פרק 1: העולם הפיזי של המכונות

מכונות נבנו כדי להחליף את העבודה האנושית. ובכל זאת, אנשים רבים מרגישים לא בנוח סביבן מכיוון שהם אינם מבינים כיצד פועלות מכונות. פרק זה מגדיר את המושגים הפיזיקליים הבסיסיים — כוח, אנרגיה, עבודה, הספק ולחץ — אשר מופיעים בכל הפרקים הבאים של קורס זה.

איור 1-1 יחידת כוח הידראולית תעשייתית טיפוסית. המשאבה, המנוע, המיכל והשסתומים מוקמים לעיתים קרובות בתיבה אחת כזו.

כוח

כוח הוא כל פעולה שמשנה — או מנסה לשנות — את מצב התנועה של עצם.

ניוטון (N)

היחידת הבסיסית של הכוח במערכת היחידות הבינלאומית (SI) היא הניוטון (N). במערכת היחידות המקובלת בארצות הברית, הכוח נמדד בפאונד (lbs).

שלוש דרכים שבהן כוח משנה תנועה

כוח יכול לבצע שלוש פעולות על עצם:

1. להתחיל לתנע את העצם.
2. להאט אותו או לעצור אותו.
3. שנה את כיוון התנועה שלו.

תנגדות

כל כוח המאט או עוצר תנועה נקרא התנגדות. שתי ההתנגדויות הנפוצות ביותר במכונות הידראוליות הן חיכוך ותמדות.

שפשוף

חיכוך הוא ההתנגדות הקיימת על פני השטח המגע בין שני עצמים הנמצאים בתנועה — או שואפים לנוע — יחסית זה לזה.

איור 1-3: חיכוך פועל בכל מקום שבו שני משטחים באים במגע ומזדחלים זה על זה.

Ineria

תמדות היא הנטיה של עצם לשמור על מצב התנועה הנוכחי שלו. עצם במנוחה נשאר במנוחה; עצם בתנועה ממשיך לנוע. התמדות קשורה ישירות למסה: עצם כבד יותר קשה להאיץ או לעצור.

דוגמה: לכדור עופרת יש תמדות גדולה יותר מאשר לכדור עץ. דוסו שניהם בכוח זהה והכדור העץ ינוע מהר יותר ורחוק יותר, מה שמראה שהכדור העופרת מתנגד יותר לשינוי בתנועה.

אנרגיה

אנרגיה היא מה שכוח מחזיק בו כאשר הוא מסוגל לגרום לעצם לנוע. במונחים פשוטים: אנרגיה היא היכולת לבצע עבודה.

אנרגיה קינטית

אנרגיה קינטית היא האנרגיה של התנועה. כל עצם בתנועה פועל אנרגיה קינטית, משום שהוא מסוגל לדחוף עצמים אחרים ולגרום להם לנוע. ככל שהעצם כבד יותר ומהיר יותר, כך האנרגיה הקינטית שלו גדולה יותר.

צורות האנרגיה

האנרגיה קיימת בצורות רבות: מכנית, תרמית (חום), חשמלית, אור, כימית וקול.

חוק שימור האנרגיה

האנרגיה לעולם לא נוצרת ולא מתאבדת — היא יכולה להשתנות רק מצורה אחת לצורה אחרת. זהו אחד החוקים החשובים ביותר בפיזיקה.

איור 1-6 חוק שימור האנרגיה: האנרגיה לעולם לא מתאבדת, אלא רק מוחלפת לצורה אחרת.

המרת אנרגיה

אנרגיה חשמלית מהקונסולה יכולה להפוך לאור (בנורת אורות), לחום (בחממה), לתנועה מכנית (במנוע) או לקול (ברמקול), בהתאם להתקן. האנרגיה תמיד נשמרת — היא פשוט משנה את צורתה.

דוגמה נוספת: החלקה על חבל ממירה את האנרגיה הקינטית של הגוף לחום בחבל ובידיים, ולכן החיכוך מאט אותך ומחמם את החבל.

מצבים אנרגטיים

אנרגיה קינטית — אנרגיה בתנועה

האנרגיה הקינטית מייצגת עבודה שכבר נעשתה — זו אנרגיה שגוף יש לו בשל תנועתו. לרוב הצורות של האנרגיה חייבת להיות במצב קינטי לפני שהיא יכולה לבצע עבודה מועילה.

