Თავი 1: მანქანების ფიზიკური სამყარო

Მანქანები შეიძლება შეიქმნან ადამიანის შრომის ჩანაცვლების მიზნით. მიუხედავად ამისა, ბევრი ადამიანი გრძნობს უკომფორტობას მათ გარშემო, რადგან არ იცნობს მანქანების მუშაობის პრინციპს. ამ თავში განსაზღვრულია ძირითადი ფიზიკური ცნებები — ძალა, ენერგია, მუშაობა, სიმძლავრე და წნევა, რომლებიც ყოველ შემდგომ თავში გამოიყენება ამ საგანში.

Ნახაზი 1-1 ტიპური სამრეწველო ჰიდრავლიკური ძალის ერთეული. პუმპა, მოტორი, რეზერვუარი და ვალვები ხშირად ერთი კორპუსში არის გაერთიანებული, როგორც ეს ნახაზზე ნაჩვენებია.

Ძალა

Ძალა არის ნებისმიერი მოქმედება, რომელიც ცვლის — ან ცდილობს შეცვალოს — ობიექტის მოძრაობის მდგომარეობას.

Ნიუტონი (N)

Ძალის SI ერთეული არის ნიუტონი (N). აშშ-ის ტრადიციულ ერთეულებში ძალა იზომება ფუნტებში (lbs).

Ძალის მოძრაობის ცვლის სამი გზა

Ძალა შეიძლება სამი რამ გააკეთოს ობიექტზე:

1. Გამოიწვიოს ობიექტის მოძრაობა.
2. Შეამელიოს მისი მოძრაობა ან შეაჩეროს.
3. Შეცვალეთ მისი მოძრაობის მიმართულება.

Წინააღმდეგობა

Ნებისმიერი ძალა, რომელიც ნელავს ან შეაჩერებს მოძრაობას, წინაღობას წარმოადგენს. ჰიდრავლიკურ მანქანებში ყველაზე გავრცელებული ორი წინაღობა ხახუნი და ინერციაა.

Სწრაფობა

Ხახუნი არის წინაღობა, რომელიც არსებობს ნებისმიერი ორი ობიექტის კონტაქტის ზედაპირზე, რომლებიც ერთმანეთის მიმართ მოძრაობენ — ან მოძრაობის მისწრაფებას გამოხატავენ.

Ნახაზი 1-3. ხახუნი მოქმედებს იმ ადგილებში, სადაც ორი ზედაპირი ერთმანეთს ეხება და ერთმანეთის გასწვრივ სრიალებს.

Ინერცია

Ინერცია არის ობიექტის მიერ მიმდინარე მოძრაობის მდგომარეობის შენარჩუნების მიდრეკილება. საყოფაცხოვრებო მდგომარეობაში მყოფი ობიექტი ისევ საყოფაცხოვრებო მდგომარეობაში რჩება; მოძრავი ობიექტი მოძრავი რჩება. ინერცია პირდაპირ დაკავშირებულია მასასთან: უფრო მძიმე ობიექტს უფრო რთულია გაშვება ან შეჩერება.

Მაგალითად: თურქული ბურთის ინერცია ხის ბურთზე მეტია. თუ ერთი და იგივე ძალით დააკოცებთ ორივეს, ხის ბურთი უფრო სწრაფად და უფრო შორს გადაადგილდება, რაც აჩვენებს, რომ თურქული ბურთი მოძრაობის ცვლილების წინაღობას უფრო მეტად აძლევს.

Ენერგია

Ენერგია არის ის, რასაც ძალა ფლობს, როდესაც ის შეუძლია რამეს მოძრაობაში მოაყენოს. მარტივი ტერმინებით რომ ვთქვათ: ენერგია არის სამუშაოს შესრულების შესაძლებლობა.

Კინეტიკური ენერგია

Კინეტიკური ენერგია არის მოძრაობის ენერგია. ნებისმიერი მოძრავი ობიექტი ფლობს კინეტიკურ ენერგიას, რადგან ის შეუძლია სხვა სხეულების წაგდება და მათი მოძრაობის გამოწვევა. რაც უფრო მძიმე და უფრო სწრაფად მოძრაობს, მით უფრო მეტი კინეტიკური ენერგია აქვს.

Ენერგიის ფორმები

Ენერგია არსებობს ბევრი ფორმით: მექანიკური, თერმული (სითბო), ელექტრული, სინათლის, ქიმიური და ხმის ენერგია.

