Kafli 1: Efnisheimur véla

Vélar eru smíðaðar til að taka við vinnu manns. En margir fólk finnast óvænlegir í nágrenni þeirra vegna þess að þeir skilja ekki hvernig vélar virka. Þessi kaflinn skilgreinir grunnfísíkalegu hugtökin — kraftur, orka, vinna, afl og þrýstingur — sem koma upp í hverjum síðari kafla þessa námskeiðs.

Mynd 1-1 Típísk iðnaðarleg hydraulísk aflstöð. Pumpa, rafmagnsvél, geymsla og klappar eru oft sameinaðar í einu húsi eins og hér.

Kraftur

Kraftur er sérhver aðgerð sem breytir — eða reynir að breyta — hreyfistöðu hlutar.

Newton (N)

SI-einingin fyrir kraft er newton (N). Í bandarískum venjueiningum er mælt í pundum (lbs).

Þrjár leiðir sem kraftur breytir hreyfingu

Kraftur getur gert þrjú hluti við hlut:

1. Ræsa hlutinn í hreyfingu.
2. Hægja á honum eða stöðva hann.
3. Breyta átt hreyfingar hans.

Mótstaða

Sá kraftur sem hægir á hreyfingu eða stöðvar hana er kölluður mótmæti. Tveir algengustu mótmætirnir í hydraulískum vélmum eru rafmagnsfrádráttur og massatregða.

Frumslyst

Rafmagnsfrádráttur er mótmætið sem kemur fram á snertisflatunni milli tveggja hluta sem eru í hreyfingu — eða hafa áhrif til að hreyfa sig — miðað við hvorn annan.

Mynd 1-3: Rafmagnsfrádráttur verkar þar sem tvær flatur eru í snerti og skjúfa á hvora annan.

Massatregða

Þregð er þendur hlutar til að halda núverandi hreyfistöðu sinni. Hlutur sem er kyrr stendur kyrr; hreyfandi hlutur heldur áfram að hreyfa sig. Þregð er beint tengd massanum: þungari hlutur er erfarið að setja í hreyfingu eða að stöðva.

Dæmi: Blykúla hefur meiri þregð en trékúla. Rífðu báðar með sömu krafti og trékúlan fer hraðar og lengra, sem sýnir að blykúlan viðstöður breytingu á hreyfingu meira.

Orka

Orka er það sem kraftur á þegar hann getur valdið hreyfingu. Í einföldu orði: orka er geta til að framkvæma vinna.

Hreyfimork afl

Hreyfiorka er orkan sem tengist hreyfingu. Allur hreyfandi hlutur hefur hreyfiorku vegna þess að hann getur ýtt á aðra hluti og valdið hreyfingu í þeim. Eftir því sem hann er þungari og hreyfist hraðar, því meiri hreyfiorku hefur hann.

Gerðir orku

Orka er til í mörgum gerðum: mekanísk, hita- (hitorka), rafmagns-, ljós-, efna- og hljóðorka.

Lög um varðveislu orku

Orka getur aldrei verið búin til né eyðilögð — hún getur aðeins breyst úr einni formi í annað. Þetta er ein af mikilvægustu lögum í eðlisfræði.

Mynd 1-6 Lögin um varðveislu orku: orka er aldrei eyðilögð, aðeins breytt í annað form.

Orkubreyting

Raforka frá rafmagnsúttagi getur verið breytt í ljós (í ljósaperu), hita (í hitavél), mekanísk hreyfingu (í rafmót) eða hljóð (í hljóðgjafi), eftir því hvaða tæki er notað. Orkan er alltaf varðveitt — hún breytir aðeins formi.

Annar dæmi: þegar fólk glísar niður á reipi breytist hreyfiorkan í líkamanum í hita í reipinu og í höndunum, sem er ástæðan fyrir því að friðjudragi hægir á hreyfingunni og hitar reipið.

