Kapitola 1: Fyzický svet strojov

Stroje sú vyvinuté na náhradu ľudskej práce. Napriek tomu sa mnohým ľuďom v ich blízkosti cítia nepohodlne, pretože nechápajú, ako stroje fungujú. Táto kapitola definuje základné fyzikálne pojmy – sila, energia, práca, výkon a tlak – ktoré sa objavia v každej nasledujúcej kapitole tohto kurzu.

Obrázok 1-1 Typická priemyselná hydraulická pohonná jednotka. Čerpadlo, motor, nádrž a ventily sú často kombinované v jednom kryte, ako je tento.

Sila

Sila je akékoľvek pôsobenie, ktoré mení – alebo sa snaží zmeniť – pohybový stav telesa.

Newton (N)

SI jednotkou sily je newton (N). V amerických bežných jednotkách sa sila meria v librách (lbs).

Tri spôsoby, ako sila mení pohyb

Sila môže s telesom urobiť tri veci:

1. Uvedie teleso do pohybu.
2. Spomalí ho alebo ho zastaví.
3. Zmeňte smer jeho pohybu.

Odolnosť

Akákoľvek sila, ktorá spomaľuje alebo zastavuje pohyb, sa nazýva odpor. Dva najbežnejšie odpory v hydraulických strojoch sú trenie a zotrvačnosť.

Třeníkové

Trenie je odpor, ktorý vzniká na styčnej ploche medzi akýmikoľvek dvoma predmetmi, ktoré sa pohybujú – alebo majú tendenciu sa pohybovať – voči sebe.

Obrázok 1-3: Trenie pôsobí všade tam, kde sú dve povrchy v kontakte a posúvajú sa po sebe.

Inercia

Zotrvačnosť je tendencia telesa udržiavať svoj súčasný stav pohybu. Teleso v pokoji zostáva v pokoji; pohybujúce sa teleso pokračuje v pohybe. Zotrvačnosť je priamo úmerná hmotnosti: ťažšie teleso je ťažšie uviesť do pohybu alebo zastaviť.

Príklad: Olovená guľa má väčšiu zotrvačnosť ako drevená guľa. Ak obidve kopnete rovnakou silou, drevená guľa sa pohne rýchlejšie a prejde väčšiu vzdialenosť, čo ukazuje, že olovená guľa viac odoláva zmene pohybu.

Energia

Energia je to, čo má sila, keď je schopná spôsobiť pohyb niečoho. Jednoducho povedané: energia je schopnosť vykonávať prácu.

Kinetickú energiu

Kinetická energia je energia pohybu. Každý pohybujúci sa objekt má kinetickú energiu, pretože môže tlačiť iné veci a spôsobiť ich pohyb. Čím je ťažší a rýchlejší, tým viac kinetickej energie má.

Formy energie

Energia existuje v mnohých formách: mechanická, tepelná (teplo), elektrická, svetelná, chemická a zvuková energia.

Zákon zachovania energie

Energia sa nikdy nemôže vytvoriť ani zničiť – môže sa len meniť z jednej formy na inú. Ide o jeden z najdôležitejších zákonov vo fyzike.

Obrázok 1–6 Zákon zachovania energie: energia sa nikdy nezničí, len sa mení na inú formu.

Prevod energie

Elektrická energia zo zásuvky sa môže premieniť na svetlo (v žiarovke), teplo (v kúriacom zariadení), mechanický pohyb (v motore) alebo zvuk (v reproduktore), podľa toho, aké zariadenie sa používa. Energia sa vždy zachováva – len mení svoju formu.

Iný príklad: šmyk po lane premieňa kinetickú energiu tela na teplo v lane a v rukách, preto sa trenie spomaľuje a zahrieva lano.

Stavy energie

Kinetická energia — energia pohybu

Kinetická energia predstavuje prácu, ktorá už bola vykonaná — ide o energiu, ktorú má teleso v dôsledku svojho pohybu. Väčšina foriem energie musí byť v kinetickom stave, kým môže vykonať užitočnú prácu.

Potenciálna energia — uložená energia

Potenciálna energia je uložená energia. Keď sú splnené vhodné podmienky, potenciálna energia sa mení na kinetickú energiu a spôsobuje pohyb. Potenciálna energia vyplýva z fyzikálnej povahy telesa alebo z jeho polohy nad referenčným bodom.

Príklady: voda uložená v zvýšenej nádrži má potenciálnu energiu v dôsledku svojej výšky — môže prúdiť nadol a vykonať prácu na nižšej úrovni. Batéria nepripojená do obvodu uchováva chemickú potenciálnu energiu.

Obrázok 1-8 Dva známe príklady potenciálnej energie: zvýšená vodná veža a nabitá batéria.

Premena energetického stavu

Potenciálna a kinetická energia sa navzájom voľne premieňajú. Voda v veži predstavuje potenciálnu energiu; keď tečie z kopca, mení sa na kinetickú energiu; keď naplní nádobu a je znovu zdvihnutá, opäť sa mení na potenciálnu energiu.

Fungujú

Práca sa vykoná, keď sila pôsobí na objekt a posunie ho o určitú vzdialenosť. Ak sa nič nepohne, práca sa nevykoná.

Joule, J = N·m

SI jednotkou práce je joule (J). V americkom bežnom systéme jednotiek sa práca meria v stopa-librách (ft·lbs).

Vzorec pre výpočet práce

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

Príklad: Vysokozdvihový vozík zdvihne každú paletu do výšky 5 ft (1,524 m) silou 2 000 lbs (8 880 N). Práca vykonaná na jednu paletu:

Obrázok 1–9 Práca = sila × vzdialenosť. Vždy, keď zdvíha paletu, vykonáva čelný zdvihák prácu.

