Kapittel 1: Maskinenes fysiske verden

Maskiner er bygget for å erstatte menneskelig arbeidskraft. Likevel føler mange mennesker ubehag i nærheten av dem fordi de ikke forstår hvordan maskiner fungerer. Dette kapittelet definerer de grunnleggende fysiske begrepene — kraft, energi, arbeid, effekt og trykk — som dukker opp i hvert senere kapittel i denne kursen.

Figur 1-1 En typisk industriell hydraulisk kraftenhet. Pumpen, motoren, reservoaren og ventilen er ofte kombinert i ett hus som dette.

Kraft

En kraft er enhver handling som endrer — eller prøver å endre — bevegelsestilstanden til et objekt.

Newton (N)

SI-enheten for kraft er newton (N). I amerikanske standardenheter måles kraft i pund (lbs).

Tre måter kraft endrer bevegelse

En kraft kan gjøre tre ting med et objekt:

1. Starte objektet i bevegelse.
2. Bremse det ned eller stanse det.
3. Endre retningen på bevegelsen dens.

Motstand

Enhver kraft som senker farten eller stopper bevegelse kalles en motstand. De to vanligste motstandene i hydrauliske maskiner er friksjon og treghet.

Friksjon

Friksjon er den motstanden som oppstår ved kontaktflaten mellom to gjenstander som beveger seg — eller har tendens til å bevege seg — i forhold til hverandre.

Figur 1-3: Friksjon virker overalt der to flater er i kontakt og glir mot hverandre.

Inertien

Trehet er den egenskapen til et objekt å beholde sin nåværende bevegelsesstatus. Et objekt i ro forblir i ro; et bevegelig objekt fortsetter å bevege seg. Trehet er direkte knyttet til masse: et tyngre objekt er vanskeligere å sette i bevegelse eller å stanse.

Eksempel: En blykule har mer treghet enn en trekule. Spark til begge med samme kraft, og trekulen beveger seg raskere og lenger, noe som viser at blykulen motsetter seg endringen i bevegelse i større grad.

Energi

Energi er det en kraft besitter når den er i stand til å få noe til å bevege seg. Enkelt uttrykt: energi er evnen til å utføre arbeid.

Kinetisk energi

Kinetisk energi er energien til bevegelse. Ethvert bevegelig objekt har kinetisk energi fordi det kan skyve andre ting og få dem til å bevege seg. Jo tyngre og raskere det beveger seg, jo mer kinetisk energi har det.

Energiformer

Energi finnes i mange former: mekanisk, termisk (varme), elektrisk, lys, kjemisk og lydenergi.

Lov om energibevaring

Energi kan verken skapes eller ødelegges – den kan bare omformes fra én form til en annen. Dette er en av de viktigste lovene i fysikken.

Figur 1-6 Lov om energibevaring: energi blir aldri ødelagt, bare omformet til en annen form.

Energiomforming

Elektrisk energi fra en stikkontakt kan bli lys (i en lyspære), varme (i en varmepinne), mekanisk bevegelse (i en motor) eller lyd (i en høyttaler), avhengig av enheten. Energi bevares alltid – den endrer bare form.

Et annet eksempel: å gli nedover et tau omformer den kinetiske energien til kroppen til varme i tauet og hendene, noe som er grunnen til at friksjon senker farten og varmer opp tauet.

Energitilstander

Kinetisk energi — energi i bevegelse

Kinetisk energi representerer arbeid som allerede er utført — det er energi som et objekt har fordi det er i bevegelse. De fleste former for energi må være i kinetisk tilstand før de kan utføre nyttig arbeid.

Potensiell energi — lagret energi

Potensiell energi er lagret energi. Når riktige betingelser er oppfylt, omformes potensiell energi til kinetisk energi og fører til bevegelse. Potensiell energi stammer fra et objekts fysiske natur eller dets posisjon over et referansepunkt.

Eksempler: vann lagret i en hevet tank har potensiell energi på grunn av høyden — det kan renne nedover og utføre arbeid på et lavere nivå. En batteri som ikke er koblet til en krets lagrer kjemisk potensiell energi.

Figur 1-8 To kjente eksempler på potensiell energi: en hevet vannreservoartank og et oppladet batteri.

Omgjøring av energitilstand

Potensiell og kinetisk energi omgjøres fritt til hverandre. Vannet i en tårnreservoar er potensiell energi; når det renner nedover bakken blir det kinetisk energi; når det fyller en beholder og heves på nytt, blir det igjen potensiell energi.

Arbeid

Arbeid utføres når en kraft virker på et objekt og flytter det en viss avstand. Hvis ingenting beveger seg, utføres det ingen arbeid.

Joule, J = N·m

SI-enheten for arbeid er joule (J). I amerikanske tradisjonelle enheter måles arbeid i fot-pund (ft·lbs).

