அத்தியாயம் 1: இயந்திரங்களின் உடல் உலகம்

இயந்திரங்கள் மனித உழைப்பை மாற்றுவதற்காக உருவாக்கப்பட்டுள்ளன. இருப்பினும், பலர் அவற்றைச் சுற்றியுள்ளபோது அசௌகரியமாக உணர்கின்றனர், ஏனெனில் அவை எவ்வாறு செயல்படுகின்றன என்பதை அவர்கள் புரிந்துகொள்ளவில்லை. இந்த அத்தியாயம் விசை, ஆற்றல், வேலை, திறன் மற்றும் அழுத்தம் போன்ற அடிப்படை இயற்பியல் கருத்துகளை வரையறுக்கிறது — இவை இந்தப் பாடத்தின் பின்னரைய அனைத்து அத்தியாயங்களிலும் வரும்.

படம் 1-1 ஒரு வழக்கமான தொழில்துறை ஹைட்ராலிக் சக்தி அலகு. பம்ப், மோட்டார், சேமிப்புத் தொட்டி மற்றும் வால்வுகள் பெரும்பாலும் இவ்வாறு ஒரே கவரில் இணைக்கப்படுகின்றன.

விசை

ஒரு விசை என்பது ஒரு பொருளின் இயக்க நிலையை மாற்றுவது — அல்லது மாற்ற முயற்சிப்பது — என்ற எந்தவொரு செயலுமாகும்.

நியூட்டன் (N)

விசையின் சர்வதேச அலகு நியூட்டன் (N) ஆகும். அமெரிக்க மரபு அலகுகளில், விசை பவுண்டுகளில் (lbs) அளவிடப்படுகிறது.

விசை இயக்கத்தை மாற்றும் மூன்று வழிகள்

ஒரு விசை ஒரு பொருளுக்கு மூன்று விதமான செயல்களைச் செய்யலாம்:

1. பொருளை இயக்கத்திற்கு உட்படுத்துதல்.
2. அதன் இயக்கத்தை மெதுவாக்குதல் அல்லது நிறுத்துதல்.
3. அதன் இயக்கத்தின் திசையை மாற்றுதல்.

தொடர்பு

இயக்கத்தை மெதுவாக்கும் அல்லது நிறுத்தும் எந்தவொரு விசையும் எதிர்ப்பு எனப்படும். ஹைட்ராலிக் இயந்திரங்களில் பொதுவாகக் காணப்படும் இரண்டு எதிர்ப்புகள் உராய்வு மற்றும் நிலைமம் ஆகும்.

உராய்வு

உராய்வு என்பது இரண்டு பொருள்களுக்கு இடையே, அவை ஒன்றுக்கொன்று சார்பாக இயங்கும் அல்லது இயங்க முயற்சிக்கும் போது, அவற்றின் தொடர்பு மேற்பரப்பில் ஏற்படும் எதிர்ப்பு ஆகும்.

படம் 1-3: உராய்வு இரண்டு மேற்பரப்புகளும் ஒன்றோடொன்று தொடர்பில் இருந்து ஒன்றுக்கொன்று சாய்ந்து நகரும் இடங்களில் செயல்படுகிறது.

இயலாமை

நிலைமம் என்பது ஒரு பொருள் தனது தற்போதைய இயக்க நிலையை மாற்றாமல் வைத்திருக்க விரும்பும் பண்பாகும். ஓய்வில் உள்ள பொருள் ஓய்விலேயே இருக்கும்; இயங்கும் பொருள் தொடர்ந்து இயங்கும். நிலைமம் நேரடியாக நிறையுடன் தொடர்புடையது: அதிக நிறை கொண்ட பொருளைத் தொடங்கவோ அல்லது நிறுத்தவோ கடினமாகும்.

எடுத்துக்காட்டு: ஒரு காலியம் பந்துக்கு மரப் பந்தை விட அதிக நிலைமம் உள்ளது. இரண்டு பந்துகளையும் ஒரே விசையில் உதைத்தால், மரப் பந்து வேகமாகவும் தூரமாகவும் செல்லும்; இது காலியம் பந்து இயக்க மாற்றத்தை அதிகமாக எதிர்க்கிறது என்பதைக் காட்டுகிறது.

ஆற்றல்

ஆற்றல் என்பது ஒரு விசை ஏதேனும் பொருளை இயக்கும் திறனைக் கொண்டிருக்கும் போது அது பெறும் தன்மையாகும். எளிய வார்த்தைகளில் கூறினால், ஆற்றல் என்பது வேலை செய்யும் திறனாகும்.

இயக்க ஆற்றல்

இயக்க ஆற்றல் என்பது இயக்கத்தின் ஆற்றலாகும். ஏதேனும் இயங்கும் பொருளுக்கு அது பிற பொருள்களைத் தள்ளி அவற்றை இயக்க முடியும் என்பதால் இயக்க ஆற்றல் உண்டு. அது எவ்வளவு கனமாகவும், வேகமாகவும் இயங்குகிறதோ, அவ்வளவு அதிக இயக்க ஆற்றலையும் பெறும்.

ஆற்றலின் வடிவங்கள்

ஆற்றல் பல்வேறு வடிவங்களில் இருக்கிறது: இயற்பியல் (யாந்திரிக) ஆற்றல், வெப்ப ஆற்றல் (வெப்பம்), மின்சார ஆற்றல், ஒளி ஆற்றல், வேதியியல் ஆற்றல் மற்றும் ஒலி ஆற்றல்.

