Capitolul 1: Lumea fizică a mașinilor

Mașinile sunt construite pentru a înlocui muncă umană. Totuși, mulți oameni se simt neliniștiți în prezența lor, deoarece nu înțeleg modul în care funcționează mașinile. Acest capitol definește conceptele fizice fundamentale — forță, energie, lucru mecanic, putere și presiune — care apar în fiecare capitol ulterior al acestui curs.

Figura 1-1 O unitate tipică industrială de alimentare hidraulică. Pompa, motorul, rezervorul și supapele sunt adesea combinate într-o singură carcasă, ca în această imagine.

Forță

O forță este orice acțiune care modifică — sau încearcă să modifice — starea de mișcare a unui obiect.

Newton (N)

Unitatea SI pentru forță este newtonul (N). În sistemul de unități obișnuite din SUA, forța se măsoară în lire-forță (lbs).

Trei moduri în care forța modifică mișcarea

O forță poate avea trei efecte asupra unui obiect:

1. Pune obiectul în mișcare.
2. Îl încetinește sau îl oprește.
3. Schimbați direcția mișcării sale.

Rezistență

Orice forță care încetinește sau oprește mișcarea se numește rezistență. Cele două rezistențe cele mai frecvente în mașinile hidraulice sunt frecarea și inerția.

Frișionare

Frecarea este rezistența care apare la suprafața de contact dintre oricare două obiecte aflate în mișcare — sau care tind să se miște — relativ unul față de celălalt.

Figura 1-3 Frecarea acționează oriunde două suprafețe sunt în contact și alunecă una față de cealaltă.

Inerție

Inerția este tendința unui obiect de a-și păstra starea actuală de mișcare. Un obiect aflat în repaus rămâne în repaus; un obiect în mișcare continuă să se miște. Inerția este direct legată de masă: un obiect mai masiv este mai greu de pus în mișcare sau de oprit.

Exemplu: O bilă de plumb are o inerție mai mare decât o bilă de lemn. Dacă loviți ambele cu aceeași forță, bila de lemn se deplasează mai repede și mai departe, ceea ce arată că bila de plumb se opune mai mult schimbării stării de mișcare.

Energie

Energia este ceea ce posedă o forță atunci când este capabilă să pună ceva în mișcare. În termeni simpli: energia este capacitatea de a efectua un lucru.

Energie cinetică

Energia cinetică este energia mișcării. Orice obiect în mișcare are energie cinetică, deoarece poate împinge alte obiecte și le poate pune în mișcare. Cu cât este mai masiv și se deplasează mai repede, cu atât are mai multă energie cinetică.

Forme de energie

Energia există sub mai multe forme: mecanică, termică (căldură), electrică, lumină, chimică și sonoră.

Legea conservării energiei

Energia nu poate fi nici creată, nici distrusă — poate fi doar transformată dintr-o formă în alta. Aceasta este una dintre cele mai importante legi din fizică.

Figura 1-6 Legea conservării energiei: energia nu este niciodată distrusă, ci doar transformată într-o altă formă.

Conversie Energetică

Energia electrică provenită dintr-o priză poate deveni lumină (într-o lampă), căldură (într-un încălzitor), mișcare mecanică (într-un motor) sau sunet (într-un difuzor), în funcție de dispozitivul utilizat. Energia este întotdeauna conservată — se schimbă doar forma sa.

Un alt exemplu: alunecarea pe o funie transformă energia cinetică a corpului în căldură în funie și în mâini, motiv pentru care frecarea vă încetinește și încălzește funia.

Stări ale energiei

Energie cinetică — energie în mișcare

Energia cinetică reprezintă lucrul mecanic care a fost deja efectuat — este energia pe care un obiect o deține datorită mișcării sale. Cele mai multe forme de energie trebuie să se afle în stare cinetică înainte de a putea efectua un lucru util.

Energie potențială — energie stocată

Energia potențială este energie stocată. Atunci când sunt îndeplinite condițiile potrivite, energia potențială se transformă în energie cinetică și determină mișcarea. Energia potențială provine din natura fizică a unui obiect sau din poziția sa deasupra unui punct de referință.

Exemple: apa stocată într-un rezervor ridicat are energie potențială datorită înălțimii sale — poate curge în jos și poate efectua lucru mecanic la un nivel inferior. O baterie neconectată la un circuit stochează energie potențială chimică.

Figura 1-8: Două exemple familiare de energie potențială: un turn de apă ridicat și o baterie încărcată.

Conversia stărilor de energie

Energia potențială și cea cinetică se transformă liber una în alta. Apa dintr-un rezervor este energie potențială; pe măsură ce curge în jos, devine energie cinetică; când umple un recipient și este ridicată din nou, devine din nou energie potențială.

Muncă

Se efectuează lucru mecanic atunci când o forță acționează asupra unui obiect și îl deplasează pe o anumită distanță. Dacă nimic nu se mișcă, nu se efectuează niciun lucru mecanic.

Joule, J = N·m

Unitatea SI pentru lucrul mecanic este joule-ul (J). În sistemul de unități obișnuite din SUA, lucrul mecanic se măsoară în foot-pounds (ft·lbs).

Formula lucrului mecanic

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

Exemplu: Un stivuitor ridică fiecare palet la o înălțime de 5 ft (1,524 m) cu o forță de 2.000 lbs (8.880 N). Lucrul mecanic efectuat pe fiecare palet:

Figura 1-9 Lucrul mecanic = forța × distanța. Macaraua cu furcă efectuează lucrul mecanic de fiecare dată când ridică o paletă.

