1. nodaļa: Mašīnu fiziskais pasaulē

Mašīnas ir izveidotas, lai aizvietotu cilvēka darbu. Tomēr daudziem cilvēkiem tās rada neveiklības sajūtu, jo viņi nesaprot, kā mašīnas darbojas. Šajā nodaļā tiek definēti pamatfizikas jēdzieni — spēks, enerģija, darbs, jauda un spiediens —, kas parādās katrā šī kursa turpmākajā nodaļā.

1. attēls — Tipisks rūpnieciskais hidrauliskās enerģijas modulis. Sūknis, motors, rezervuārs un vārsti bieži vien ir apvienoti vienā korpusā, kā parādīts attēlā.

Spēks

Spēks ir jebkāda darbība, kas maina — vai cenšas mainīt — objekta kustības stāvokli.

Ņūtons (N)

SI vienība spēkam ir ņūtons (N). ASV pieņemtajās vienībās spēku mēra mārciņās (lbs).

Trīs veidi, kā spēks maina kustību

Spēks var veikt trīs darbības ar objektu:

1. Izsākt objekta kustību.
2. Palēnināt tā kustību vai apturēt to.
3. Mainīt tā kustības virzienu.

Pretestību

Jebkuru spēku, kas palēnina vai aptur kustību, sauc par pretestību. Divas visizplatītākās pretestības hidrauliskajās mašīnās ir berze un inerce.

Berze

Berze ir pretestība, kas pastāv saskares virsmā starp jebkuriem diviem objektiem, kas kustas — vai cenšas kustēties — viens attiecībā pret otru.

1.3. attēls: Berze darbojas tur, kur divas virsmas ir saskarē un slīd viena pret otru.

Inerce

Inerce ir ķermeņa tieksme saglabāt savu pašreizējo kustības stāvokli. Mierā esošs ķermenis paliek mierā; kustībā esošs ķermenis turpina kustēties. Inerce ir tieši saistīta ar masu: smagāku ķermeni ir grūtāk ievest kustībā vai apturēt.

Piemērs: svina bumbai ir lielāka inerce nekā koka bumbai. Uzspērieties abām ar vienādu spēku, un koka bumba aizlidos ātrāk un tālāk, kas liecina, ka svina bumba vairāk pretojas kustības izmaiņām.

Enerģija

Enerģija ir tas, ko spēks iegūst, kad tam ir spēja likt kaut kam kustēties. Vienkārši sakot: enerģija ir spēja veikt darbu.

Kinētisko enerģiju

Kinētiskā enerģija ir kustības enerģija. Jebkurš kustībā esošs objekts ir apgādāts ar kinētisko enerģiju, jo tas var pabīdīt citus priekšmetus un likt tiem kustēties. Jo smagāks un ātrāk tas kustas, jo vairāk kinētiskās enerģijas tam ir.

Enerģijas formas

Enerģija pastāv daudzās formās: mehāniskā, termiskā (siltuma), elektriskā, gaismas, ķīmiskā un skaņas enerģija.

Enerģijas saglabāšanās likums

Enerģiju nevar radīt vai iznīcināt — to var pārvērst tikai no vienas formas citā. Tas ir viens no svarīgākajiem likumiem fizikā.

1.6. attēls Enerģijas saglabāšanās likums: enerģija nekad netiek iznīcināta, bet tikai pārvērsta citā formā.

Enerģijas pārveidošana

Elektriskā enerģija no kontaktligzdas var pārvērsties gaismā (spuldzē), siltumā (sildītājā), mehāniskajā kustībā (dzinējā) vai skaņā (skalārā), atkarībā no ierīces. Enerģija vienmēr tiek saglabāta — tā vienkārši maina savu formu.

Vēl viens piemērs: slīdot pa virvi ķermeņa kinētiskā enerģija pārvēršas par siltumu virvē un rokās, tāpēc berze palēnina kustību un silda virvi.