אנרגיה פוטנציאלית — אנרגיה מאוחסנת

אנרגיה פוטנציאלית היא אנרגיה מאוחסנת. כאשר מתקיימים התנאים הנכונים, האנרגיה הפוטנציאלית הופכת לאנרגיה קינטית וגורמת לתנועה. האנרגיה הפוטנציאלית נובעת מהטבע הפיזי של הגוף או ממיקומו מעל נקודת ייחוס.

דוגמאות: מים המאוחסנים במכל גבוה יש להם אנרגיה פוטנציאלית בגלל גובהם — הם יכולים לזרום כלפי מטה ולעשות עבודה ברמה נמוכה יותר. סוללה שלא מחוברת למעגל מאחסנת אנרגיה כימית פוטנציאלית.

איור 1-8: שתי דוגמאות מוכרות לאנרגיה פוטנציאלית: מגדל מים מרומם וסוללה טעונה.

המרת מצב אנרגטי

האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה הקינטית הופכות אחת לשנייה בחופשיות. המים במגדל הם אנרגיה פוטנציאלית; כאשר הם זורמים מטה הם הופכים לאנרגיה קינטית; וכאשר הם ממלאים מיכל ונישאים שוב למעלה, הם הופכים שוב לאנרגיה פוטנציאלית.

עבודה

נעשה עבודה כאשר כוח פועל על עצם ומעביר אותו לאורך מרחק מסוים. אם לא קורה תנועה, לא נעשית עבודה.

ג'ול, J = N·m

יחידת ה-SI של עבודה היא הג'ול (J). במערכות היחידות המקובלות בארצות הברית, העבודה נמדדת ברגל-פאונד (ft·lbs).

נוסחת העבודה

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

דוגמה: מנוף עלים מרימים כל פלטפורמה לגובה של 5 רגל (1.524 מטר) בכוח של 2,000 פאונד (8,880 ניוטון). העבודה שנעשתה עבור כל פלטפורמה:

איור 1-9 עבודה = כוח × מרחק. המנוף מבצע עבודה בכל פעם שהוא מרימים פלטת מטען.

הספק

העבודה תמיד נעשית תוך פרק זמן מסוים. הספק הוא קצב ביצוע העבודה — כמות העבודה שנעשתה ליחידת זמן.

נוסחת הספק

(ווט) = (מטר) × (ניוטון) ÷ (שניה) או (רגל-פאונד/שניה) = (רגל) × (פאונד) ÷ (שניה)

באמצעות דוגמת המנוף: אם העבודה של 10,000 רגל-פאונד מתבצעת בתוך 5 שניות, אז הספק היצואי הוא:

כוח סוס (HP)

הסוס השמיימי (HP) הוא יחידת הספק במערכת היחידות האימפריאלית. ג'יימס וואט, שהמציא את מנוע הקיטור, הגדר אותו על ידי השוואת מנועו לסוס עובד. הוא מצא שסוס מסוגל להזיז 550 פאונד למרחק של רגל אחת בשנייה אחת:

נוסחת הסוס השמיימי

קילוואט = כישור × 0.746

לדוגמה של המנוף: 2,000 רגל-פאונד/שניה ÷ 550 = 3.6 כישור (= 2,707 וואט = 2.71 קילוואט).

איור 1-11 ג'יימס ווט הגדר את היחידה 'כישור אחד' כ-550 רגל-פאונד לשנייה, לאחר שצפתה בסוסים עובדים.

לחץ

לחץ מודד את עוצמת הכח — כמה מרוכז הכח הזה על שטח נתון. שני גופים יכולים להפעיל את אותו כח כולל, אך ליצור לחצים שונים מאוד בהתאם לשטח ההשקה.

דוגמה יומיומית: נעלי עקב גבוהות לעומת נעלי שטוחות. שתיהן נושאות את אותה משקל גוף, אך שטח העקב הקטן מרוכז את הכח ללחץ גבוה מאוד על הרצפה, בעוד שהנעל השטוחה מפיצה את אותו כח על שטח גדול ויוצרת לחץ נמוך. כל מי שנפגע מעקב על רגלו מבין זאת היטב.