Arbeidsformel

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

Eksempel: En gaffeltruck hever hver palle 5 fot (1,524 m) med en kraft på 2 000 pund (8 880 N). Arbeidet som utføres per palle:

Figur 1–9 Arbeid = kraft × avstand. Gaffeltrucken utfører arbeid hver gang den løfter en palle.

Effekt

Arbeid utføres alltid på en viss tid. Effekt er hastigheten som arbeid utføres med – mengden arbeid som utføres per tidsenhet.

Effektformel

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

Ved å bruke gaffeltruck-eksempelet: hvis de 10 000 ft·lb arbeidet utføres på 5 sekunder, er effektutgangen:

Hestekreft (HP)

Hestekraft er den imperiale enheten for effekt. James Watt, som oppfant dampmaskinen, definerte den ved å sammenligne sin motor med en arbeidshest. Han fant ut at en hest kunne flytte 550 lb en avstand på 1 fot i løpet av 1 sekund:

Hestekraftformel

kW = HK × 0,746

For gaffeltruck-eksempelet: 2 000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3,6 HK (= 2 707 W = 2,71 kW).

Figur 1-11 James Watt definerte 1 HK som 550 ft·lbs per sekund etter å ha observert arbeidshester.

Trykk

Trykk måler intensiteten til en kraft – altså hvor konsentrert denne kraften er over et gitt areal. To objekter kan utøve samme totalkraft, men skape svært ulike trykk avhengig av kontaktarealet.

Hverdags-eksempel: høyhælssko versus flatt sko. Begge bærer samme kroppsvekt, men det små hælarealet konsentrerer vekten til et svært høyt trykk på gulvet, mens en flat såle spre samme kraft over et stort areal og produserer lavt trykk. Alle som har fått en hæl på foten forstår dette.

Trykkformel

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

Enhetsomregninger:

• 1 bar = 10^5 N/m² = 10^5 Pa
• 1 bar = ca. 14,5 psi
• Standard atmosfærisk trykk = 14,7 psia = 1,01 bar = 101 000 Pa

Eksempel: En blokk med et grunnflateareal på 100 in² (645 cm²) veier 100 lbs (444 N). Trykk = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). De samme 100 lbs på en stålnål med et grunnflateareal på 0,25 in² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Figur 1-12 Samme kraft, svært ulikt trykk. Jo mindre arealet er, jo høyere blir trykket.

Arbeidsenergi

Maskiner bruker vanligvis energi gjennom trykk. Trykk oppstår når kinetisk energi virker på overflaten til en last. Arbeidsenergi kombinerer kinetisk energi med trykk for å bevege lasten.

Omdanning av arbeidsenergi

I alle transmisjonssystemer går en del av arbeidsenergien tapt som friksjon på veien til lasten. Denne tapte energien blir ikke ødelagt – den omformes til varme. Den andelen av energien som omformes til varme utgjør systemets tap, og det er dette som gjør systemene ineffektive.

Trykket ved kilden er høyere enn trykket ved lasten fordi energi forbrukes for å overvinne friksjon i rør, ventiler og tilkoblinger underveis.

Figur 1-13: Arbeidsenergi strømmer fra kilde til last. Friksjon underveis produserer varme, noe som reduserer trykket som når frem til lasten.

Metoder for energioverføring

Det finnes fire måter å overføre energi fra kilden til der arbeid utføres på:

Mekanisk transmisjon

Energi beveger seg gjennom fysisk bevegelse – heisere, kjeder, tannhjul, taljer, remmer og kammer. Bæreren er en bevegelig mekanisk del som er direkte koblet til energikilden.

Elektrisk overføring

Energi beveger seg langs elektriske ledere (ledninger) og leveres til en elektrisk aktuator – en motor eller en magnetventil – for å utføre arbeid.

Pneumatisk overføring

Energi beveger seg gjennom rør som komprimert luftstrøm og leveres til en pneumatiske aktuator (luftsyliner eller luftmotor) for å utføre arbeid.

Hydraulisk transmisjon

Energi beveger seg gjennom rør som trykket væskestrøm (olje) og leveres til en hydraulisk aktuator (sylinder eller motor) for å utføre mekanisk arbeid. Dette er emnet for hele dette kurset.

Hver maskin utfører til slutt mekanisk arbeid. Energi i hvilken som helst form — elektrisk, pneumatisk eller hydraulisk — må omformes tilbake til mekanisk energi av en aktuator før lasten kan beveges. Hver metode har sine fordeler og ulemper, og mange maskiner kombinerer to eller flere metoder.

Figur 1-17: Hydraulisk overføring fører energi som trykket væske. Sylinderen eller motoren på enden omformer den tilbake til mekanisk kraft.

Systemtap

I ethvert reelt transmisjonssystem konverteres noe energi til varme ved friksjon før den når belastningen. Den arbeidende energien (kinetisk energi under trykk) virker på overflatene i rør og ventiler, noe som genererer motstand og varme. Denne tapet vises som en trykkfall fra kilde til belastning. Energien bevares – den endrer bare form, noe som gjør systemet mindre effektivt.