Ენერგიის შენახვის კანონი

Ენერგია არ შეიძლება შეიქმნას ან განადგურდეს — ის მხოლოდ ერთი ფორმიდან მეორე ფორმაში გადაიქცევა. ეს არის ფიზიკის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი კანონი.

Ნახაზი 1-6. ენერგიის შენახვის კანონი: ენერგია არ განადგურდება საერთოდ, მხოლოდ ერთი ფორმიდან მეორე ფორმაში გადაიქცევა.

Ენერგიის გარდაქმნა

Კონტაქტზე მიღებული ელექტრული ენერგია შეიძლება გადაიქცეს სინათლედ (სინათლის ლამპაში), სითბოდ (გამათბობელში), მექანიკურ მოძრაობად (ძრავაში) ან ხმად (საუბრის აპარატში), მოწყობილობის ტიპის მიხედვით. ენერგია ყოველთვის შენახვის კანონს ექვემდებარება — ის უბრალოდ იცვლის ფორმას.

Სხვა მაგალითი: ბორბლის გასწვრივ ჩამოსრიალება სხეულის კინეტიკურ ენერგიას გარდაქმნის ბორბლისა და ხელების სითბოდ, რის გამოც ხახუნი თავის მხრივ ანელებს მოძრაობას და სითბოს გამოყოფს ბორბლში.

Ენერგიის მდგომარეობები

Კინეტიკური ენერგია — მოძრავი ენერგია

Კინეტიკური ენერგია წარმოადგენს უკვე შესრულებულ მუშაობას — ეს არის ენერგია, რომელსაც ობიექტი ფლობს მისი მოძრაობის გამო. ენერგიის უმეტესი ფორმა უნდა იყოს კინეტიკურ მდგომარეობაში, სანამ სასარგებლო მუშაობას შეასრულებს.

Პოტენციური ენერგია — შენახული ენერგია

Პოტენციური ენერგია არის შენახული ენერგია. როდესაც შესაბამისი პირობები შესრულდება, პოტენციური ენერგია გარდაიქმნება კინეტიკურ ენერგიად და გამოიწვევს მოძრაობას. პოტენციური ენერგია მოდის ობიექტის ფიზიკური ბუნებიდან ან მისი მდებარეობიდან რეფერენციის წერტილზე მაღლა.

Მაგალითები: საცავში აწევილი წყალი ფლობს პოტენციურ ენერგიას თავისი სიმაღლის გამო — ის შეიძლება ჩამოიდინოს და დაბალ დონეზე მუშაობას შეასრულოს. წრედში არ ჩართული ბატარეა შენახავს ქიმიურ პოტენციურ ენერგიას.

Ნახაზი 1-8: ორი ცნობილი პოტენციური ენერგიის მაგალითი — აწევილი წყლის ტანკი და დატენებული ბატარეა.

Ენერგიის მდგომარეობის გარდაქმნა

Პოტენციური და კინეტიკური ენერგია თავისუფლად გადაიქცევა ერთმანეთში. ტაძარში მყოფი წყალი წარმოადგენს პოტენციურ ენერგიას; როგორც კი ის ჩამოედინება დაბლა, იგი ხდება კინეტიკური ენერგია; როცა ის სატენის შევსების შემდეგ ხელახლა აწევენ, ისევ ხდება პოტენციური ენერგია.

Მუშაობა

Სამუშაო შესრულდება მაშინ, როდესაც ძალა მოქმედებს სხეულზე და იგი გადაადგილებს მას რაღაც მანძილზე. თუ არ ხდება გადაადგილება, სამუშაო არ შესრულდება.

Ჯოული, ჯ = ნ·მ

Სამუშაოს საერთაშორისო სისტემის (SI) ერთეულია ჯოული (ჯ). აშშ-ის ტრადიციულ ერთეულებში სამუშაო იზომება ფუტ-ფუნტებში (ft·lbs).

Სამუშაოს ფორმულა

(ჯ) = (მ) × (ნ) ან (ft·lbs) = (ft) × (lbs)

Მაგალითი: ფორკლიფტი აწევს თითოეულ პალეტს 5 ფუტით (1,524 მ) 2000 ფუნტის (8880 ნ) ძალით. თითოეულ პალეტზე შესრულებული სამუშაო:

Ნახაზი 1-9 მუშაობა = ძალა × მანძილი. ფორკლიფტი ყოველთვის ასრულებს მუშაობას, როდესაც აწევს პალეტას.