Orkustöður

Hreyfiorka — orka í hreyfingu

Hreyfiorka táknar vinna sem hefur þegar verið framkvæmd — það er orka sem hlutur hefur vegna þess að hann er í hreyfingu. Flest önnur orkuform þurfa að vera í hreyfiástandi áður en þau geta framkvæmt gagnlega vinnu.

Stöðuorka — geymd orka

Potentiell orka er geymd orka. Þegar réttar skilyrði eru uppfyllt breytist potentiell orka í hreyfiorku og veldur hreyfingu. Potentiell orka kemur af eðlisþætti hlutar eða staðsetningu hans yfir tilvísunarpunkti.

Dæmi: vatn sem er geymt í hæðstöðu hefur potentiella orku vegna hæðar sinnar — það getur flæðið niður og framkvæmt vinna á lægri stöðu. Sprettur sem er ekki tengdur í rás geymir efnafræðilega potentiella orku.

Mynd 1-8 Tveir algengir dæmi um potentiella orku: hæðstöð fyrir vatn og hlaðinn sprettur.

Umbreyting á orkustöðu

Potentiell og hreyfiorka breytast frjálslega í hvort annað. Vatnið í hæðstöðunni er potentiell orka; þegar það rennur niður breytist það í hreyfiorku; þegar það fyllir í neysluhlut og er aftur hækkað, verður það aftur potentiell orka.

Vinna

Vinna er framkvæmd þegar kraftur verkar á hlut og færir hann um fjarlægð. Ef ekkert færist, er engin vinna framkvæmd.

Joule, J = N·m

SI-einingin fyrir vinnu er joule (J). Í bandarískum venjueiningum er vinna mæld í foot-pounds (ft·lbs).

Formúla fyrir vinnu

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

Dæmi: Forklift lyftir hverri pallungu 5 ft (1,524 m) með krafti af 2.000 lbs (8.880 N). Vinna sem framkvæmd er á hverri pallungu:

Mynd 1-9: Vinna = kraftur × fjarlægð. Forkliftinn framkvæmir vinnu hvert sinn sem hann lyftir pallungu.

Aflið

Vinna er alltaf framkvæmd á einhverjum tíma. Effekt er hraði sem vinnan er framkvæmd í — magn vinnu sem framkvæmt er á einingartíma.

Völduformúlan

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

Með því að nota dæmið um hlaupvagn: ef vinnan á 10.000 ft·lb er framkvæmd í 5 sekúndum, er völduframleiðslan:

Hestafarar (HP)

Hestafarar eru hefðbundin eining fyrir völdu í bresku kerfinu. James Watt, sem uppáhugaði steamvélina, skilgreindi hana með því að bera vélina saman við vinnuhest. Hann kom að því að hestur gæti fært 550 lb yfir fjarlægð af 1 ft á 1 sekúndu:

Formúla fyrir hestafarar

kW = HK × 0,746

Fyrir dæmið um liftiforku: 2.000 ft·lb/s ÷ 550 = 3,6 HK (= 2.707 W = 2,71 kW).

Mynd 1-11 James Watt skilgreindi 1 HK sem 550 ft·lb á sekúndu eftir að hafa haft auga á vinnumálahestum.

ÞRÝSTING

Þrýstingur mælir mikdæmi krafts — hversu samþéttur þessi kraftur er yfir gefnum flatarmál. Tveir hlutir geta verið að beita sama heildarkrafti en búa til mjög mismunandi þrýsting á grundvelli snertiflatarmálsins.

Daglegt dæmi: háhælar skór vs. flatar skór. Bæði berja sama líkamsvægi, en minni flatarmálið á háhælunum samþéttr þann kraft í mjög háan þrýsting á gólfnum, meðan flatur skóleggur dreifir sama kraftinn yfir stórt flatarmál og framleiðir lágann þrýsting. Sá sem hefur haft háhæl á fót sínum skilur þetta vel.

