل داده می‌شود تا کار انجام دهد.

انتقال هیدرولیکی

انرژی به‌صورت جریان مایع تحت فشار (روغن) از طریق لوله‌ها منتقل می‌شود و به یک عملگر هیدرولیک (سیلندر یا موتور) تحویل داده می‌شود تا کار مکانیکی انجام دهد. این موضوع، محور کلی این دوره آموزشی است.

در نهایت، هر ماشینی کار مکانیکی انجام می‌دهد. انرژی در هر شکلی — الکتریکی، پنوماتیک یا هیدرولیک — باید توسط یک عملگر دوباره به انرژی مکانیکی تبدیل شود تا بتوان بار را جابه‌جا کرد. هر یک از این روش‌ها مزایا و معایب خاص خود را دارد و بسیاری از ماشین‌ها از ترکیب دو یا چند روش استفاده می‌کنند.

شکل ۱-۱۷: انتقال هیدرولیکی انرژی را به‌صورت مایع فشرده حمل می‌کند. سیلندر یا موتور در انتهای سیستم، این انرژی را دوباره به نیروی مکانیکی تبدیل می‌کند.

تلفات سیستم

در هر سیستم انتقال واقعی، بخشی از انرژی پیش از رسیدن به بار، به‌دلیل اصطکاک به گرما تبدیل می‌شود. انرژی کاری (انرژی جنبشی تحت فشار) بر سطوح لوله‌ها و شیرها اثر می‌گذارد و باعث ایجاد مقاومت و گرما می‌شود. این تلفات به‌صورت افت فشار از منبع تا بار مشاهده می‌شود. انرژی پایسته می‌ماند — بلکه صرفاً شکل خود را تغییر می‌دهد؛ که این امر باعث کاهش بازده سیستم می‌شود.