1. fejezet: A gépek fizikai világa

A gépek az emberi munkaerő helyettesítésére készültek. Ugyanakkor sokan feszélyt éreznek a gépek körül, mert nem értik, hogyan működnek. Ebben a fejezetben definiáljuk az alapvető fizikai fogalmakat – erő, energia, munka, teljesítmény és nyomás –, amelyek minden későbbi fejezetben előkerülnek ebben a tanfolyamban.

1.1. ábra Egy tipikus ipari hidraulikus teljesítményegység. A szivattyú, a motor, a tartály és a szelepek gyakran egyetlen házban vannak összeépítve, mint ezen a példán.

Erő

Erőnek nevezzük bármely olyan hatást, amely megváltoztatja – vagy megpróbálja megváltoztatni – egy test mozgásállapotát.

Newton (N)

Az erő SI mértékegysége a newton (N). Az amerikai szokásos egységek rendszerében az erőt fontban (lbs) mérjük.

Az erő háromféleképpen változtathatja meg a mozgást

Egy erő három dolgot tehet egy testtel:

1. Mozgásba hozhatja a testet.
2. Lassíthatja vagy megállíthatja.
3. Módosítsa mozgásának irányát.

Ellenállás

Bármely erő, amely lelassítja vagy megállítja a mozgást, ellenállásnak nevezhető. A hidraulikus gépekben a két leggyakoribb ellenállás a súrlódás és a tehetetlenség.

Súrlós

A súrlódás az az ellenállás, amely akkor lép fel két egymáshoz képest mozgó – vagy mozogni igyekvő – tárgy érintkezési felületén.

1–3. ábra: A súrlódás ott lép fel, ahol két felület érintkezik és egymáson csúszik.

Inercia

A tehetetlenség egy testnek az a tulajdonsága, hogy megőrzi jelenlegi mozgásállapotát. Egy nyugvó test nyugalomban marad; egy mozgó test továbbmozog. A tehetetlenség közvetlenül kapcsolódik a tömeghez: egy nagyobb tömegű testet nehezebb elindítani vagy megállítani.

Példa: Egy ólomgolyónak nagyobb a tehetetlensége, mint egy fagolyónak. Ugyanakkora erővel rúgva mindkettőt a fagolyó gyorsabban és messzebb repül, ami azt mutatja, hogy az ólomgolyó jobban ellenáll a mozgásállapot-változásnak.

Energia

Az energia az erő azon tulajdonsága, amellyel képes valamit mozgatni. Egyszerű szavakkal: az energia a munkavégzés képessége.

Kinetikus energiát

A mozgási energia a mozgás energiája. Minden mozgó tárgy rendelkezik mozgási energiával, mert képes más dolgokat tolni és mozgásba hozni. Minél nehezebb és gyorsabb a mozgása, annál több mozgási energiája van.

Az energia formái

Az energia számos formában létezik: mechanikai, hő (hőenergia), elektromos, fény-, kémiai és hangenergia.

Az energia megmaradásának törvénye

Az energiát soha nem lehet létrehozni vagy megsemmisíteni – csupán egyik formából a másikba alakítható át. Ez a fizika egyik legfontosabb törvénye.

1–6. ábra Az energia megmaradásának törvénye: az energia soha nem semmisül meg, csupán átalakul egy másik formába.

Energiaátváltás

Az elektromos energia egy dugaljból fénnyé (izzóban), hővé (fűtőberendezésben), mechanikai mozgássá (motorban) vagy hanggá (hangszóróban) változhat, attól függően, hogy milyen eszközre csatlakoztatjuk. Az energia mindig megmarad – csupán formát vált.

Egy másik példa: egy kötélen lecsúszva a test mozgási energiája hővé alakul a kötélben és a kezekben, ezért lassítja a mozgást a súrlódás, és melegíti a kötelet.

Az energia állapotai

Kinetikus energia — mozgási energia

A kinetikus energia az eddig elvégzett munkát képviseli — ez az energia, amellyel egy tárgy rendelkezik mozgása miatt. A legtöbb energiafajtának kinetikus állapotban kell lennie, mielőtt hasznos munkát végezne.

Potenciális energia — tárolt energia

A potenciális energia tárolt energia. Amikor a megfelelő körülmények adottak, a potenciális energia kinetikus energiává alakul, és mozgást idéz elő. A potenciális energia egy tárgy fizikai természetéből vagy helyzetéből ered egy viszonyítási ponthoz képest.

Példák: egy emelt tartályban tárolt víz potenciális energiával rendelkezik magassága miatt — le tud folyni, és munkát végezhet egy alacsonyabb szinten. Egy áramkörhöz nem csatlakoztatott akkumulátor kémiai potenciális energiát tárol.

1–8. ábra Két ismert példa potenciális energiára: egy emelt víztorony és egy feltöltött akkumulátor.

Az energiaállapotok átalakulása

A potenciális és a kinetikus energia szabadon átalakulhat egymásba. A víz egy toronyban potenciális energiát képvisel; amikor lefelé folyik, kinetikus energiává válik; amikor megtölt egy edényt, majd újra felemelik, ismét potenciális energiává válik.

Munka

Munkavégzésről akkor beszélünk, ha egy erő hat egy tárgyra, és azon keresztül elmozdítja azt egy távolságon. Ha semmi sem mozog, akkor nem történik munkavégzés.

Joule, J = N·m

A munka SI egysége a joule (J). Az amerikai hagyományos egységek rendszerében a munkát lábfontban (ft·lbs) mérik.

A munka képlete

(J) = (m) × (N), vagy (ft·lbs) = (ft) × (lbs)

Példa: Egy targonca minden raklapot 5 láb (1,524 m) magasságra emel fel 2000 font (8880 N) erővel. A raklaponként végzett munka:

1–9. ábra: Munka = erő × távolság. A targonca minden alkalommal munkát végez, amikor egy raklapot felemel.

