Bab 1: Dunia Fizikal Mesin

Mesin dibina untuk menggantikan tenaga buruh manusia. Namun, ramai orang berasa tidak selesa di sekitar mesin kerana mereka tidak memahami cara mesin beroperasi. Bab ini memberikan definisi konsep fizikal asas — daya, tenaga, kerja, kuasa, dan tekanan — yang akan muncul dalam setiap bab seterusnya dalam kursus ini.

Rajah 1-1 Unit kuasa hidraulik industri tipikal. Pam, motor, takungan, dan injap sering digabungkan dalam satu rumah seperti ini.

Daya

Daya ialah sebarang tindakan yang mengubah — atau cuba mengubah — keadaan gerakan suatu objek.

Newton (N)

Unit SI bagi daya ialah newton (N). Dalam unit lazim AS, daya diukur dalam paun (lbs).

Tiga cara daya mengubah gerakan

Daya boleh melakukan tiga perkara terhadap suatu objek:

1. Memulakan pergerakan objek.
2. Memperlahankannya atau menghentikannya.
3. Tukar arah pergerakannya.

Rintangan

Sebarang daya yang memperlahankan atau menghentikan pergerakan dipanggil rintangan. Dua rintangan paling biasa dalam jentera hidraulik ialah geseran dan inersia.

Penyelaras

Geseran ialah rintangan yang wujud pada permukaan sentuh antara dua objek yang sedang bergerak — atau cenderung untuk bergerak — relatif antara satu sama lain.

Rajah 1-3 Geseran bertindak di mana sahaja dua permukaan bersentuhan dan meluncur antara satu sama lain.

Inersia

Inersia ialah kecenderungan suatu objek untuk mengekalkan keadaan pergerakan semasa. Suatu objek dalam keadaan rehat akan kekal dalam keadaan rehat; manakala objek yang bergerak akan terus bergerak. Inersia berkaitan secara langsung dengan jisim: objek yang lebih berat lebih sukar untuk dimulakan atau dihentikan.

Contoh: Sebiji bola plumbum mempunyai inersia yang lebih tinggi berbanding sebiji bola kayu. Tendang kedua-duanya dengan daya yang sama dan bola kayu akan bergerak lebih laju dan lebih jauh, menunjukkan bahawa bola plumbum lebih rintang terhadap perubahan pergerakan.

Tenaga

Tenaga ialah apa yang dimiliki oleh suatu daya apabila ia mampu menyebabkan sesuatu bergerak. Secara ringkas: tenaga ialah keupayaan untuk melakukan kerja.

Tenaga kinetik

Tenaga kinetik ialah tenaga pergerakan. Sebarang objek yang bergerak mempunyai tenaga kinetik kerana ia boleh menolak objek lain dan menyebabkannya bergerak. Semakin berat dan semakin laju objek itu bergerak, semakin banyak tenaga kinetik yang dimilikinya.

Bentuk-bentuk tenaga

Tenaga wujud dalam pelbagai bentuk: mekanikal, terma (haba), elektrik, cahaya, kimia, dan bunyi.

Hukum Keabadian Tenaga

Tenaga tidak pernah dapat diciptakan atau dimusnahkan — ia hanya boleh diubah daripada satu bentuk kepada bentuk lain. Ini merupakan salah satu hukum paling penting dalam fizik.

Rajah 1-6 Hukum Keabadian Tenaga: tenaga tidak pernah dimusnahkan, hanya diubah kepada bentuk lain.

Penukaran Tenaga

Tenaga elektrik daripada soket boleh diubah menjadi cahaya (dalam mentol lampu), haba (dalam pemanas), gerakan mekanikal (dalam motor), atau bunyi (dalam pembesar suara), bergantung kepada peranti yang digunakan. Tenaga sentiasa kekal — ia hanya berubah bentuk.

Contoh lain: meluncur turun sepanjang tali menukar tenaga kinetik badan kepada haba pada tali dan tangan, itulah sebabnya geseran memperlahankan pergerakan anda dan memanaskan tali.