Ძალა

Მუშაობა ყოველთვის ასრულდება რაღაც დროში. სიმძლავრე არის მუშაობის შესრულების სიჩქარე — ერთეულ დროში შესრულებული მუშაობის რაოდენობა.

Სიმძლავრის ფორმულა

(Вт) = (м) × (Н) ÷ (с) ან (ფუტ·ფუნტ/წმ) = (ფუტ) × (ფუნტ) ÷ (წმ)

Ფორკლიფტის მაგალითის გამოყენებით: თუ 10 000 ფუტ·ფუნტი მუშაობა შესრულდება 5 წამში, სიმძლავრის გამომავალი მნიშვნელობა იქნება:

Ცხენის ძალა (HP)

Ცხენის ძალა არის იმპერიული სიმძლავრის ერთეული. სიმძლავრის ცნება შემოიგო ჯეიმზ ვატმა, რომელმაც შექმნა სიმძლავრის ერთეული თავისი სიმძლავრის ძრავის შედარებით მუშა ცხენთან. მან დაადგინა, რომ ცხენი შეძლებს 550 ფუნტი წონის ტვირთის 1 ფუტით გადაადგილებას 1 წამში:

Ცხენის ძალის ფორმულა

კილოვატი (kW) = ცხენის ძალა (HP) × 0,746

Ჩამოსაყალიბებლის მაგალითისთვის: 2 000 ფუტი·ფუნტი/წამ ÷ 550 = 3,6 ცხენის ძალა (HP) (= 2 707 ვატი = 2,71 კილოვატი).

Ნახაზი 1-11: ჯეიმზ ვატი განსაზღვრა 1 ცხენის ძალა (HP) როგორც 550 ფუტი·ფუნტი წამში, რაც მისი მუშა ცხენების დაკვირვების შედეგად მიიღო.

Წნევა

Წნევა ახასიათებს ძალის ინტენსივობას — ანური ხარისხით არის ეს ძალა კონცენტრირებული მოცემულ ფართობზე. ორი სხეული შეიძლება ერთნაირ სრულ ძალას მოახდენოს, მაგრამ კონტაქტის ფართობის მიხედვით ძალიან განსხვავებულ წნევას შექმნას.

Ყოველდღიური მაგალითი: მაღალკაბლიანი ფეხსაცმელი და ბრტყელკაბლიანი ფეხსაცმელი. ორივე ერთნაირ სხეულის წონას ატარებს, მაგრამ მცირე კაბლის ფართობი ამ წონას მიწაზე ძალიან მაღალ წნევაში კონცენტრირებს, ხოლო ბრტყელი საყურადღებო ფართობი იგივე ძალას დიდ ფართობზე განაწილებს და დაბალ წნევას ქმნის. ვისაც კაბლი ფეხზე დაეცა, ეს კარგად იცის.

Წნევის ფორმულა

(პა = ნ/მ²) = (ნ) ÷ (მ²) ან (psi) = (ფუნტი) ÷ (დუйმ²)

Ერთეულების გადაყვანა:

• 1 ბარი = 10^5 ნ/მ² = 10^5 პა
• 1 ბარი ≈ 14,5 ფუნტი/კვ. დუйმი (psi)
• Სტანდარტული ატმოსფერული წნევა = 14,7 ფუნტი/კვ. დუйმი (psia) = 1,01 ბარი = 101 000 პა

Მაგალითად: 100 კვ. დუйმი (645 სმ²) ფუძეს მქონე ბლოკი წონით 100 ფუნტი (444 ნ) არის. წნევა = 100 ფუნტი ÷ 100 კვ. დუйმი = 1 ფუნტი/კვ. დუйმი (psi) (0,07 ბარი). იგივე 100 ფუნტი 0,25 კვ. დუйმი (1,6 სმ²) ფუძეს მქონე სტალის სველზე: 100 ÷ 0,25 = 400 ფუნტი/კვ. დუйმი (psi) (27,6 ბარი).

Ნახაზი 1-12: იგივე ძალა, მაგრამ ძალიან განსხვავებული წნევა. რაც უფრო პატარაა ფართობი, მით უფრო მაღალია წნევა.

