Cainéal 1: An Domhan Fisiciúil na Macanaimí

Tá na gléasanna déanta chun an obair dhaoine a ionannú. Fós, is mór an uafás a bhíonn ar go leor daoine i dtreo acu mar ní thuigimis conas a oibríonn na gléasanna. Sainmhíníonn an chapaill seo na coincheapa fisiciúla bunúsacha — fórsa, fuinneamh, obair, cumhacht, agus brú — a thagann suas i ngach chapaill eile den chúrsa seo.

Figiúr 1-1 Aonad cumhachta hidrealaíche tionsclaíochta thar a bheith coitianta. Mar shampla, cuirtear an pomp, an motar, an t-ullach, agus na vailbí go minic i dteach amháin mar seo.

Nasc

Is é fórsa aon ghníomh a athraíonn — nó a iarraimh a athrú — staid ghluaiseachta réad.

Newton (N)

Is é an t-aonad SI na fóirce ná an newton (N). I measc na n-aonad bunaithe ar chomhfhreagrú Mheiriceá, tomhaítear an fóirce i bpunndanna (lbs).

Triú bhealach ar athraíonn fóirce an gluaiseacht

Is féidir le fóirce a dhéanamh trí rudaí le haghaidh oibiacht:

1. Tosú ag gluaiseacht an oibiachta.
2. Mallú nó stopadh é.
3. Athrú treo a ghluaiseachta.

Fiúntacht

Ach fóirce a mhallóidh nó a chuirfidh stad ar ghluaiseacht tugtar an t-áisghníomh uirthi. Is iad an frictiún agus an intinníocht an dá áisghníomh is coitianta i mbainc hidrálacha.

Fréamh

Is é an frictiún an t-áisghníomh atá ann ar dhuine a thagann le dhuine eile ar an achar teagmhála idir aon dhá oibiacht atá ag gluaiseacht — nó ag iarraidh gluaiseacht — i gcomparáid lena chéile.

Figiúr 1-3 Tugann frictiún faoi bhráid wherever two surfaces are in contact and sliding against each other.

Inniuacht

Is é an intinníocht an treo a bhíonn ag oibiacht chun a staid reatha gluaiseachta a chaomhnú. Fanann oibiacht i dtoidheacht má tá sé i dtoidheacht; leanann oibiacht ag gluaiseacht má tá sé ag gluaiseacht. Tá an intinníocht gaolmhar go díreach leis an mhais: is deacra an oibiacht troma a thosú nó a stopadh.

Sampla: Tá níos mó inirtia ag liathróid leadáin ná ag liathróid adhmaid. Bain triail as an dá cheann leis an bhfórsa chéanna agus tiocfaidh an liathróid adhmaid níos tapúla agus níos faide, ag léiriú go n-áiríonn an liathróid leadáin níos mó in aghaidh an athraithe i mbeith i mholadh.

Fuinneamh

Is é an fuinneamh an rud atá ag fórsa nuair a bheith in ann rud éigin a sheoladh. I dtéarmaí simplí: is é an fuinneamh an cumas chun oibre a dhéanamh.

Fuinneamh lóntaíochta

Is é an fuinneamh ghníomhach an fuinneamh a bhaineann le gluaiseacht. Tá fuinneamh ghníomhach ag aon réad ag bogadh mar gheall ar a bheith in ann réada eile a bhrú agus iad a sheoladh. Cuimhnigh: cuirtear níos mó fuinneamh ghníomhach ann agus é níos troma agus níos tapúla.

Formaí an fhuinneamh

Tá an fuinneamh ann i go leor fhormaí: meicniúil, teasa (te), leictreach, solais, ceimiceach, agus fuinneamh fuaime.

Dlí Chonsabhairt an Fhuinneamh

Ní féidir an fuinneamh riamh a chruthú nó a scriosadh — is féidir é a thiontú ó fhorma amháin go dtí eile ach amháin. Is é seo ceann de na dleacha tábhachtaí is mó i bhfisic.

Figiúr 1-6 Dlí Chonsabhairt an Fhuinneamh: ní scriosann an fuinneamh riamh, ach thiontann sé go dtí formáid eile.

Athruithe Fuinnimh

Is féidir le haonradh leictreach ó sheachrán a bheith ina solas (i mbulb solais), teocht (i ngearrthóir), gluaiseacht mhéchanach (i mbotún), nó fuaim (i bhfoclaí), ag brath ar an gceann de na gléasanna. Tá an t-énergi i gcónaí coimeádta — ní dhéanann sé ach athrú foirm.

