Rozdział 1: Świat fizyczny maszyn

Maszyny zostały zaprojektowane w celu zastąpienia pracy ludzkiej. Jednak wiele osób odczuwa niepokój w ich obecności, ponieważ nie rozumie zasad działania maszyn. W tym rozdziale zdefiniowano podstawowe pojęcia fizyczne — siłę, energię, pracę, moc i ciśnienie — które pojawiają się w każdym kolejnym rozdziale tego kursu.

Rysunek 1-1 Typowa przemysłowa jednostka hydrauliczna. Pompa, silnik, zbiornik i zawory są często połączone w jednej obudowie, jak na rysunku.

Siła

Siła to każde działanie zmieniające — lub próbujące zmienić — stan ruchu obiektu.

Niuton (N)

Jednostką siły w układzie SI jest niuton (N). W amerykańskim układzie jednostek zwyczajowych siłę mierzy się w funtach (lbs).

Trzy sposoby, w jakie siła zmienia ruch

Siła może wpływać na obiekt na trzy sposoby:

1. Rozpocząć ruch obiektu.
2. Zwolnić go lub zatrzymać.
3. Zmień kierunek jego ruchu.

Opór

Dowolna siła, która spowalnia lub zatrzymuje ruch, nazywana jest oporem. Dwa najbardziej powszechne opory w maszynach hydraulicznych to tarcie i bezwładność.

Tarcza tarciowa

Tarcie to opór występujący na powierzchni kontaktu między dowolnymi dwoma obiektami poruszającymi się — lub dążącymi do poruszania się — względem siebie.

Rysunek 1-3: Tarcie działa wszędzie tam, gdzie dwie powierzchnie są w kontakcie i ślizgają się względem siebie.

Inercja

Bezwładność to cecha obiektu polegająca na utrzymywaniu jego obecnego stanu ruchu. Ciało spoczywające pozostaje w spoczynku, a ciało poruszające się nadal się porusza. Bezwładność jest bezpośrednio związana z masą: cięższy obiekt trudniej jest wprawić w ruch lub zatrzymać.

Przykład: Kula ołowiana ma większą bezwładność niż kula drewniana. Kopnij obie z taką samą siłą — kula drewniana przemieści się szybciej i na większą odległość, co pokazuje, że kula ołowiana bardziej opiera się zmianie stanu ruchu.

Energia

Energia to cecha siły, która pozwala jej spowodować ruch czegoś. W uproszczeniu: energia to zdolność do wykonania pracy.

Energię kinetyczną

Energia kinetyczna to energia ruchu. Każdy poruszający się obiekt posiada energię kinetyczną, ponieważ może przesuwać inne przedmioty i powodować ich ruch. Im cięższy i szybszy jest ten obiekt, tym większą energię kinetyczną posiada.

Postacie energii

Energia występuje w wielu postaciach: mechanicznej, cieplnej (ciepło), elektrycznej, świetlnej, chemicznej oraz dźwiękowej.

Prawo zachowania energii

Energia nigdy nie może zostać stworzona ani zniszczona — może jedynie ulec przemianie z jednej postaci w inną. Jest to jedno z najważniejszych praw fizyki.

Rysunek 1-6 Prawo zachowania energii: energia nigdy nie ulega zniszczeniu, lecz tylko przemianie w inną postać.

Konwersja energii

Energia elektryczna pobierana z gniazdka może zostać przemieniona w światło (w żarówce), ciepło (w grzejniku), ruch mechaniczny (w silniku) lub dźwięk (w głośniku), w zależności od rodzaju urządzenia. Energia zawsze pozostaje zachowana — zmienia jedynie swoją postać.

Inny przykład: zsuwanie się po linie przekształca energię kinetyczną ciała w ciepło wydzielane w linie i dłoniach, dlatego też tarcie spowalnia ruch i nagrzewa linę.

