Kapitel 1: Maskinernas fysiska värld

Maskiner är byggda för att ersätta mänsklig arbetskraft. Trots detta känner många människor en obekväm känsla i närheten av maskiner eftersom de inte förstår hur de fungerar. Detta kapitel definierar de grundläggande fysikaliska begreppen — kraft, energi, arbete, effekt och tryck — som återkommer i varje senare kapitel i denna kurs.

Figur 1-1 En typisk industriell hydraulisk kraftenhet. Pumpen, motorn, reservoaren och ventilerna är ofta sammansatta i ett gemensamt hölje som detta.

Kraft

En kraft är varje verkan som förändrar — eller försöker förändra — ett föremåls rörelsetillstånd.

Newton (N)

SI-enheten för kraft är newton (N). I amerikanska traditionella enheter mäts kraft i pund (lbs).

Tre sätt kraft påverkar rörelse

En kraft kan påverka ett föremål på tre sätt:

1. Sätta igång föremålet i rörelse.
2. Bromsa ner det eller stoppa det.
3. Ändra riktningen på dess rörelse.

Motstånd

Varje kraft som bromsar in eller stoppar rörelse kallas en motstånd. De två vanligaste motstånden i hydrauliska maskiner är friktion och tröghet.

Friktion

Friktion är den motstånd som uppstår vid kontaktytan mellan två objekt som rör sig – eller har tendens att röra sig – i förhållande till varandra.

Figur 1-3 Friktion verkar överallt där två ytor är i kontakt och glider mot varandra.

Inerti

Tröghet är en kropps benägenhet att behålla sitt nuvarande rörelsetillfälle. Ett föremål i vila förblir i vila; ett föremål i rörelse fortsätter att röra sig. Tröghet är direkt kopplad till massa: ett tyngre föremål är svårare att sätta i rörelse eller att stoppa.

Exempel: En blyboll har större tröghet än en träboll. Sparka till båda med samma kraft och träbollen färdas snabbare och längre, vilket visar att blybollen motverkar förändringen i rörelse i högre grad.

Energi

Energi är det som en kraft besitter när den är kapabel att få något att röra sig. I enkla termer: energi är förmågan att utföra arbete.

Kinetisk energi

Rörelseenergi är energin hos rörelse. Alla föremål som rör sig har rörelseenergi eftersom de kan trycka på andra saker och få dem att röra sig. Ju tyngre och snabbare det rör sig, desto mer rörelseenergi har det.

Energi former

Energi finns i många former: mekanisk, termisk (värme), elektrisk, ljus-, kemisk och ljudenergi.

Lagen om energins bevarande

Energi kan aldrig skapas eller förstöras – den kan endast omvandlas från en form till en annan. Detta är en av de viktigaste lagarna inom fysiken.

Figur 1-6 Lagen om energins bevarande: energi förstörs aldrig, utan omvandlas endast till en annan form.

Energiomvandling

Elektrisk energi från ett eluttag kan omvandlas till ljus (i en glödlampa), värme (i en värmare), mekanisk rörelse (i en motor) eller ljud (i en högtalare), beroende på enheten. Energi bevaras alltid – den byter bara form.

Ett annat exempel: att glida nerför ett rep omvandlar kroppens rörelseenergi till värme i repet och i händerna, vilket är anledningen till att friktionen bromsar dig och värmer repet.

Energitillstånd

Rörelseenergi — energi i rörelse

Rörelseenergi representerar arbete som redan utförts — det är den energi ett föremål har på grund av sin rörelse. De flesta former av energi måste befinna sig i rörelseenergitillståndet innan de kan utföra nyttigt arbete.

Potentiell energi — lagrad energi

Potentiell energi är lagrad energi. När rätt förutsättningar är uppfyllda omvandlas potentiell energi till rörelseenergi och orsakar rörelse. Potentiell energi härrör från ett föremåls fysiska egenskaper eller dess position ovanför en referenspunkt.

Exempel: vatten lagrat i en högt belägen tank har potentiell energi på grund av sin höjd — det kan rinna neråt och utföra arbete på en lägre nivå. En batteri som inte är anslutet till en krets lagrar kemisk potentiell energi.

Figur 1-8 Två välkända exempel på potentiell energi: en högt belägen vattentorn och ett laddat batteri.

Omvandling mellan energitillstånd

Potentiell och kinetisk energi omvandlas fritt mellan varandra. Vattnet i en vattentorn är potentiell energi; när det rinner nerför släpps den om till kinetisk energi; när det fyller en behållare och lyfts upp igen blir det potentiell energi igen.

Arbete

Arbete utförs när en kraft verkar på ett föremål och förflyttar det en viss sträcka. Om ingenting rör sig utförs inget arbete.

Joule, J = N·m

SI-enheten för arbete är joule (J). I amerikanska enhetssystemet mäts arbete i fot-pund (ft·lbs).