Sampla eile: nuair a ghléasann tú síos ar dhréimire, aistritheann sé an t-énergi ghluaisne an chorp go teocht sa dréimire agus sa lámh, agus sin é an fáth go dtarlaíonn frithshluaiceadh chun do luas a laghdú agus an dréimire a theasú.

Stáit an Éinirgi

Énergi ghluaisne — énergi i ngluaiseacht

Léiríonn énergi ghluaisne an obair a rinneadh cheana — is é énergi atá ag réad mar gheall ar a ghluaiseacht. Ní mór go mbeadh an chuid is mó de na foirmeanna éinirgi i stát an éinirgi ghluaisne sula dtógann siad obair úsáideach.

Énergi photainseach — énergi stóráilte

Is énergi stóráilte é an t-énergi photainseach. Nuair a bhíonn na coinníollacha ceart á dtástáil, aistritheann an t-énergi photainseach go h-énergi ghluaisne agus cuireann sé gluaiseacht i bhfeidhm. Tagann an t-énergi photainseach ó dhúlra fhisiciúil réad nó ó a shuíomh os cionn pointe tagartha.

Samplaí: tá fuinneamh potanúil ag uisce stóráilte i dtanc ard mar gheall ar a airde — is féidir leis sreabhadh síos agus obair a dhéanamh ar leibhéal ísle. Stóráiltear fuinneamh ceimiceach potanúil i mbataireáin nach bhfuil ceangailte le ciorga.

Figiúr 1-8: Dá shampla eolraithe de fhuinneamh potanúil: tanc uisce ardaithe agus bataireáin lánaithe.

Tiontú stáit an fhuinneamh

Tiontaítear fuinneamh potanúil agus fuinneamh gineach go dtí a chéile go saor. Is é fuinneamh potanúil atá sa uisce i dtanc; nuair a shreabann sé síos, éiríonn sé fuinneamh gineach; nuair a líonann sé coimeádán agus a ardú arís, éiríonn sé fuinneamh potanúil arís.

Obair

Déantar obair nuair a ghníomhaíonn fórsa ar oibiacht agus a bhogann sé trí dhlúthuas.

Joule, J = N·m

Is é an joule (J) an t-aonad SI don obair. I gcothrom na gceart Meiriceánach, tomhaistear obair i bfoot-pounds (ft·lbs).

Foirmle na hoibre

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

Sampla: Tógann forklift gach pallet 5 ft (1.524 m) le fórsa de 2,000 lbs (8,880 N). An obair a dhéanann sé ar an bpallet:

An t-ábra 1-9: Obair = fórsa × an fad. Déanann an forklift obair gach uair a thógann sé pallet.

Cumhacht

Déantar obair i gcónaí i réimse ama áirithe. Is é cumhacht an ráta ar a ndéantar obair — is é sin an méid obair a dhéantar in aonad ama.

Foirmle na cumhachta

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

Ag úsáid an sampla forklift: má dhéantar an obair 10,000 ft·lbs i 5 soicind, is é aschur na cumhachta:

Casairt (HP)

Is é an t-ualach capaill an t-aonad impiriúil cumais. Dhefinigh James Watt, a rinne an inneall steame, é trí a inneall a chur i gcomparáid le capall ag obair. D’fhionn sé go raibh capall in ann 550 lb a bhogadh ar fhad 1 troigh i 1 soicind:

Foirmle an ualach capaill

kW = HP × 0.746

Don sampla faoi na forklift: 2,000 ft·lb/s ÷ 550 = 3.6 HP (= 2,707 W = 2.71 kW).

Figiúr 1-11: Dhefinigh James Watt 1 HP mar 550 ft·lb in aghaidh an diola tar éis capaill ag obair a bheith aige.

Brú

Tugann brú tomhas ar intinn an fhórsa — cé chomh díreach is atá an fórsa sin thar limistéar áirithe. Is féidir le dhá oibiacht an bhreis chéanna de fhórsa a aghaíodh ach brú an-éagsúla a chruthú, ag brath ar an limistéar teagmhála.

Sampla laethúil: bróga le spiorad ard i gcomparáid le bróga le spiorad réidh. Tugann an dá cheann an t-áit a chuireann an bholg ar an mbun, ach cuireann an spiorad beag ar an mbun an t-áit sin i dtionchar an-tanaí, agus scaipeann an spiorad réidh an t-áit chéanna thar limistéar mór agus tá tionchar níos lú air. Tuigeann aon duine a ndeachaigh spiorad ar a chosa é seo.