Enerģijas stāvokļi

Kinētiskā enerģija — kustībā esoša enerģija

Kinētiskā enerģija attēlo jau veikto darbu — tā ir enerģija, ko ķermenis iegūst, pateicoties savai kustībai. Lielākā daļa enerģijas formu ir jābūt kinētiskajā stāvoklī, lai tās varētu veikt noderīgu darbu.

Potenciālā enerģija — uzkrātā enerģija

Potenciālā enerģija ir uzkrātā enerģija. Kad tiek izpildīti atbilstoši nosacījumi, potenciālā enerģija pārvēršas kinētiskajā enerģijā un izraisa kustību. Potenciālā enerģija rodas no ķermeņa fizikālās dabas vai tā atrašanās vietas virs atskaites punkta.

Piemēri: ūdens, kas uzglabāts paceltā tvertnē, ir potenciālā enerģija dēļ savas augstuma — tas var plūst lejup un veikt darbu zemākā līmenī. Akumulators, kas nav pievienots elektriskajai shēmai, uzglabā ķīmisko potenciālo enerģiju.

1.8. attēls — divi pazīstami potenciālās enerģijas piemēri: pacelta ūdens tornis un uzlādēts akumulators.

Enerģijas stāvokļa pāreja

Potenciālā un kinētiskā enerģija brīvi pārvēršas viena otrā; ūdens torņa augšdaļā ir potenciālā enerģija; kad tas tek lejup pa slīpumu, tas kļūst par kinētisko enerģiju; kad tas piepilda konteineru un tiek pacelts atkal, tas atkal kļūst par potenciālo enerģiju.

Darbs

Darbs tiek veikts, kad spēks iedarbojas uz objektu un pārvieto to noteiktā attālumā. Ja nekas nepārvietojas, darbs netiek veikts.

Džouls, J = N·m

Darba SI vienība ir džouls (J). ASV tradicionālajās mērvienībās darbs tiek mērīts pēdas-mārciņās (ft·lbs).

Darba formula

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

Piemērs: Forklifts pacel katru paletu 5 pēdas (1,524 m), pielikdams spēku 2000 mārciņas (8880 N). Darbs, ko veic katrai palētai:

1. attēls–9 Darbs = spēka lielums × attālums. Kravas pacēlājs veic darbu katru reizi, kad paceļ kastu.

Enerģiju

Darbs vienmēr tiek veikts noteiktā laika periodā. Jauda ir darba veikšanas ātrums — veiktais darbs laika vienībā.

Jaudas formula

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

Izmantojot kravas pacēlāja piemēru: ja 10 000 ft·lbs lielais darbs tiek veikts 5 sekundēs, tad jaudas izvade ir:

Zirgu spēks (HP)

Zirgu spēks ir imperiālā jaudas mērvienība. Džeims Vats, kurš izgudroja tvaika dzinēju, to definēja, salīdzinot savu dzinēju ar strādājošu zirgu. Viņš noskaidroja, ka zirgs var pārvietot 550 lbs smagu priekšmetu par 1 pēdas attālumu 1 sekundē:

Zirgspēka formula

kW = ZS × 0,746

Kravas pacēlāja piemērā: 2000 pēdas·mārciņas/s ÷ 550 = 3,6 ZS (= 2707 W = 2,71 kW).

1.11. attēls Džems Vats 1 ZS definēja kā 550 pēdas·mārciņas sekundē, novērojot darbojošos zirgus.

Spiediens

Spiediens mēra spēka intensitāti — cik koncentrēts ir šis spēks uz dotās virsmas laukuma.

Ikdienas piemērs: augstpapēžu kurpes pret plakanām kurpēm. Abas nes vienādu ķermeņa masu, taču ļoti mazais papēža laukums koncentrē to uz grīdas, radot ļoti augstu spiedienu, kamēr plakana zole izkliedē to pa lielu virsmas laukumu un rada zemu spiedienu. To saprot ikviens, kuram kādreiz ir nolaidusies papēža daļa uz kājas.

