Luku 1: Koneiden fyysinen maailma

Koneet on rakennettu korvaamaan ihmisen työvoimaa. Monet ihmiset kuitenkin tuntevat epävarmuutta niiden läheisyydessä, koska he eivät ymmärrä, miten koneet toimivat. Tässä luvussa määritellään perusfyysiset käsitteet — voima, energia, työ, teho ja paine —, jotka esiintyvät tämän kurssin jokaisessa myöhemmässä luvussa.

Kuva 1-1 Tyypillinen teollinen hydraulinen voimayksikkö. Pumppu, moottori, säiliö ja venttiilit ovat usein yhdistetty saman kotelon sisälle tällä tavoin.

Voima

Voima on mikä tahansa vaikutus, joka muuttaa — tai yrittää muuttaa — kappaleen liiketilaa.

Newton (N)

Voiman SI-yksikkö on newton (N). Yhdysvalloissa voimaa mitataan yleisesti paunayksiköissä (lbs).

Voiman kolme vaikutustapaa liikkeeseen

Voima voi vaikuttaa esineeseen kolmella tavalla:

1. Saada esine liikkeelle.
2. Hidastaa sitä tai pysäyttää sen.
3. Muuttaa sen liikkeen suuntaa.

Resistanssi

Mikä tahansa voima, joka hidastaa tai pysäyttää liikettä, on vastus. Hydrauliikkakoneissa yleisimmät vastukset ovat kitka ja hitaus.

Kitka

Kitka on vastus, joka syntyy kaikkien kahden esineen kosketuspinnalla, kun ne liikkuvat – tai pyrkivät liikkumaan – suhteessa toisiinsa.

Kuva 1–3 Kitka vaikuttaa kaikkialla, missä kaksi pintaa ovat kosketuksissa ja liukuvat toistensa suhteen.

Inertia

Hitaus on esineen taipumus säilyttää nykyinen liiketilansa. Levoassa oleva esine pysyy levossa; liikkuva esine jatkaa liikettään. Hitaus on suoraan verrannollinen massaan: raskaampaa esinettä on vaikeampi saada liikkeelle tai pysäyttää.

Esimerkki: Lyijypalloilla on enemmän hitautta kuin puupalloilla. Potkaise molempia yhtä suurella voimalla, ja puupallo kulkee nopeammin ja kauemmas, mikä osoittaa, että lyijypallo vastustaa liiketilan muutosta enemmän.

Energiaa

Energia on se, mitä voimalla on kykyä tehdä jokin liikkeelle. Yksinkertaisemmin sanottuna energia on kyky tehdä työtä.

Kineettinen energia

Liike-energia on liikkeen energia. Kaikilla liikkuvilla kappaleilla on liike-energiaa, koska ne voivat työntää muita asioita ja saada ne liikkumaan. Mitä raskaampi ja nopeammin kappale liikkuu, sitä enemmän liike-energiaa sillä on.

Energian muodot

Energia esiintyy monessa eri muodossa: mekaanisena, lämpöenergiana (lämpönä), sähköenergiana, valona, kemiallisena ja äänenä.

Energian säilymislaki

Energiaa ei voida koskaan luoda eikä tuhota – sitä voidaan ainoastaan muuttaa yhdestä muodosta toiseen. Tämä on yksi tärkeimmistä laeista fysiikassa.

Kuva 1–6 Energian säilymislaki: energiaa ei koskaan tuhota, vaan se muuttuu aina toiseen muotoon.

Energianmuunnos

Sähköenergiaa pistorasiasta voidaan muuntaa valoksi (lamppuun), lämmöksi (lämmittimeen), mekaaniseksi liikkeeksi (moottoriin) tai ääneksi (kaiuttimeen) riippuen laitteesta. Energia säilyy aina — se vain muuttaa muotoaan.

Toinen esimerkki: lasku köydellä muuttaa kehon liike-energian lämmöksi köydessä ja käsissä, mikä on syy siihen, miksi kitka hidastaa liikettä ja lämmittää köyttä.