Foirmle an bhrú

(Pa = N/m²) = (N) / (m²) nó (psi) = (lbs) / (in²)

Tiontuithe aonad:

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar = thart ar 14.5 psi
• Brú atmaisféarach chaighdeánach = 14.7 psia = 1.01 bar = 101,000 Pa

Sampla: Bloc le bonn 100 in² (645 cm²) agus meáchan 100 lbs (444 N). Brú = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi (0.07 bar). An céanna 100 lbs ar phinn stáin le bonn 0.25 in² (1.6 cm²): 100 ÷ 0.25 = 400 psi (27.6 bar).

Figiúr 1-12 An céanna neart, brú an-éagsúla. Is mó an brú mar a laghdaíonn an achar.

Fuinneamh Oibre

Bíonn an bealach ar a úsáideann na gléasanna fuinneamh de ghnáth trí bhrú. Is é an brú atá agat nuair a ghníomhaíonn fuinneamh gineach ar dhromchla an lucht. Cumascann fuinneamh oibre fuinneamh gineach le brú chun an lucht a bhogadh.

Tiontú Fuinneamh Oibre

I ngach córas trasnaimh, cailltear cuid den fhuinneamh oibre i mbraic ar an mbealach go dtí an lucht. Ní scriosann an fuinneamh seo — tiontaítear é go teocht. Is é an codán fuinneamh a thiontaítear go teocht an caillteanais sa chóras, agus is é sin a fhágann na córais gan éifeacht.

Tá an brú ag an bhfoinse níos airde ná an brú ag an lucht mar gheall ar an bhfuinneamh a chaitheannar chun an mbraic a threisiú sa phíob, sna vailvéid agus sna ceanglóirí ar an mbealach.

Figiúr 1-13: Sruthlaíonn fuinneamh oibre ón bhfhoinsí go dtí an lucht. Tá braic ar an mbealach ag cruthú teochta, ag laghdú an bhrú a thagann ag an lucht.

Modhanna Trasnaimh Fuinnimh

Tá ceithre bhealach ann ar a dtugann na gléasanna fuinneamh ón bhfhoinsí go dtí an áit ar ndéantar an obair:

Tosaigh meicniúil

Téann an fuinneamh trí ghluaiseacht fhisiciúil — leabhair, snaidhmí, géaraí, rothlaí, ciorcail agus camóga. Is é an t-athróir cuid ghluaiste meicniúil a nascann go díreach leis an bhfoinse fuinnimh.

Aistriú leictreach

Téann an fuinneamh along sreanganna reoite agus is iad na gníomhaireachta leictreacha — gluaisteán nó solenoid — a mheasann an obair.

Aistriú gáis

Téann an fuinneamh trí phíopaí mar shroilteach aer chomhbhrúite agus is iad na gníomhaireachta gáis (síleandar aer nó gluaisteán aer) a mheasann an obair.

TARMAID HIAIDRACH

Téann an fuinneamh trí phíopaí mar shroilteach leithid (oil) faoi bhrú agus is iad na gníomhaireachta hidrilic (síleandar nó gluaisteán) a mheasann an obair mheicniúil. Is é seo an ábhar ar fud an chúrsa seo iomlán.

Déanann gach uirlis deireadh air a dhéanamh ar obair mheicniúil. Ní mór an fuinneamh i aon fhorma — leictreach, gás nó hidrilic — a thiontú ar ais go fuinneamh mheicniúil ag gníomhaireachta sula dtógfar an lucht. Tá buntáin agus míbhuntáin ag gach modh, agus úsáideann go leor uirlisí dhá mhodh nó níos mó.

Figiúr 1-17: Tugann an t-aistriú hidrealaíoch aistriú fuinniú mar leacht faoi bhrú. Tiontaíonn an róndán nó an mótair ag deireadh an chórais é arís go bhfuil fórsa meicniúil ann.

Caillteanas an chórais

I ngach córas aistriú fíor, tiontaítear cuid den fhuaime i gceart go teocht trí threibhthíocht sula mbaintear an lucht. Tá an fuinneamh oibre (an fuinneamh gineach faoi bhrú) ag gníomhú ar na haghaidheanna sa bpipeanna agus sa bhvalvbanna, ag cruthú frithsheasmhacht agus teocht. Taispeánann an caillteanas seo mar thitheadh sa bhrú ón bhfoinse go dtí an lucht. Tá an fuinneamh coimeádta — ní dhéanann sé ach athrú foirm, rud a dhéanann an córas níos lú éifeachtach.