Výkon

Práca sa vždy vykonáva počas určitého časového intervalu. Výkon je rýchlosť, akou sa práca vykonáva – teda množstvo práce vykonanej za jednotku času.

Vzorec pre výkon

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

Použitím príkladu s čelným zdvihákom: ak sa práca 10 000 ft·lb vykoná za 5 sekúnd, výstupný výkon je:

Výkon (HP)

Koňská sila je imperiálna jednotka výkonu. James Watt, ktorý vynašiel parný stroj, definoval túto jednotku porovnaním výkonu svojho stroja s výkonom pracujúceho koňa. Zistil, že kôň dokáže presunúť záťaž 550 lb o vzdialenosť 1 ft za 1 sekundu:

Vzorec pre koňskú silu

kW = HP × 0,746

Pre príklad s paletovým vozíkom: 2 000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3,6 HP (= 2 707 W = 2,71 kW).

Obrázok 1-11 James Watt definoval 1 HP ako 550 ft·lbs za sekundu po pozorovaní pracujúcich koní.

Tlak

Tlak meria intenzitu sily – teda, ako je táto sila skoncentrovaná na danej ploche. Dva predmety môžu pôsobiť rovnakou celkovou silou, avšak vytvárať veľmi odlišný tlak v závislosti od plochy kontaktu.

Každodenný príklad: topánky s vysokým podpätkom oproti topánkam so širokou podrážkou. Obe držia rovnakú telesnú hmotnosť, avšak malá plocha podpätku koncentruje túto hmotnosť do veľmi vysokého tlaku na podlahu, kým široká podrážka rozprestiera rovnakú silu cez väčšiu plochu a vytvára nízky tlak. Každý, kto už niekedy cítil, ako mu na chodidlo pristála päta, to dobre pochopí.

Vzorec pre tlak

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

Prevody jednotiek:

• 1 bar = 10^5 N/m² = 10^5 Pa
• 1 bar = približne 14,5 psi
• Štandardný atmosférický tlak = 14,7 psia = 1,01 bar = 101 000 Pa

Príklad: Blok so základňou 100 in² (645 cm²) váži 100 libier (444 N). Tlak = 100 libier ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Rovnakých 100 libier na oceľovej kolík s plochou základne 0,25 in² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Obrázok 1-12 Rovnaká sila, veľmi odlišný tlak. Čím menšia je plocha, tým vyšší je tlak.

Pracovná energia

Spôsob, akým stroje využívajú energiu, je zvyčajne prostredníctvom tlaku. Tlak vzniká, keď sa kinetická energia pôsobením prejaví na povrchu zaťaženia. Pracovná energia kombinuje kinetickú energiu s tlakom, aby sa zaťaženie posunulo.

Premena pracovnej energie

V každom prenosovom systéme sa pri prenose energie k zaťaženiu stráca určitá časť pracovnej energie na trenie. Táto stratová energia nie je zničená – mení sa na teplo. Zlomok energie, ktorý sa mení na teplo, predstavuje straty systému a je to práve on, čo spôsobuje neefektívnosť systémov.

Tlak vo zdroji je vyšší ako tlak v zaťažení, pretože sa energia spotrebuje na prekonávanie trenia v potrubí, ventiloch a príslušenstve po celej trase.

Obrázok 1-13: Pracovná energia prechádza zo zdroja do zaťaženia. Trenie po celej trase vytvára teplo, čím sa zníži tlak, ktorý dosiahne zaťaženie.

Spôsoby prenosu energie

Stroje prenášajú energiu zo zdroja na miesto, kde sa vykonáva práca, štyrmi spôsobmi:

Mechanická prevodnica

Energia sa prenáša fyzickým pohybom – pákami, reťazami, ozubenými kolesami, kladkami, remeňmi a kamovými hriadeľmi. Nosným prvkom je pohybujúca sa mechanická súčiastka priamo spojená so zdrojom energie.

Elektrický prenos

Energia sa prenáša elektrickými vodičmi (vodičmi) a dodáva sa elektrickému aktuátoru – motoru alebo solenoidu – na vykonanie práce.

Pneumatická prevodnica

Energia sa prenáša potrubím vo forme stlačeného vzduchu a dodáva sa pneumatickému aktuátoru (vzduchovému valci alebo vzduchovému motoru) na vykonanie práce.

Hydraulická prevodnica

Energia sa prenáša potrubím ako stlačená kvapalina (olej) a dodáva sa hydraulickému aktuátoru (valcu alebo motora), ktorý vykonáva mechanickú prácu. Toto je predmetom celého tohto kurzu.

Každý stroj nakoniec vykonáva mechanickú prácu. Energia v akejkoľvek forme – elektrická, pneumatická, hydraulická – sa musí pomocou aktuátora znovu previesť na mechanickú energiu, kým sa bude môcť záťaž posúvať. Každá metóda má svoje výhody a nevýhody a mnoho strojov kombinuje dve alebo viac metód.

Obrázok 1-17: Hydraulický prenos prenáša energiu ako stlačenú kvapalinu. Valcový alebo motorový aktuátor na konci ju opäť prevedie na mechanickú silu.

Strata systému

V každom reálnom prenosovom systéme sa predtým, než energia dosiahne záťaž, časť energie premení trením na teplo. Pracovná energia (kinetická energia pod tlakom) pôsobí na povrchy v potrubiach a ventiloch, čím vyvoláva odpor a teplo. Táto strata sa prejavuje poklesom tlaku od zdroja po záťaž. Energia sa zachováva – jednoducho mení svoju formu, čo spôsobuje zníženie účinnosti systému.