Energian tilat

Liike-energia — energia liikkeessä

Liike-energia edustaa jo tehtyä työtä — se on energiaa, joka kappaleella on sen liikkuessa. Useimmat energiamuodot täytyy olla liike-energian muodossa ennen kuin ne voivat tehdä hyödyllistä työtä.

Potentiaalienergia — varastoitunut energia

Potentiaalienergia on varastoitunutta energiaa. Kun olosuhteet ovat sopivat, potentiaalienergia muuttuu liike-energiaksi ja aiheuttaa liikettä. Potentiaalienergia johtuu kappaleen fyysisestä luonteesta tai sen sijainnista viitereferenssipisteen yläpuolella.

Esimerkkejä: vesi, joka on varastoituna korkealle sijaitsevaan säiliöön, sisältää potentiaalienergiaa korkeutensa vuoksi — se voi virrata alaspäin ja tehdä työtä alemmalla tasolla. Akku, joka ei ole kytketty piiriin, varastoi kemiallista potentiaalienergiaa.

Kuva 1-8: Kaksi tuttua potentiaalienergian esimerkkiä: korkealle rakennettu vesitorni ja ladattu akku.

Energian tilan muuttuminen

Potentiaali- ja liike-energia muuttuvat toisikseen vapaasti. Vesi tornissa on potentiaalienergiaa; kun se virtaa alaspäin, se muuttuu liike-energiaksi; kun se täyttää säiliön ja nousee uudelleen ylöspäin, se muuttuu taas potentiaalienergiaksi.

Työ

Työtä tehdään, kun voima vaikuttaa kappaleeseen ja siirtää sitä eteenpäin jokin matka. Jos mikään ei liiku, työtä ei tehdä.

Joule, J = N·m

Työn SI-yksikkö on joule (J). Yhdysvalloissa käytetään työn yksikkönä jalkapoundia (ft·lbs).

Työn kaava

(J) = (m) × (N) tai (ft·lb) = (ft) × (lb)

Esimerkki: Teollisuustrukki nostaa jokaisen paletin 5 ft (1,524 m) korkeudelle voimalla 2 000 lb (8 880 N). Työn määrä yhtä palettia kohden:

Kuva 1–9 Työ = voima × matka. Teollisuustrukki tekee työtä aina, kun se nostaa paletin.

Teho

Työ suoritetaan aina jossakin ajassa. Teho on työn suorittamisen nopeus – eli työn määrä aikayksikköä kohti.

Tehon kaava

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

Käyttäen teollisuustrukkiesimerkkiä: jos 10 000 ft·lb:n työ suoritetaan viidessä sekunnissa, tehon tuotto on:

Heippa (HP)

Hevosvoima on imperiaalinen tehon yksikkö. James Watt, joka keksi höyrykoneen, määritteli sen vertaamalla koneensa toimintaa työhevoseen. Hän huomasi, että hevonen pystyi siirtämään 550 naulaa 1 jalan matkan 1 sekunnissa:

Hevosvoiman kaava

kW = hv × 0,746

Kuorma-auton esimerkissä: 2 000 ft·lb/s ÷ 550 = 3,6 hv (= 2 707 W = 2,71 kW).

Kuva 1–11 James Watt määritteli 1 hevosvoiman 550 ft·lb sekunnissa havaittuaan työhevosten toimintaa.

Paine

Paine mittaa voiman voimakkuutta – kuinka keskitetty kyseinen voima on annetulla pinta-alalla. Kaksi kappaletta voi vaikuttaa samalla kokonaisvoimalla, mutta luoda eri paineita riippuen kosketuspinta-alasta.

Arkipäiväinen esimerkki: korkeat korkokengät verrattuna tasakengiin. Molemmat kantavat samaa kehonpainoa, mutta pieni korkoalue keskittää sen erittäin korkeaksi paineeksi lattiaan, kun taas tasainen nieli jakaa saman voiman suurelle alueelle ja tuottaa matalan paineen. Kuka tahansa, jolle on osunut korko jalkaan, ymmärtää tämän.