Სამუშაო ენერგია

Მანქანები ენერგიის გამოყენების ხერხი ჩვეულებრივ წნევას იყენებს. წნევა არის კინეტიკური ენერგიის ზემოქმედება ტვირთის ზედაპირზე. სამუშაო ენერგია კინეტიკური ენერგიას და წნევას აერთიანებს ტვირთის გადაადგილების მიზნით.

Სამუშაო ენერგიის გარდაქმნა

Ყველა გადაცემის სისტემაში ტვირთამდე მისვლის გზაზე სამუშაო ენერგიის რაღაც ნაკლებარობა ხდება ხახუნის გამო. ეს დაკარგული ენერგია არ იკარგება — ის თბოში გარდაიქმნება. ენერგიის ის ნაკლებარობა, რომელიც თბოში გარდაიქმნება, არის სისტემის კარგვა და ის არის, რაც სისტემებს აკეთებს არაეფექტურად.

Წყაროს წნევა მაღალია ტვირთის წნევაზე, რადგან ენერგია ხარჯდება მიმოსვლის გზაზე მდებარე მილებში, კლაპანებში და ფიტინგებში ხახუნის ძლევას მისაღებად.

Ნახაზი 1-13. მუშაობის ენერგია მიემართება წყაროდან ტვირთისკენ. გზაში არსებული ხახუნი სითბოს წარმოქმნის და ამცირებს ტვირთზე მიმავალ წნევას.

Ენერგიის გადაცემის მეთოდები

Მანქანები ენერგიას გადასცემენ წყაროდან მუშაობის ადგილზე სამი საშუალებით:

Механическая трансмиссия

Ენერგია გადაეცემა ფიზიკური მოძრაობით — ძალდატვირთებით, ჯაჭვებით, გერბებით, ბლოკებით, რემებით და კამებით. მატარებელი არის მოძრავი მექანიკური ნაკეთობა, რომელიც პირდაპირ არის დაკავშირებული ენერგიის წყაროს.

Ელექტროგადაცემა

Ენერგია გადაეცემა ელექტრული გამტარების (სადენების) გასწვრივ და მიეწოდება ელექტრულ აქტიუატორს — ძრავას ან სოლენოიდს — მუშაობის შესასრულებლად.

Პნევმატური გადაცემა

Ენერგია გადაეცემა მილებში შეკუმშული ჰაერის ნაკადის სახით და მიეწოდება პნევმატურ აქტიუატორს (ჰაერის ცილინდრს ან ჰაერის ძრავას) მუშაობის შესასრულებლად.

Ჰიდრავლიკური გადაცემა

Ენერგია მიეწოდება საშუალებებით მიმოქცევაში მყოფი სითხის (ზეთის) ნაკადის საშუალებით და მიეწოდება ჰიდრავლიკურ აქტივატორს (ცილინდრს ან ძრავს), რათა შეასრულოს მექანიკური მუშაობა. ეს არის ამ სრული კურსის საკითხი.

Ყველა მანქანა საბოლოო ჯამში ასრულებს მექანიკურ მუშაობას. ნებისმიერი ფორმის ენერგია — ელექტრო, პნევმატიკური ან ჰიდრავლიკური — უნდა გადაიქცეს აქტივატორის მეშვეობით მექანიკურ ენერგიად, სანამ ტვირთი გადაადგილდება. თითოეულ მეთოდს აქვს თავისი უპირატესობები და ნაკლოვანებები, ხოლო ბევრი მანქანა იყენებს ორს ან მეტს ამ მეთოდებს ერთდროულად.

Ნახაზი 1-17: ჰიდრავლიკური გადაცემა ენერგიას ატარებს როგორც წნევით შევსებულ სითხეს. ცილინდრი ან ძრავი დასასრულში ის ხელახლა გადაიქცევა მექანიკურ ძალად.

Სისტემის კარგვა

Ნებისმიერ რეალურ გადაცემის სისტემაში ენერგიის რაღაც ნაკლებობა ხვდება სითბოში ხახუნის გამო, სანამ იგი დატვირთვამდე მიაღწევს. მუშაობის ენერგია (წნევის ქვეშ მყოფი კინეტიკური ენერგია) მოქმედებს მილებისა და კლაპანების ზედაპირებზე, რაც წინააღმდეგობისა და სითბოს გენერირებას იწვევს. ეს კარგვა გამოიხატება წნევის დაკლებით წყაროდან დატვირთვამდე. ენერგია ინახება — იგი უბრალოდ იცვლის ფორმას, რაც სისტემის ეფექტურობას ამცირებს.