Hoofdstuk 1: De fysieke wereld van machines

Machines zijn gebouwd om menselijke arbeid te vervangen. Toch voelen veel mensen zich ongemakkelijk in hun nabijheid, omdat ze niet begrijpen hoe machines werken. Dit hoofdstuk definieert de basisfysische concepten — kracht, energie, arbeid, vermogen en druk — die in elk volgend hoofdstuk van deze cursus terugkomen.

Figuur 1-1 Een typische industriële hydraulische aandrijfeenheid. De pomp, motor, reservoir en kleppen zijn vaak gecombineerd in één behuizing zoals deze.

Kracht

Een kracht is elke actie die de bewegingstoestand van een object verandert — of probeert te veranderen.

Newton (N)

De SI-eenheid van kracht is de newton (N). In het Amerikaanse systeem van gewichten en maten wordt kracht gemeten in pond (lbs).

Drie manieren waarop kracht beweging verandert

Een kracht kan drie dingen doen met een object:

1. Het object in beweging brengen.
2. Het vertragen of tot stilstand brengen.
3. Verander de richting van zijn beweging.

Weerstand

Elke kracht die beweging vertraagt of stopt, wordt een weerstand genoemd. De twee meest voorkomende weerstanden in hydraulische machines zijn wrijving en traagheid.

Wrijving

Wrijving is de weerstand die optreedt aan het contactoppervlak tussen twee objecten die ten opzichte van elkaar bewegen — of de neiging hebben om te bewegen.

Figuur 1-3 Wrijving werkt overal waar twee oppervlakken in contact zijn en langs elkaar glijden.

Inertie

Traagheid is de neiging van een object om zijn huidige bewegingstoestand te behouden. Een object in rust blijft in rust; een bewegend object blijft bewegen. Traagheid is direct gerelateerd aan massa: een zwaarder object is moeilijker in beweging te brengen of tot stilstand te brengen.

Voorbeeld: Een loden bal heeft meer traagheid dan een houten bal. Schop beide met dezelfde kracht en de houten bal beweegt sneller en verder, wat aantoont dat de loden bal meer weerstand biedt tegen de verandering van beweging.

Energie

Energie is wat een kracht bezit wanneer deze in staat is iets in beweging te brengen. In eenvoudige termen: energie is het vermogen om arbeid te verrichten.

Kinetische energie

Kinetische energie is de energie van beweging. Elk bewegend object heeft kinetische energie, omdat het andere dingen kan duwen en in beweging kan brengen. Hoe zwaarder en sneller het beweegt, hoe meer kinetische energie het heeft.

Vormen van energie

Energie bestaat in vele vormen: mechanische, thermische (warmte), elektrische, licht-, chemische en geluidsenergie.

Wet van behoud van energie

Energie kan nooit worden gecreëerd of vernietigd — ze kan alleen van de ene vorm naar de andere worden omgezet. Dit is een van de belangrijkste wetten in de natuurkunde.

Figuur 1-6 De wet van behoud van energie: energie wordt nooit vernietigd, maar alleen omgezet in een andere vorm.

Energieconversie

Elektrische energie uit een stopcontact kan worden omgezet in licht (in een gloeilamp), warmte (in een verwarming), mechanische beweging (in een motor) of geluid (in een luidspreker), afhankelijk van het apparaat. Energie wordt altijd behouden — ze verandert alleen van vorm.

Een ander voorbeeld: afglijden langs een touw zet de kinetische energie van het lichaam om in warmte in het touw en de handen, waardoor wrijving je vertraagt en het touw opwarmt.

Energietoestanden

Kinetische energie — energie in beweging

Kinetische energie vertegenwoordigt werk dat al is verricht — het is de energie die een voorwerp bezit omdat het in beweging is. De meeste vormen van energie moeten zich in de kinetische toestand bevinden voordat ze nuttig werk kunnen verrichten.

Potentiële energie — opgeslagen energie

Potentiële energie is opgeslagen energie. Wanneer de juiste omstandigheden aanwezig zijn, wordt potentiële energie omgezet in kinetische energie en ontstaat er beweging. Potentiële energie is afkomstig van de fysieke aard van een voorwerp of van zijn positie boven een referentiepunt.

Voorbeelden: water opgeslagen in een verhoogde tank heeft potentiële energie door zijn hoogte — het kan naar beneden stromen en op een lager niveau werk verrichten. Een batterij die niet is aangesloten op een circuit, slaat chemische potentiële energie op.

Figuur 1-8 Twee bekende voorbeelden van potentiële energie: een verhoogde watertoren en een opgeladen batterij.

Omzetting van energietoestand

Potentiële en kinetische energie zetten zich vrijelijk in elkaar om. Het water in een watertoren is potentiële energie; terwijl het bergaf stroomt, wordt het kinetische energie; wanneer het een container vult en opnieuw wordt opgetild, wordt het opnieuw potentiële energie.

Werk

Er wordt arbeid verricht wanneer een kracht op een object werkt en het over een afstand verplaatst. Als er niets beweegt, wordt er geen arbeid verricht.

Joule, J = N·m

De SI-eenheid voor arbeid is de joule (J). In het Amerikaanse systeem van maten wordt arbeid uitgedrukt in foot-pounds (ft·lbs).

Formule voor arbeid

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

Voorbeeld: Een heftruck tilt elk pallet 5 ft (1,524 m) op met een kracht van 2.000 lbs (8.880 N). De verrichte arbeid per pallet:

Figuur 1-9 Arbeid = kracht × afstand. De heftruck verricht arbeid elke keer dat zij een pallet optilt.