Putere

Lucrul mecanic este întotdeauna efectuat într-un anumit interval de timp. Puterea este viteza cu care se efectuează lucrul mecanic — adică cantitatea de lucru mecanic efectuată pe unitate de timp.

Formula puterii

(W) = (m) × (N) / (s) sau (ft·lbf/s) = (ft) × (lbf) / (s)

Folosind exemplul macaralei cu furcă: dacă lucrul mecanic de 10.000 ft·lbf este efectuat în 5 secunde, puterea generată este:

Cai putere (CP)

Caii putere reprezintă unitatea imperială de putere. James Watt, care a inventat motorul cu abur, a definit această unitate comparându-și motorul cu un cal care lucrează. El a constatat că un cal poate deplasa o masă de 550 lbf pe o distanță de 1 ft în 1 secundă:

Formula cailor putere

kW = CP × 0,746

Pentru exemplul cu macaraua cu furcă: 2.000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3,6 CP (= 2.707 W = 2,71 kW).

Figura 1-11 James Watt a definit 1 CP ca fiind 550 ft·lbs pe secundă, după ce a observat cai care lucrau.

Presiune

Presiunea măsoară intensitatea unei forțe — cât de concentrată este această forță pe o anumită suprafață. Două obiecte pot exercita aceeași forță totală, dar pot genera presiuni foarte diferite, în funcție de aria de contact.

Exemplu din viața de zi cu zi: încălțăminte cu toc înalt versus încălțăminte plată. Ambele suportă aceeași greutate corporală, dar aria mică a tocilor concentrează această greutate, generând o presiune foarte mare asupra podelei, în timp ce o talpă plată răspândește aceeași forță pe o suprafață mai mare și produce o presiune scăzută. Orice persoană care a avut vreodată un toc care i-a căzut pe picior înțelege acest fenomen.

Formula presiunii

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

Conversii de unități:

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar = aproximativ 14,5 psi
• Presiunea atmosferică standard = 14,7 psia = 1,01 bar = 101.000 Pa

Exemplu: Un bloc cu o bază de 100 in² (645 cm²) cântărește 100 lb (444 N). Presiunea = 100 lb ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Aceleași 100 lb aplicate pe un cui de oțel cu o bază de 0,25 in² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Figura 1-12: Aceeași forță, presiuni foarte diferite. Cu cât aria este mai mică, cu atât presiunea este mai mare.

Energie de lucru

Modul în care mașinile folosesc energia este, de obicei, prin presiune. Presiunea este ceea ce rezultă atunci când energia cinetică acționează asupra suprafeței unei sarcini. Energia de lucru combină energia cinetică cu presiunea pentru a deplasa sarcina.

Conversia energiei de lucru

În toate sistemele de transmisie, o parte din energia de lucru se pierde datorită frecării pe parcursul către sarcină. Această energie pierdută nu este distrusă — se transformă în căldură. Frația de energie care se transformă în căldură reprezintă pierderea sistemului și este ceea ce face sistemele ineficiente.

Presiunea la sursă este mai mare decât presiunea la sarcină, deoarece energia este consumată pentru a învinge frecarea din conducte, supape și racorduri de-a lungul traseului.

Figura 1-13: Energia de lucru circulă de la sursă către sarcină. Frecarea de-a lungul traseului generează căldură, reducând presiunea care ajunge la sarcină.

Metode de transmitere a energiei

Există patru moduri în care mașinile transmit energia de la sursă către locul unde se efectuează lucrul:

Transmisie mecanică

Energia se transmite prin mișcare fizică — pârghii, lanțuri, roți dințate, scripeți, curele și came. Elementul purtător este o piesă mecanică mobilă conectată direct la sursa de energie.

Transmiterea electrică

Energia circulă de-a lungul conductorilor electrici (fire) și este livrată unui actionator electric — un motor sau un electromagnet — pentru a efectua lucrul.

Transmisie pneumatică

Energia circulă prin conducte sub formă de flux de aer comprimat și este livrată unui actionator pneumatic (cilindru pneumatic sau motor pneumatic) pentru a efectua lucrul.

TRANSMIȘIE HIDRAULICĂ

Energia circulă prin conducte sub formă de lichid (ulei) aflat sub presiune și este livrată unui actuator hidraulic (cilindru sau motor) pentru a efectua lucru mecanic. Acesta este subiectul întregului curs.

Fiecare mașină efectuează, în final, lucru mecanic. Energia, indiferent de forma sa — electrică, pneumatică sau hidraulică — trebuie transformată din nou în energie mecanică de către un actuator, înainte ca sarcina să poată fi deplasată. Fiecare metodă prezintă avantaje și dezavantaje, iar multe mașini combină două sau mai multe metode.

Figura 1-17: Transmisia hidraulică transportă energia sub formă de lichid aflat sub presiune. Cilindrul sau motorul de la capăt o transformă din nou în forță mecanică.

Pierdere a sistemului

În orice sistem real de transmisie, o parte din energie este transformată în căldură datorită frecării înainte de a ajunge la sarcină. Energia de lucru (energia cinetică sub presiune) acționează asupra suprafețelor din conducte și supape, generând rezistență și căldură. Această pierdere se manifestă ca o scădere a presiunii de la sursă la sarcină. Energia este conservată — se transformă pur și simplu dintr-o formă în alta, ceea ce face sistemul mai puțin eficient.