Arbetsformel

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

Exempel: En gaffeltruck lyfter varje pall 5 ft (1,524 m) med en kraft på 2 000 lbs (8 880 N). Arbetet som utförs per pall:

Figur 1–9 Arbete = kraft × avstånd. Gaffeltrucken utför arbete varje gång den lyfter en pall.

Ström

Arbete utförs alltid på en viss tid. Effekt är den hastighet med vilken arbete utförs – mängden arbete som utförs per tidsenhet.

Effektfomel

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

Med gaffeltruckexemplet: om de 10 000 ft·lb arbetet utförs på 5 sekunder, är effektuttaget:

Hästkraft (HP)

Hästkraft är den imperiala enheten för effekt. James Watt, som uppfunnit ångmaskinen, definierade den genom att jämföra sin maskin med en arbetande häst. Han fann att en häst kunde förflytta 550 lb en sträcka av 1 ft på 1 sekund:

Hästkraftformel

kW = HK × 0,746

För gaffeltruckexemplet: 2 000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3,6 HK (= 2 707 W = 2,71 kW).

Figur 1-11 James Watt definierade 1 HK som 550 ft·lbs per sekund efter att ha observerat arbetande hästar.

Tryck

Tryck mäter intensiteten hos en kraft – hur koncentrerad den kraften är över en given area. Två objekt kan utöva samma totala kraft men skapa mycket olika tryck beroende på kontaktarean.

Vanligt exempel: högklackade skor jämfört med platta skor. Båda bär samma kroppsvikt, men den lilla klackytan koncentrerar kraften till ett mycket högt tryck mot golvet, medan en platt sul sprider samma kraft över en stor area och ger ett lågt tryck. Alla som någon gång har fått en klack på foten förstår detta.

Tryckformel

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

Enhetsomvandlingar:

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

Exempel: En block med en basyta på 100 in² (645 cm²) väger 100 lbs (444 N). Tryck = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Samma 100 lbs på en stålnål med en basyta på 0,25 in² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Figur 1-12 Samma kraft, mycket olika tryck. Ju mindre arean, desto högre trycket.

Arbetsenergi

Sättet som maskiner använder energi sker vanligtvis via tryck. Tryck är det som uppstår när kinetisk energi verkar på ytan av en last. Arbetsenergi kombinerar kinetisk energi med tryck för att förflytta lasten.

Omvandling av arbetsenergi

I alla transmissionsystem går en del av arbetsenergin förlorad på grund av friktion på vägen till lasten. Denna förlorade energi förstörs inte – den omvandlas till värme. Den andel av energin som omvandlas till värme utgör systemets förlust och är orsaken till att systemen är ineffektiva.

Trycket vid källan är högre än trycket vid lasten eftersom energi förbrukas för att övervinna friktionen i rören, ventilerna och armaturerna längs vägen.

Figur 1-13: Arbetsenergi flödar från källan till lasten. Friktionen längs vägen genererar värme, vilket minskar det tryck som når lasten.

Energioverföringsmetoder

Det finns fyra sätt att överföra energi från källan till där arbetet utförs:

Mekanisk transmission

Energi överförs genom fysisk rörelse – hävarmar, kedjor, växlar, hjul, remmar och kammar. Bäraren är en rörlig mekanisk del som är direkt kopplad till energikällan.

Elektrisk överföring

Energi transporteras längs elektriska ledare (kablarna) och levereras till en elektrisk aktuator – en motor eller en magnetventil – för att utföra arbete.

Pneumatisk överföring

Energi transporteras genom rör som komprimerad luftström och levereras till en pneumatisch aktuator (luftcylinder eller luftmotor) för att utföra arbete.

HYDRAULISK TRANSMISSION

Energi transporteras genom rör som tryckad vätska (olja) och levereras till en hydraulisk aktuator (cylinder eller motor) för att utföra mekaniskt arbete. Detta är ämnet för hela denna kurs.

Varje maskin utför slutligen mekaniskt arbete. Energi i vilken form som helst — elektrisk, pneumatisch eller hydraulisk — måste omvandlas tillbaka till mekanisk energi av en aktuator innan lasten kan röras. Varje metod har sina fördelar och nackdelar, och många maskiner kombinerar två eller flera metoder.

Figur 1-17 Hydraulisk överföring transporterar energi som tryckad vätska. Cylindern eller motorn i änden omvandlar den tillbaka till mekanisk kraft.

Systemförlust

I varje verklig transmissionsanläggning omvandlas en del av energin till värme genom friktion innan den når lasten. Den arbetsenergi som används (kinetisk energi under tryck) verkar på ytor i rör och ventiler, vilket genererar motstånd och värme. Denna förlust visar sig som en tryckminskning från källan till lasten. Energin bevaras – den byter endast form, vilket gör systemet mindre effektivt.