Stany energii

Energia kinetyczna — energia ruchu

Energia kinetyczna reprezentuje pracę, która została już wykonana — jest to energia, którą obiekt posiada ze względu na swój ruch. Większość form energii musi znajdować się w stanie kinetycznym, zanim będzie mogła wykonać użyteczną pracę.

Energia potencjalna — energia zgromadzona

Energia potencjalna to energia zgromadzona. Gdy spełnione są odpowiednie warunki, energia potencjalna przekształca się w energię kinetyczną i powoduje ruch. Energia potencjalna pochodzi od fizycznej natury obiektu lub jego położenia nad punktem odniesienia.

Przykłady: woda zgromadzona w zbiorniku umieszczonym na wysokości ma energię potencjalną wynikającą ze swojej wysokości — może spływać w dół i wykonywać pracę na niższym poziomie. Bateria niepodłączona do obwodu przechowuje chemiczną energię potencjalną.

Rysunek 1-8: Dwa znane przykłady energii potencjalnej: wieża ciśnień i naładowana bateria.

Przekształcanie stanów energii

Energia potencjalna i kinetyczna przekształcają się swobodnie jedna w drugą. Woda w wieży ma energię potencjalną; podczas przepływu w dół staje się energią kinetyczną; gdy napełnia pojemnik i jest ponownie podnoszona, znów staje się energią potencjalną.

Praca

Praca jest wykonywana, gdy siła działa na obiekt i przesuwa go o pewną odległość. Jeśli nic się nie porusza, praca nie jest wykonywana.

Dżul, J = N·m

Jednostką pracy w układzie SI jest dżul (J). W amerykańskim układzie jednostek zwyczajowych pracę mierzy się w stopa-funtach (ft·lbs).

Wzór na pracę

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

Przykład: Wózek widłowy podnosi każdy paletę na wysokość 5 ft (1,524 m) z siłą 2000 lbs (8880 N). Praca wykonana na jedną paletę:

Rysunek 1–9 Praca = siła × droga. Wózek widłowy wykonuje pracę za każdym razem, gdy podnosi paletę.

Moc

Praca jest zawsze wykonywana w określonym czasie. Moc to szybkość, z jaką praca jest wykonywana — czyli ilość pracy wykonanej w jednostce czasu.

Wzór na moc

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

Korzystając z przykładu wózka widłowego: jeśli praca o wartości 10 000 ft·lb jest wykonana w ciągu 5 sekund, moc wynosi:

Moc koni (KM)

Konna moc (HP) to imperialna jednostka mocy. James Watt, który wynalazł silnik parowy, zdefiniował ją, porównując moc swojego silnika do mocy pracującego konia. Stwierdził, że koń jest w stanie przesunąć ciężar 550 lb na odległość 1 ft w ciągu 1 sekundy:

Wzór na konna moc (HP)

kW = KM × 0,746

W przykładzie z wózkiem widłowym: 2 000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3,6 KM (= 2 707 W = 2,71 kW).

Rysunek 1-11 James Watt zdefiniował 1 KM jako 550 ft·lbs na sekundę, obserwując pracujące konie.

Ciśnienie

Ciśnienie określa intensywność siły — czyli, jak bardzo ta siła jest skoncentrowana na danej powierzchni. Dwa obiekty mogą wywierać tę samą całkowitą siłę, ale generować zupełnie różne ciśnienia w zależności od powierzchni styku.

Przykład z życia codziennego: buty na wysokich obcasach kontra buty płaskie. Oba rodzaje obuwia przenoszą tę samą masę ciała, lecz niewielka powierzchnia obcasa skupia ją w bardzo wysokie ciśnienie na podłodze, podczas gdy podeszwa płaska rozprasza tę samą siłę na dużą powierzchnię, tworząc niskie ciśnienie. Każdy, kto kiedykolwiek miał obcas stojący mu na stopie, doskonale to rozumie.