Vermogen

Arbeid wordt altijd verricht binnen een bepaalde tijd. Vermogen is de snelheid waarmee arbeid wordt verricht — de hoeveelheid arbeid per tijdseenheid.

Vermogensformule

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

Bij het voorbeeld van de heftruck: als de arbeid van 10.000 ft·lb in 5 seconden wordt verricht, dan is het vermogen:

Ponnenkracht (HP)

Paardenkracht is de imperiale eenheid van vermogen. James Watt, die de stoommachine ontwikkelde, definieerde deze eenheid door zijn machine te vergelijken met een werkend paard. Hij constateerde dat een paard 550 lb over een afstand van 1 ft kon verplaatsen in 1 seconde:

Paardenkrachtformule

kW = PK × 0,746

Voor het heftruckvoorbeeld: 2.000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3,6 PK (= 2.707 W = 2,71 kW).

Figuur 1-11 James Watt definieerde 1 PK als 550 ft·lbs per seconde, gebaseerd op zijn observaties van werkende paarden.

Druk

Druk meet de intensiteit van een kracht — hoe geconcentreerd die kracht is over een bepaald oppervlak. Twee objecten kunnen dezelfde totale kracht uitoefenen, maar ze kunnen zeer verschillende drukken veroorzaken, afhankelijk van het contactoppervlak.

Alledaaglijk voorbeeld: hoge hakken versus platte schoenen. Beide dragen hetzelfde lichaamsgewicht, maar het kleine oppervlak van de hak concentreert dat gewicht in een zeer hoge druk op de vloer, terwijl een platte zool dezelfde kracht over een groot oppervlak verspreidt en daardoor een lage druk veroorzaakt. Iedereen die ooit een hak op zijn voet heeft gehad, begrijpt dit.

Drukformule

(Pa = N/m²) = (N) ÷ (m²) of (psi) = (lbs) ÷ (in²)

Eenheidomzettingen:

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar = ongeveer 14,5 psi
• Standaard atmosferische druk = 14,7 psia = 1,01 bar = 101.000 Pa

Voorbeeld: Een blok met een basisoppervlakte van 100 in² (645 cm²) weegt 100 lbs (444 N). Druk = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Dezelfde 100 lbs op een stalen speld met een basisoppervlakte van 0,25 in² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Figuur 1-12 Dezelfde kracht, zeer verschillende druk. Hoe kleiner het oppervlak, hoe hoger de druk.

Werken Energie

Machines gebruiken energie meestal via druk. Druk ontstaat wanneer kinetische energie inwerkt op het oppervlak van een belasting. Werkenergie combineert kinetische energie met druk om de belasting te verplaatsen.

Omzetting van werkenergie

In alle transmissiesystemen gaat een deel van de werkenergie verloren door wrijving onderweg naar de belasting. Deze verloren energie wordt niet vernietigd — zij wordt omgezet in warmte. Het aandeel energie dat wordt omgezet in warmte is het verlies van het systeem en is wat systemen inefficiënt maakt.

De druk bij de bron is hoger dan de druk bij de belasting, omdat energie wordt verbruikt om de wrijving in de leidingen, kleppen en fittingen onderweg te overwinnen.

Figuur 1-13: Werkenergie stroomt van bron naar belasting. Wrijving onderweg produceert warmte, waardoor de druk die bij de belasting aankomt, afneemt.

Energietransmissiemethoden

Er zijn vier manieren waarop machines energie van de bron naar de plaats waar arbeid wordt verricht, overbrengen:

Mechanische transmissie

Energie wordt overgebracht via fysieke beweging — hefbomen, kettingen, tandwielen, katrollen, riemen en nokken. De drager is een bewegend mechanisch onderdeel dat direct met de energiebron is verbonden.

Elektrische transmissie

Energie reist langs elektrische geleiders (draden) en wordt geleverd aan een elektrische actuator — een motor of solenoïde — om arbeid te verrichten.

Pneumatische transmissie

Energie reist via leidingen als persluchtstroom en wordt geleverd aan een pneumatische actuator (luchtcilinder of luchtmotor) om arbeid te verrichten.

Hydraulische Transmissie

Energie wordt via leidingen getransporteerd als onder druk staande vloeistof (olie) en wordt afgeleverd aan een hydraulische actuator (cilinder of motor) om mechanisch werk te verrichten. Dit is het onderwerp van deze gehele cursus.

Elke machine verricht uiteindelijk mechanisch werk. Energie in welke vorm dan ook — elektrisch, pneumatisch of hydraulisch — moet door een actuator weer worden omgezet in mechanische energie voordat de belasting kan worden verplaatst. Elke methode heeft voor- en nadelen, en veel machines combineren twee of meer methoden.

Figuur 1-17: Hydraulische transmissie transporteert energie als onder druk staande vloeistof. De cilinder of motor aan het einde zet deze weer om in mechanische kracht.

Systeemverlies

In elk echt transmissiesysteem wordt een deel van de energie omgezet in warmte door wrijving voordat deze de belasting bereikt. De werkende energie (kinetische energie onder druk) werkt op de oppervlakken in de leidingen en kleppen, waardoor weerstand en warmte ontstaan. Dit verlies manifesteert zich als een drukvermindering van bron naar belasting. De energie blijft behouden — ze verandert eenvoudig van vorm, wat het systeem minder efficiënt maakt.