Глава 1: Физички свет машина

Машине су направљене да замењују људски рад. Ипак, многи људи се осећају непријатно око њих јер не разумеју како машине раде. Ово поглавље дефинише основне физичке концепте сила, енергија, рад, моћ и притисак који се појављују у сваком каснијем поглављу овог курса.

Слика 1-1 Типична индустријска хидрауличка електрана. Пумпа, мотор, резервоар и вентили се често комбинују у једном корпусу као што је овај.

Сила

Сила је свака акција која мења или покушава да промени стање покрета објекта.

Нјутон (Н)

Јединица силе у СИ-у је Њутон (Н). У америчким уобичајеним јединицама, сила се мери у фунтима (лбс).

Три начина на које сила мења покрет

Сила може учинити три ствари објекту:

1. Почните да покретате објекат.
2. Ублажи или заустави.
3. Промените правцу његовог кретања.

Otpornost

Свака сила која успорава или зауставља покрет назива се отпор. Два најчешћа отпора у хидрауличким машинама су тријање и инерција.

Фрикција

Фрикција је отпор који постоји на површини контакта између било које два предмета који се крећу или имају тенденцију да се крећу једна према другој.

Слика 1-3 Тријање делује где год су две површине у контакту и клизну једна против друге.

Инерција

Инерција је тенденција објекта да одржи своје тренутно стање кретања. Предмет у миру остаје у миру; објекат у покрету се креће. Инерција је директно повезана са масом: теже објект је теже покретати или зауставити.

Пример: Оловна лопта има више инерције од дрвене лопте. Ударите оба са истом силом и дрвена лопта путује брже и даље, што показује да оловна лопта више отпорје промени у покрету.

Енергија

Енергија је оно што сила поседује када је способна да нешто покреће. Једноставним речима: енергија је способност да се ради.

Кинетичка енергија

Кинетичка енергија је енергија кретања. Сваки објекат који се креће има кинетичку енергију јер може да гура друге ствари и да их покреће. Што је теже и брже креће се, то има више кинетичке енергије.

Форме енергије

Енергија постоји у многим облицима: механичка, топлотна (топла), електрична, светла, хемијска и звучна енергија.

Закон о очувању енергије

Енергија се никада не може стварање или уништавање она се може само претворити из једног облика у други. То је један од најважнијих закона физике.

Слика 1-6 Закон о очувању енергије: енергија се никада не уништава, само се претвара у други облик.

Преображај енергије

Електрична енергија из утичнице може постати светлост (у сијалици), топлота (у грејачу), механички покрет (у мотору) или звук (у звучнику), у зависности од уређаја. Енергија је увек конзервирана, само мења облик.

Још један пример: клизање по јару претвара кинетичку енергију тела у топлоту у јару и рукама, због чега течење успорава и греје јару.

Енергетске државе

Кинетичка енергија енергија у покрету

Кинетичка енергија представља рад који је већ извршен то је енергија коју објекат има јер се креће. Већина облика енергије мора бити у кинетичком стању пре него што могу да раде користан посао.

Потенцијална енергија складиштена енергија

Потенцијална енергија је складиштена енергија. Када су испуњени прави услови, потенцијална енергија се претвара у кинетичку енергију и изазива покрет. Потенцијална енергија долази из физичке природе објекта или његовог положаја изнад референтне тачке.

Примери: вода која се чува у подигнутом резервоару има потенцијалну енергију због своје висине она може да тече и ради на нижем нивоу. Батерија која није повезана са колама чува хемијску потенцијалну енергију.

Слика 1-8 Два позната примера потенцијалне енергије: подигнута водна кула и наплаћена батерија.

Преобраћај енергетске состојбе

Потенцијална и кинетичка енергија се слободно претварају напред и назад. Вода у кули је потенцијална енергија; док тече надоле постаје кинетичка енергија; када попуни контејнер и поново се подигне, поново постаје потенцијална енергија.

Ради

Рад се врши када сила делује на објекат и помера га на даљину. Ако се ништа не креће, никакав посао се не ради.

Џоул, Ј = Н·м

Јединица рада у СИ-у је џуљ (Ј). У америчким уобичајеним јединицама, рад се мери у стопалима-фунтима (фт·фунти).

Радна формула

(Ј) = (м) х (Н) или (ф.лб) = (ф) х (фб)

Пример: Вилични подносилач подиже сваки палет 5 фута (1.524 м) са силом од 2.000 фунти (8.880 Н). Радови извршени по палици:

Слика 1-9 Рад = сила × удаљеност. Вилични подносилач ради сваки пут када подиже палету.