Keadaan Tenaga

Tenaga kinetik — tenaga dalam pergerakan

Tenaga kinetik mewakili kerja yang telah dilakukan — iaitu tenaga yang dimiliki suatu objek disebabkan pergerakannya. Kebanyakan bentuk tenaga mesti berada dalam keadaan kinetik sebelum dapat melakukan kerja yang berguna.

Tenaga keupayaan — tenaga tersimpan

Tenaga keupayaan ialah tenaga tersimpan. Apabila syarat-syarat yang sesuai dipenuhi, tenaga keupayaan bertukar kepada tenaga kinetik dan menyebabkan pergerakan. Tenaga keupayaan berasal daripada sifat fizikal suatu objek atau kedudukannya di atas satu titik rujukan.

Contoh: air yang disimpan dalam tangki tinggi mempunyai tenaga keupayaan disebabkan ketinggiannya — ia boleh mengalir ke bawah dan melakukan kerja pada aras yang lebih rendah. Bateri yang tidak disambungkan ke litar menyimpan tenaga keupayaan kimia.

Rajah 1-8 Dua contoh biasa tenaga keupayaan: menara air yang ditinggikan dan bateri yang bercas.

Pertukaran keadaan tenaga

Tenaga keupayaan dan tenaga kinetik bertukar secara bebas antara satu sama lain. Air dalam menara merupakan tenaga keupayaan; apabila mengalir ke bawah bukit, ia menjadi tenaga kinetik; apabila mengisi sebuah bekas dan diangkat semula, ia kembali menjadi tenaga keupayaan.

Kerja

Kerja dilakukan apabila daya bertindak ke atas suatu objek dan menggerakkannya melalui suatu jarak. Jika tiada apa-apa yang bergerak, tiada kerja dilakukan.

Joule, J = N·m

Unit SI bagi kerja ialah joule (J). Dalam unit adat AS, kerja diukur dalam kaki-punca (ft·lbs).

Rumus kerja

(J) = (m) × (N) atau (ft.lbs) = (ft) × (lbs)

Contoh: Sebuah forklift mengangkat setiap palet sebanyak 5 kaki (1.524 m) dengan daya sebanyak 2,000 lbs (8,880 N). Kerja yang dilakukan bagi setiap palet:

Rajah 1-9 Kerja = daya × jarak. Forklift melakukan kerja setiap kali mengangkat palet.

Kuasa

Kerja sentiasa dilakukan dalam jangka masa tertentu. Kuasa ialah kadar kerja dilakukan — iaitu jumlah kerja yang dilakukan per unit masa.

Rumus kuasa

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

Menggunakan contoh forklift: jika 10,000 ft·lb kerja dilakukan dalam 5 saat, output kuasa ialah:

Kuasa kuda (HP)

Horsepower (HP) ialah unit imperial bagi kuasa. James Watt, penemu enjin wap, menakrifkannya dengan membandingkan enjin ciptaannya dengan seekor kuda yang sedang bekerja. Beliau mendapati bahawa seekor kuda mampu menggerakkan beban 550 lb sejauh 1 kaki dalam masa 1 saat:

Rumus horsepower

kW = HP × 0.746

Untuk contoh forklift: 2,000 kaki·pon/s ÷ 550 = 3.6 HP (= 2,707 W = 2.71 kW).

Rajah 1-11 James Watt menakrifkan 1 HP sebagai 550 kaki·pon sesaat selepas mengamati kuda-kuda yang sedang bekerja.

Tekanan

Tekanan mengukur keamatan suatu daya — iaitu seberapa terumpu daya tersebut ke atas suatu luas tertentu. Dua objek boleh mengenakan daya jumlah yang sama tetapi menghasilkan tekanan yang sangat berbeza bergantung kepada luas permukaan sentuh.

Contoh harian: kasut bertumit tinggi berbanding kasut rata. Kedua-duanya menanggung berat badan yang sama, tetapi luas tumit yang kecil memusatkan daya tersebut ke atas lantai dan menghasilkan tekanan yang sangat tinggi, manakala tapak rata menyebarkan daya yang sama ke atas luas yang lebih besar dan menghasilkan tekanan yang rendah. Sesipa sahaja yang pernah ditindih tumit orang lain pasti memahami ini.