נוסחת הלחץ

(пасקל = ניוטון/מ²) = (ניוטון) ÷ (מ²) או (psi) = (פאונד) ÷ (אינץ'²)

המרות יחידות:

• 1 בר = 10^5 ניוטון למטר רבוע = 10^5 פסקל
• 1 בר ≈ 14.5 פסי
• הלחץ האטמוספרי התקני = 14.7 פסי אבсолוטי = 1.01 בר = 101,000 פסקל

דוגמה: גוש שבסיסו 100 אינץ' רבוע (645 סמ"ר) שוקל 100 ליברות (444 ניוטון). הלחץ = 100 ליברות ÷ 100 אינץ' רבוע = 1 פסי (0.07 בר). אותן 100 ליברות על סיכה מפלדה שבסיסה 0.25 אינץ' רבוע (1.6 סמ"ר): 100 ÷ 0.25 = 400 פסי (27.6 בר).

איור 1-12: כוח זהה, לחצים שונים מאוד. ככל שהשטח קטן יותר, כך הלחץ גבוה יותר.

אנרגיה מבצעת

הדרך שבה מכונות משתמשות באנרגיה היא בדרך כלל באמצעות לחץ. לחץ הוא מה שמתקבל כאשר אנרגיה קינטית פועלת על שטח הפנים של עומס. אנרגיה מבצעת היא שילוב של אנרגיה קינטית ולחץ כדי להזיז את העומס.

המרת אנרגיה מבצעת

בכל מערכות ההעברה, חלק מהאנרגיה המבצעת נאבד עקב חיכוך בדרכה לעומס. האנרגיה שאבדה אינה נהרסת — היא הופכת לחום. השבר של האנרגיה שהופך לחום הוא האיבוד של המערכת, והוא הגורם לכך שמערכות הן לא יעילות.

הלחץ במקור גבוה מהלחץ במשימה מכיוון שאנרגיה נצרכת כדי להתגבר על החיכוך בצינורות, השסתומים והחיבורים לאורך הדרך.

איור 1-13: זרימת האנרגיה העשוייה ממקור למשימה. החיכוך לאורך הדרך יוצר חום, המפחית את הלחץ שמגיע למשימה.

שיטות העברת אנרגיה

יש ארבע דרכים שבהן מכונות מעבירות אנרגיה מהמקור למקום שבו מבוצעת העבודה:

הובלה מכנית

האנרגיה עוברת דרך תנועה פיזית — מוטות, שרשרות, גלגלי שיניים, גלגלים מסתובבים, חגורה וקמים. הנושא הוא חלק מכני נע המחובר ישירות למקור האנרגיה.

העברה חשמלית

האנרגיה עוברת לאורך מוליכים חשמליים (חוטים) ומועברת למתנע חשמלי — מנוע או סולנואיד — כדי לבצע עבודה.

הובלה פנימטית

האנרגיה עוברת דרך צינורות כזרם אוויר דחוס ומועברת למתנע פנאומטי (צילינדר או מנוע אוויר) כדי לבצע עבודה.

?? ??????

האנרגיה נעה דרך צינורות כזרם נוזל מופעל (שמן) ומגיעה למתנע הידראולי (אילוץ או מנוע) כדי לבצע עבודה מכנית. זהו הנושא של כל הקורס הזה.

כל מכונה מבצעת בסופו של דבר עבודה מכנית. אנרגיה בכל צורה — חשמלית, פנאומטית או הידראולית — חייבת להומר בחזרה לאנרגיה מכנית על ידי מתנע לפני שניתן להזיז את המטען. לכל שיטה יש יתרונות וחסרונות, ורבות מהמכונות משתמשות בשתי שיטות או יותר יחד.

איור 1-17: העברת הידראוליקה מעבירה אנרגיה כנוזל מופעל. האילוץ או המנוע בקצה המרה אותה בחזרה לכוח מכני.

אובדן מערכת

בכל מערכת העברה אמיתית, חלק מהאנרגיה הופך לחום על ידי חיכוך לפני שמגיע למשתנה. האנרגיה הפועלת (אנרגיה קינטית תחת לחץ) פועלת על המשטחים בצינורות והשסתומים, ויוצרת התנגדות וחום. אובדן זה מתבטא בירידה בלחץ מהמקור למשתנה. האנרגיה נשמרת — היא פשוט משנה את צורתה, מה שגורם למערכת להיות פחות יעילה.