Paineen kaava

(Pa = N/m²) = (N) / (m²) tai (psi) = (lb) / (in²)

Yksikkömuunnokset:

• 1 bar = 10⁵ N/m² = 10⁵ Pa
• 1 bar ≈ 14,5 psi
• Normaalipaine = 14,7 psia = 1,01 bar = 101 000 Pa

Esimerkki: Lohkon pohjan pinta-ala on 100 in² (645 cm²) ja sen massa on 100 lb (444 N). Paine = 100 lb ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Sama 100 lb teräspinnalla, jonka pohjan pinta-ala on 0,25 in² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Kuva 1–12: Sama voima, eri paine. Mitä pienempi pinta-ala, sitä suurempi paine.

Työenergia

Koneet käyttävät energiaa yleensä paineen avulla. Paine syntyy, kun liike-energia vaikuttaa kuorman pinnalle. Työenergia yhdistää liike-energian ja paineen kuorman siirtämiseksi.

Työenergian muuntaminen

Kaikissa voiman siirtojärjestelmissä osa työenergiasta kuluu kitkassa matkalla kuormaan. Tämä kadonnut energia ei tuhoutu — se muuttuu lämmöksi. Energian osuus, joka muuttuu lämmöksi, on järjestelmän tappio, ja se aiheuttaa järjestelmien tehottomuuden.

Lähteen paine on suurempi kuin kuorman paine, koska energiaa kuluu kitkan voittamiseen putkissa, venttiileissä ja liitoksissa matkalla.

Kuva 1–13 Työenergia virtaa lähteestä kuormaan. Matkalla syntyvä kitka tuottaa lämpöä, mikä vähentää kuormaan saapuvaa painetta.

Energiansiirron menetelmät

Koneet siirtävät energiaa lähteestä työn tekoalueelle neljällä eri tavalla:

Mekaaninen siirto

Energia kulkee fysikaalisella liikkeellä — vipuilla, ketjuilla, hammaspyörillä, pyörivillä rullilla, hihnoilla ja kammeilla. Energian kantaja on liikkeessä oleva mekaaninen osa, joka on suoraan yhdistetty energialähteeseen.

Sähköinen siirto

Energia kulkee sähköjohtimien (johdot) pitkin ja toimitetaan sähköiseen toimilaitteeseen — moottoriin tai solenoidiin — tehdäkseen työtä.

Ilma-ajoluettelo

Energia kulkee putkien kautta puristettuna ilmavirtana ja toimitetaan pneumatiselle toimilaitteelle (ilmasylinterille tai ilmamoottorille) tehdäkseen työtä.

Hydraulinen välitys

Energia kulkee putkien kautta paineisena nesteenä (öljy) ja toimitetaan hydrauliselle toimilaitteelle (sylinterille tai moottorille) tehdäkseen mekaanista työtä. Tämä on koko kurssin aihe.

Jokainen kone tekee lopulta mekaanista työtä. Mikä tahansa energiamuoto — sähkö, pneumatiikka tai hydrauliikka — täytyy muuntaa takaisin mekaaniseksi energiaksi toimilaitteen avulla ennen kuin kuormaa voidaan liikuttaa. Jokaisella menetelmällä on etunsa ja haittansa, ja monet koneet yhdistävät kaksi tai useamman menetelmän.

Kuva 1–17: Hydraulinen voimanvälitys siirtää energiaa paineisena nesteenä. Loppupäässä oleva sylinteri tai moottori muuntaa sen takaisin mekaaniseksi voimaksi.

Järjestelmähäviö

Jokaisessa todellisessa voimanvälitysjärjestelmässä osa energiasta muuttuu kitkan vaikutuksesta lämmöksi ennen kuin se saavuttaa kuorman. Työenergia (paineessa oleva liike-energia) vaikuttaa putkien ja venttiilien pintoihin, aiheuttaen vastusta ja lämpöä. Tämä häviö ilmenee paineen laskuna lähteestä kuormaan. Energia säilyy – se vain muuttaa muotoaan, mikä tekee järjestelmästä tehottomamman.