Snagu

Рад се увек врши у одређеном времену. Моћ је стопа на којој се ради количина рада извршеног по јединици времена.

Формула снаге

(В) = (м) х (Н) / (с) или (ф.лб/с) = (ф) х (лб) / (с)

Коришћењем примера виличног подносилача: ако се рад од 10.000 фута ради за 5 секунди, снага излазне снаге је:

Snaga (HP)

Коњска снага је царска јединица снаге. Џејмс Ват, који је измислио парну машину, дефинисао је тако што је свој мотор упоредио са коњем који ради. Открио је да коњ може да помера 550 фунти на удаљеност од 1 фута за 1 секунду:

Формула за коњску снагу

кВт = КС х 0,746

За пример виличног подносилача: 2,000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3.6 HP (= 2,707 W = 2.71 kW).

Слика 1-11 Џејмс Ват дефинисао је 1 ХП као 550 фута / фунта у секунди након што је посматрао радне коње.

Pritisak

Притисак мери интензитет силе колико је та сила концентрисана на датом подручју. Два предмета могу да израде исту укупну силу, али стварају веома различите притиске у зависности од површине контакта.

Свакодневни пример: ципеле са високим петењем против плоских ципела. Оба имају исту тежину тела, али мало подручје пете концентрише је у веома висок притисак на под, док плоска подоља шири исту снагу на велику површину и ствара низак притисак. Свако ко је имао пету на нози разуме то.

Формула притиска

(Па = Н/м2) = (Н) / (м2) или (пси) = (лб) / (ин2)

Преобраћај јединица:

• 1 бар = 10^5 Н/м^2 = 10^5 Па
• 1 бар = око 14,5 пси
• Стандардни атмосферски притисак = 14,7 псиа = 1,01 бар = 101,000 Па

Пример: Блок са 100 ин2 (645 цм2) база тежи 100 фунти (444 Н). Притисак = 100 фунти ÷ 100 ин2 = 1 пси (0,07 бара). Исти 100 фунти на челични пин са 0,25 ин2 (1,6 цм2) база: 100 ÷ 0,25 = 400 пси (27,6 бара).

Слика 1-12 Исте снаге, веома другачији притисак. Што је површина мања, то је притисак већи.

Радна енергија

Начин на који машине користе енергију обично је кроз притисак. Притисак је оно што добијете када кинетичка енергија делује на површину оптерећења. Радна енергија комбинује кинетичку енергију са притиском како би се кретала оптерећење.

Преобраћај радне енергије

У свим преносним системима, нека радна енергија се губи у трну на путу до оптерећења. Ова изгубљена енергија се не уништава, већ се претвара у топлоту. Део енергије који се претвара у топлоту је губитак система, и то чини системе неефикасним.

Тешкост на извора је већа од притиска на оптерећењу јер се потроши енергија превазилаже трње у цеви, вентилима и фитингама дуж пута.

Слика 1-13 Проток радне енергије од извора до оптерећења. Трчење на путу ствара топлоту, што смањује притисак који стиже до оптерећења.

Методе преноса енергије

Постоје четири начина на које машине преносе енергију са извора на место где се ради:

Механички пренос

Енергија се креће кроз физичко кретање - лостове, ланаче, зубрезе, штапке, појасе и каме. Носач је покретни механички део који је директно повезан са извора енергије.

Електрични пренос

Енергија путује дуж електричних проводника (провода) и доноси се електричном покретачу мотору или соленоиду да би радила.

Pneumaticka transmisija

Енергија путује кроз цеви као проток компресисаног ваздуха и доноси се пневматичком покретачу (воздушни цилиндр или ваздушни мотор) да ради.

Хидраулички пренос

Енергија пролази кроз цеви као течност под притиском (масло) и доноси се хидрауличком покретачу (цилиндру или мотору) да би се урадио механички рад. То је тема целог овог курса.

Свака машина на крају ради механички посао. Енергија у било ком облику електрична, пнеуматичка, хидраулична мора бити преображена назад у механичку енергију од стране покретача пре него што се оптерећење може померати. Свака метода има своје предности и недостатке, а многе машине комбинују две или више метода.

Слика 1-17 Хидраулички пренос преноси енергију као течност под притиском. Цилиндр или мотор на крају га враћа у механичку силу.

Губитак система

У сваком стварном преносном систему, нека енергија се преобразује у топлоту трњем пре него што дође до оптерећења. Радна енергија (кинетичка енергија под притиском) делује на површине у цевима и вентилима, стварајући отпор и топлоту. Овај губитак се показује као пад притиска од извора до оптерећења. Енергија се конзервише једноставно мења облик, што чини систем мање ефикасним.