Wzór na ciśnienie

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

Przeliczniki jednostek:

• 1 bar = 10^5 N/m² = 10^5 Pa
• 1 bar ≈ 14,5 psi
• Standardowe ciśnienie atmosferyczne = 14,7 psia = 1,01 bar = 101 000 Pa

Przykład: Blok o powierzchni podstawy 100 cali² (645 cm²) waży 100 funtów (444 N). Ciśnienie = 100 funtów ÷ 100 cali² = 1 psi (0,07 bar). To samo 100 funtów działające na stalowy kołek o powierzchni podstawy 0,25 cala² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Rysunek 1-12: Ta sama siła, bardzo różne ciśnienia. Im mniejsza powierzchnia, tym wyższe ciśnienie.

Energia robocza

Maszyny zazwyczaj wykorzystują energię poprzez ciśnienie. Ciśnienie powstaje, gdy energia kinetyczna działa na powierzchni obciążenia. Energia robocza łączy energię kinetyczną z ciśnieniem w celu przesunięcia obciążenia.

Konwersja energii roboczej

W każdym układzie przekładni część energii roboczej ulega stracie na skutek tarcia w trakcie przekazywania do obciążenia. Ta stracona energia nie znika — przekształca się w ciepło. Ułamek energii przekształconej w ciepło stanowi stratę układu i jest właśnie tym czynnikiem, który sprawia, że układy są nieefektywne.

Ciśnienie w źródle jest wyższe niż ciśnienie przy obciążeniu, ponieważ energia jest zużywana na pokonanie tarcia w przewodach, zaworach i armaturze na całej drodze.

Rysunek 1-13: Energia robocza przepływa ze źródła do obciążenia. Tarcie występujące wzdłuż drogi przepływu generuje ciepło, co powoduje obniżenie ciśnienia docierającego do obciążenia.

Metody przekazywania energii

Istnieje cztery sposoby przekazywania energii przez maszyny ze źródła do miejsca, w którym wykonywana jest praca:

Mechaniczne przekazywanie ruchu

Energia przemieszcza się za pośrednictwem ruchu fizycznego — dźwigni, łańcuchów, przekładni, bloczków, pasów i wałów krzywkowych. Nośnikiem jest poruszająca się część mechaniczna bezpośrednio połączona ze źródłem energii.

Przesył elektryczny

Energia przemieszcza się wzdłuż przewodników elektrycznych (przewodów) i jest dostarczana do aktuatora elektrycznego — silnika lub elektrozaworu — w celu wykonania pracy.

Przekaz pneumatyczny

Energia przemieszcza się w przewodach w postaci przepływu sprężonego powietrza i jest dostarczana do aktuatora pneumatycznego (cylindra pneumatycznego lub silnika pneumatycznego) w celu wykonania pracy.

HYDRAULICZNA TRANSMISJA

Energia przemieszcza się przez rury w postaci cieczy pod ciśnieniem (oleju) i jest dostarczana do siłownika hydraulicznego (cylindra lub silnika), który wykonuje pracę mechaniczną. Jest to główny temat całego tego kursu.

Każda maszyna ostatecznie wykonuje pracę mechaniczną. Energia w dowolnej formie — elektryczna, pneumatyczna lub hydrauliczna — musi zostać przekształcona z powrotem w energię mechaniczną przez siłownik, zanim będzie możliwe przesunięcie obciążenia. Każda z tych metod ma swoje zalety i wady, a wiele maszyn wykorzystuje jednocześnie dwie lub więcej metod.

Rysunek 1-17: Przenoszenie energii hydraulicznej odbywa się za pośrednictwem cieczy pod ciśnieniem. Cylinder lub silnik na końcu przekształca ją z powrotem w siłę mechaniczną.

Strata w systemie

W każdym rzeczywistym układzie przekładni pewna ilość energii jest zamieniana na ciepło przez tarcie zanim osiągnie odbiornik. Energia robocza (energia kinetyczna pod ciśnieniem) działa na powierzchnie rur i zaworów, wywołując opór i powstawanie ciepła. Strata ta objawia się spadkiem ciśnienia od źródła do odbiornika. Energia jest zachowana — zmienia jedynie swoją postać, co sprawia, że układ staje się mniej wydajny.