Rumus tekanan

(Pa = N/m²) = (N) ÷ (m²) atau (psi) = (pon) ÷ (inci²)

Penukaran unit:

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar = kira-kira 14.5 psi
• Tekanan atmosfera piawai = 14.7 psia = 1.01 bar = 101,000 Pa

Contoh: Sebuah blok dengan tapak seluas 100 in² (645 cm²) mempunyai berat 100 paun (444 N). Tekanan = 100 paun ÷ 100 in² = 1 psi (0.07 bar). Sama-sama 100 paun tersebut dikenakan pada pin keluli dengan tapak seluas 0.25 in² (1.6 cm²): 100 ÷ 0.25 = 400 psi (27.6 bar).

Rajah 1-12: Daya yang sama, tetapi tekanan yang sangat berbeza. Semakin kecil luas permukaan, semakin tinggi tekanannya.

Tenaga Kerja

Cara mesin menggunakan tenaga biasanya melalui tekanan. Tekanan adalah hasil apabila tenaga kinetik bertindak pada permukaan beban. Tenaga kerja menggabungkan tenaga kinetik dengan tekanan untuk menggerakkan beban.

Penukaran tenaga kerja

Dalam semua sistem penghantaran, sebahagian tenaga kerja hilang akibat geseran semasa perjalanan ke beban. Tenaga yang hilang ini tidak dimusnahkan — ia bertukar menjadi haba. Bahagian tenaga yang bertukar menjadi haba dikenali sebagai kehilangan sistem, dan inilah yang menyebabkan sistem menjadi tidak cekap.

Tekanan di sumber adalah lebih tinggi daripada tekanan di beban kerana tenaga digunakan untuk mengatasi geseran dalam paip, injap, dan sambungan sepanjang laluan.

Rajah 1-13 Aliran tenaga berfungsi dari sumber ke beban. Geseran sepanjang laluan menghasilkan haba, yang mengurangkan tekanan yang tiba di beban.

Kaedah Penghantaran Tenaga

Terdapat empat cara jentera menghantar tenaga dari sumber ke tempat kerja dilakukan:

Penjanaan mekanik

Tenaga bergerak melalui pergerakan fizikal — tuil, rantai, gear, takal, tali sawat, dan cam. Pembawa ialah komponen mekanikal yang bergerak dan disambungkan secara langsung ke sumber tenaga.

Penghantaran Elektrik

Tenaga bergerak sepanjang konduktor elektrik (wayar) dan dihantar ke aktuator elektrik — motor atau solenoid — untuk melakukan kerja.

Penghantaran Pneumatik

Tenaga bergerak melalui paip sebagai aliran udara termampat dan dihantar ke aktuator pneumatik (silinder udara atau motor udara) untuk melakukan kerja.

PENYALURAN HIDRAULIK

Tenaga bergerak melalui paip sebagai aliran cecair bertekanan (minyak) dan dihantar ke aktuator hidraulik (silinder atau motor) untuk melakukan kerja mekanikal. Ini merupakan tajuk keseluruhan kursus ini.

Setiap jentera pada akhirnya melakukan kerja mekanikal. Tenaga dalam sebarang bentuk — elektrik, pneumatik, atau hidraulik — mesti ditukar kembali kepada tenaga mekanikal oleh suatu aktuator sebelum beban boleh digerakkan. Setiap kaedah mempunyai kelebihan dan kekurangan tersendiri, dan banyak jentera menggabungkan dua kaedah atau lebih.

Rajah 1-17: Pemindahan hidraulik membawa tenaga sebagai cecair bertekanan. Silinder atau motor di hujung sistem menukarkannya kembali kepada daya mekanikal.

Kehilangan sistem

Dalam setiap sistem penghantaran sebenar, sebahagian tenaga diubah menjadi haba melalui geseran sebelum mencapai beban. Tenaga kerja (tenaga kinetik di bawah tekanan) bertindak pada permukaan dalam paip dan injap, menghasilkan rintangan dan haba. Kehilangan ini kelihatan sebagai penurunan tekanan dari sumber ke beban. Tenaga diabadikan — ia hanya berubah bentuk, yang menjadikan sistem kurang cekap.