Formúla fyrir þrýsting

(Pa = N/m²) = (N) ÷ (m²) eða (psi) = (lb) ÷ (in²)

Einingaumbreytingar:

• 1 bar = 10⁵ N/m² = 10⁵ Pa
• 1 bar = um 14,5 psi
• Stöðug loftþrýstingur = 14,7 psia = 1,01 bar = 101,000 Pa

Dæmi: Blokk með 100 in2 (645 cm2) botn vegur 100 lbs (444 N). Þrýstingur = 100 lbs ÷ 100 in2 = 1 psi (0,07 bar). Sömu 100 pund á stálspjald með 0,25 in2 (1,6 cm2) botn: 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Mynd 1-12 Sama kraftur, mjög mismunandi þrýstingur. Því minni svæði sem er því hærra er þrýstingurinn.

Vinnuafl

Tæki nota orku oftast með þrýstingi. Þrýstingur er það sem þú færð þegar hreyfingarorka virkar á yfirborð hleðslu. Vinnsluorka sameinar hreyfingarorku og þrýsting til að færa álag.

Umbreyting á virkjunarorku

Í öllum flutningskerfum fer einhver vinna orku í spilun vegna þráttar á leiðinni til álagsins. Þessi tapaða orka er ekki eytt, hún breytist í hita. Það er sá hluti orku sem breytist í hita sem kerfið missir og gerir kerfin óvirk.

Þrýstingurinn við upphafspunktinn er hærra en þrýstingurinn við álagið vegna þess að orka eyðist í að vinna mótsvið við rör, klósum og tengi á leiðinni.

Mynd 1-13: Vinnumorka flæðir frá upphafspunkti til álags. Mótsviðið á leiðinni framkallar hita, sem lækkar þrýstinginn sem nýst á álaginu.

Aðferðir til orkuflutnings

Það eru fjórar leiðir til að vélar flytja orku frá upphafspunkti til þess staðar þar sem vinnan er framkvæmd:

Mechanískri útbreiðslu

Orkan fer með líkamlega hreyfingu – t.d. hefjum, keðjum, tannhjólum, hjólnum, rembum og skífum. Bærinn er hreyfandi hluti sem er beint tengdur við orkuupphafspunktinn.

Rafmagnsflutningur

Orkan fer með rafleiðurum (rúðum) og er send til rafeindarafla (rafafla eða solenoid) til að framkvæma vinnu.

Loftflutningur

Orkan fer með rörum sem samþrýtt loft og er send til loftrafafla (loftslöngu eða loftafli) til að framkvæma vinnu.

Hýdraulískur ávallar

Orka fer í gegnum rör sem þrýstur væski (olía) og er send til hydraulískrar virkjunareiningar (sílinders eða rafmagnsráða) til að framkvæma mekanískt verk. Þetta er efni alls þessa námskeiðs.

Sérhver vélar gerir að lokum mekanískt verk. Orka í hvaða formi sem er — rafmagn, loftþrýstur eða hydraulísk orka — verður að vera umbreytt aftur í mekaníska orku með virkjunareiningu áður en hlaðan getur verið færð. Hvert aðferðinna hefur ávöxtum og óávöxtum og margar vélar nota tvær eða fleiri aðferðir saman.

Mynd 1-17: Hydraulísk þýðing ber orku sem þrýstur væski. Sílindurinn eða rafmagnsráðinn á endanum umbreytir henni aftur í mekaníska kraft.

Hagnaðarmiss

Í hverju raunverulegu dreifikerfi er einhver orka umbreytt í hita vegna rafmagnsávöxtunar áður en hún nær á viðmótið. Vinnumorkan (hrökkunarefnisorkan undir þrýstingi) verkar á yfirborðin í rörum og klósum og veldur viðmótshindrun og hita. Þessi tap birtast sem þrýstingsfall frá uppruna til viðmóts. Orkan er varðveitt — hún breytist aðeins í annan form, sem gerir kerfið minna árangursríkt.