Spiediena formula

(Pa = N/m²) = (N) ÷ (m²) vai (psi) = (mārciņas) ÷ (collu²)

Vienību pārveidojumi:

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar = aptuveni 14,5 psi
• Standarta atmosfēras spiediens = 14,7 psia = 1,01 bar = 101 000 Pa

Piemērs: Bloks ar 100 in² (645 cm²) pamatni sver 100 lbs (444 N). Spiediens = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Tas pats 100 lbs uz tērauda adatas ar 0,25 in² (1,6 cm²) pamatni: 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

1.12. attēls Viens un tas pats spēks, bet ļoti atšķirīgs spiediens. Jo mazāka ir platība, jo augstāks ir spiediens.

Darba enerģija

Mašīnas parasti izmanto enerģiju, izmantojot spiedienu. Spiediens rodas tad, kad kinētiskā enerģija iedarbojas uz slodzes virsmu. Darba enerģija apvieno kinētisko enerģiju ar spiedienu, lai pārvietotu slodzi.

Darba enerģijas pārveidojums

Visos pārraides sistēmās daļa darba enerģijas zūd berzei ceļā uz slodzi. Šī zaudētā enerģija netiek iznīcināta — tā pārvēršas par siltumu. Enerģijas daļa, kas pārvēršas par siltumu, ir sistēmas zudums, un tieši tas liek sistēmām būt neefektīvām.

Spiediens avotā ir augstāks nekā spiediens slodzē, jo enerģija tiek patērēta, lai pārvarētu berzi caurulēs, vārstos un savienojumos ceļā.

1.13. attēls — Darba enerģija plūst no avota uz slodzi. Berze ceļā rada siltumu, kas samazina spiedienu, kurš nonāk līdz slodzei.

Enerģijas pārnesešanas metodes

Ir četri veidi, kā mašīnas pārnēsā enerģiju no avota uz vietu, kur tiek veikts darbs:

Mehāniska pārmeklēšana

Enerģija pārvietojas fiziskā kustībā — svirās, ķēdēs, zobratos, ritenīšos, jostās un kampiekārtās. Pārnēsātājs ir kustīgā mehāniskā daļa, kas tieši savienota ar enerģijas avotu.

Elektriskā pārnese

Enerģija pārvietojas pa elektriskajiem vadītājiem (vadiem) un tiek piegādāta elektriskajam izpildmehānismam — dzinējam vai solenoidam — lai veiktu darbu.

Gaisa pārvades

Enerģija pārvietojas pa caurulēm kā saspiesta gaisa plūsma un tiek piegādāta pneimatiskajam izpildmehānismam (gaisa cilindram vai gaisa dzinējam), lai veiktu darbu.

Hidrauliskā pārmeklētāja

Enerģija pārvietojas caur caurulēm kā spiediena pakļauta šķidruma (eļļas) plūsma un tiek piegādāta hidrauliskajam izpildmehānismam (cilindram vai dzinējam), lai veiktu mehānisko darbu. Šis ir visa šī kursa temats.

Katrs aparāts galu galā veic mehānisko darbu. Jebkura veida enerģija — elektriskā, pneimatiskā vai hidrauliskā — jāpārvērš atpakaļ par mehānisko enerģiju ar izpildmehānisma palīdzību, pirms var pārvietot slodzi. Katram veidam ir savas priekšrocības un trūkumi, un daudzi aparāti kombinē divus vai vairākus veidus.

1.17. attēls Hidrauliskā pārnesme pārvadā enerģiju kā spiediena pakļautu šķidrumu. Galā esošais cilindrs vai dzinējs to atkal pārvērš par mehānisko spēku.

Sistēmas zudums

Katrs reāls pārnesuma sistēmā daļa enerģijas pirms tās nonākšanas pie slodzes tiek pārvērsta siltumā berzes rezultātā. Darba enerģija (kinētiskā enerģija spiediena ietekmē) iedarbojas uz cauruļu un vārstu virsmām, rada pretestību un siltumu. Šī zaudējumu izpausme ir spiediena kritums no avota līdz slodzei. Enerģija saglabājas — tā vienkārši maina savu formu, kas samazina sistēmas efektivitāti.