Teljesítmény

A munkavégzés mindig valamilyen időtartam alatt zajlik. A teljesítmény a munkavégzés sebessége – azaz a munka mennyisége időegységenként.

Teljesítményképlet

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

A targoncás példa alapján: ha a 10 000 ft·lb munkát 5 másodperc alatt végzik el, akkor a teljesítménykimenet:

Loeroerő (LE)

A lóerő az angolszász (imperial) teljesítményegység. James Watt, a gőzgép feltalálója, a lóerő fogalmát egy munkáló ló teljesítményéhez viszonyítva határozta meg. Megállapította, hogy egy ló 1 másodperc alatt 550 fontot tud 1 láb távolságra mozgatni:

Lóerő-képlet

kW = LE × 0,746

A targonca példájánál: 2000 láb·font/másodperc ÷ 550 = 3,6 LE (= 2707 W = 2,71 kW).

1. ábra – James Watt 1 LE-t 550 láb·font/másodpercre definiált, miután munkavégzés közben figyelte a lovakat.

Nyomás

A nyomás az erő intenzitását méri – azaz, hogy az erő mennyire koncentrálódik egy adott felületen. Két tárgy ugyanakkora összerőt is kifejthet, de a kontaktfelülettől függően nagyon különböző nyomást hozhat létre.

Mindennapi példa: magas sarkú cipők vs. lapos cipők. Mindkettő ugyanakkora testsúlyt visel, de a kis sarkfelület a testsúlyt nagyon magas nyomássá koncentrálja a padlón, míg egy lapos talp ugyanazt az erőt nagyobb felületre osztja el, és alacsony nyomást eredményez. Aki már érezte, amikor egy sarok rányomódott a lábára, jól érti ezt a jelenséget.

Nyomás képlete

(Pa = N/m²) = (N) ÷ (m²) vagy (psi) = (font) ÷ (inch²)

Átváltások:

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar ≈ 14,5 psi
• Szokásos légnyomás = 14,7 psia = 1,01 bar = 101 000 Pa

Példa: Egy 100 in² (645 cm²) alapterületű tömb súlya 100 lbs (444 N). Nyomás = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Ugyanaz a 100 lbs egy 0,25 in² (1,6 cm²) alapterületű acélcsapra hatva: 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

1. ábra – Ugyanazon erő, de nagyon eltérő nyomás. Minél kisebb a felület, annál nagyobb a nyomás.

Munkaenergia

A gépek általában nyomás útján hasznosítják az energiát. A nyomás az a mennyiség, amelyet a mozgási energia a terhelés felületén fejt ki. A munkaenergia a mozgási energiát és a nyomást kombinálja a terhelés elmozdításához.

Munkaenergia-átalakítás

Minden átviteli rendszerben a munkaenergiának egy része súrlódási veszteségként veszik el a terhelésig vezető úton. Ez az elveszett energia nem semmisül meg – hővé alakul. Az energiának az a hányada, amely hővé alakul, a rendszer vesztesége, és ez okozza a rendszerek hatástalanságát.

A nyomás a forrásnál magasabb, mint a terhelésnél, mert az energia fogyasztódik a csövekben, szelepekben és idomokban fellépő súrlódás leküzdésére az út során.

1–13. ábra: A munkavégzéshez szükséges energia áramlása a forrástól a terhelésig. Az út során fellépő súrlódás hőt termel, ami csökkenti a terheléshez érkező nyomást.

Energiaátviteli módszerek

Négyféle módon továbbítják a gépek az energiát a forrástól a munkavégzés helyéig:

Gépi átvitel

Az energia fizikai mozgáson keresztül terjed — emelőkön, láncokon, fogaskerekeken, csigákon, szíjakon és kamokon keresztül. A közvetítő egy mozgó mechanikus alkatrész, amely közvetlenül kapcsolódik az energiaforráshoz.

Elektromos átvitel

Az energia elektromos vezetőkön (vezetékeken) halad végig, és egy elektromos meghajtóhoz — motorhoz vagy tekercshez — jut el a munkavégzés céljából.

Levegőszállítás

Az energia sűrített levegő áramlásaként terjed csöveken keresztül, és egy neumás meghajtóhoz — levegőhengerhez vagy levegőmotorhoz — jut el a munkavégzés céljából.

HIDRAULIKUS ÁTADÓ

Az energia nyomás alatt álló folyadék (olaj) áramlásaként halad át a csöveken, és hidraulikus munkavégző elemre (hengerre vagy motorra) jut, ahol mechanikai munkává alakul. Ezt a témát tárgyalja az egész tanfolyam.

Minden gép végül mechanikai munkát végez. Az energia bármilyen formájában – elektromos, nevelő (pneumatikus), hidraulikus – munkavégző elem által mechanikai energiává kell alakítani, mielőtt a terhelést mozgatni lehetne. Mindegyik módszernek megvannak a maga előnyei és hátrányai, és sok gép két vagy több módszert is kombinál.

1–17. ábra: A hidraulikus átvitel nyomás alatt álló folyadékként továbbítja az energiát. A végén lévő henger vagy motor mechanikai erővé alakítja vissza.

Rendszer-veszteség

Minden valós átviteli rendszerben a terhelés eléréséig egy rész az energiából súrlódás miatt hővé alakul. A munkavégző energia (nyomás alatti mozgási energia) hat a csövek és szelepek felületeire, ellenállást és hőt generálva. Ez a veszteség nyomáscsökkenésként jelenik meg a forrástól a terhelésig. Az energia megmarad – egyszerűen csak formát vált, ami csökkenti a rendszer hatásfokát.