ஆற்றலின் பாதுகாப்புச் சட்டம்

ஆற்றலை எப்போதும் உருவாக்க முடியாது அல்லது அழிக்க முடியாது — அதனை ஒரு வடிவத்திலிருந்து மற்றொரு வடிவத்திற்கு மட்டுமே மாற்ற முடியும். இது இயற்பியலின் மிக முக்கியமான விதிகளில் ஒன்றாகும்.

படம் 1-6 ஆற்றல் பாதுகாப்பு விதி: ஆற்றல் எப்போதும் அழிக்கப்படுவதில்லை, அது எப்போதும் மற்றொரு வடிவத்திற்கு மாற்றப்படுகிறது.

ஆற்றல் மாற்றம்

சாக்கெட்டிலிருந்து மின்சார ஆற்றல், விளக்குப்பிடியில் (விளக்கு) ஒளியாகவும், வெப்பத்திற்கு (ஹீட்டரில்) வெப்பமாகவும், இயந்திர இயக்கமாகவும் (மோட்டாரில்), ஒலியாகவும் (ஸ்பீக்கரில்) மாறலாம் — சாதனத்தைப் பொறுத்து. ஆற்றல் எப்போதும் பாதுகாக்கப்படுகிறது — அது வெறுமனே வடிவத்தை மாற்றிக்கொள்கிறது.

மேலும் ஒரு உதாரணம்: ஒரு கயிற்றில் வழியே கீழே வரும்போது, உடலின் இயக்க ஆற்றல் கயிற்றிலும் கைகளிலும் வெப்பமாக மாறுகிறது; இதனால்தான் உராய்வு உங்களை மெதுவாக்குகிறது மற்றும் கயிற்றை சூடேறச் செய்கிறது.

ஆற்றல் நிலைகள்

இயக்க ஆற்றல் — இயக்கத்தில் உள்ள ஆற்றல்

இயக்க ஆற்றல் ஏற்கனவே செய்யப்பட்ட வேலையைக் குறிக்கிறது — அது ஒரு பொருள் இயங்குவதால் அதற்கு ஏற்படும் ஆற்றல். பயனுள்ள வேலையைச் செய்ய முடியும் என அனைத்து ஆற்றல் வடிவங்களும் பெரும்பாலும் இயக்க நிலையில் இருக்க வேண்டும்.

நிலை ஆற்றல் — சேமிக்கப்பட்ட ஆற்றல்

சாத்தியமான ஆற்றல் என்பது சேமிக்கப்பட்ட ஆற்றல் ஆகும். சரியான நிலைமைகள் ஏற்படும்போது, சாத்தியமான ஆற்றல் இயக்க ஆற்றலாக மாறி இயக்கத்தை ஏற்படுத்துகிறது. சாத்தியமான ஆற்றல் ஒரு பொருளின் இயற்பியல் தன்மையிலிருந்து அல்லது அது ஒரு குறிப்பிட்ட குறிப்புப் புள்ளிக்கு மேலே உள்ள நிலையிலிருந்து வருகிறது.

எடுத்துக்காட்டுகள்: உயரத்தில் வைக்கப்பட்ட தண்ணீர் தொட்டியில் உள்ள தண்ணீருக்கு அதன் உயரத்தினால் சாத்தியமான ஆற்றல் உள்ளது — அது கீழே ஓடி கீழ் மட்டத்தில் வேலை செய்ய முடியும். ஒரு சுற்றுச்சாலையுடன் இணைக்கப்படாத மின்கலம் வேதியியல் சாத்தியமான ஆற்றலைச் சேமித்து வைக்கிறது.

படம் 1-8: சாத்தியமான ஆற்றலின் இரண்டு பரவலான எடுத்துக்காட்டுகள்: உயரத்தில் அமைந்த தண்ணீர் கோபுரம் மற்றும் மின்னூட்டப்பட்ட மின்கலம்.

ஆற்றல் நிலை மாற்றம்

சாத்தியமான மற்றும் இயக்க ஆற்றல் இரண்டும் தன்னிச்சையாக ஒன்றிலிருந்து மற்றொன்றாக மாறுகின்றன. கோபுரத்தில் உள்ள தண்ணீர் சாத்தியமான ஆற்றலைக் கொண்டுள்ளது; அது கீழே ஓடும்போது இயக்க ஆற்றலாக மாறுகிறது; அது ஒரு கொள்கலனை நிரப்பிப் பின்னர் மீண்டும் உயரத்திற்கு தூக்கப்படும்போது, மீண்டும் சாத்தியமான ஆற்றலாக மாறுகிறது.

வேலை

ஒரு விசை ஒரு பொருளின் மீது செயல்பட்டு அதை ஒரு தூரத்திற்கு நகர்த்தும்போது வேலை செய்யப்படுகிறது. எதுவும் நகராவிட்டால், வேலை செய்யப்படவில்லை.

ஜூல், J = N·மீ

வேலையின் SI அலகு ஜூல் (J) ஆகும். அமெரிக்க மரபு அலகுகளில், வேலையை அடிப்படையிலான-பவுண்ட் (ft·lbs) என்ற அலகில் அளவிடுகின்றனர்.

வேலையின் வாய்ப்பாடு

(J) = (மீ) × (N) அல்லது (ft·lbs) = (அடி) × (பவுண்ட்)

எடுத்துக்காட்டு: ஒரு ஃபார்க்லிஃப்ட், ஒவ்வொரு பேலெட்டையும் 5 அடி (1.524 மீ) உயரத்திற்கு 2,000 பவுண்ட் (8,880 N) விசையுடன் தூக்குகிறது. ஒவ்வொரு பேலெட்டிற்கும் செய்யப்படும் வேலை:

படம் 1-9: வேலை = விசை × தூரம். ஃபார்க்லிஃப்ட் ஒவ்வொரு முறையும் பேலெட்டைத் தூக்கும்போது வேலை செய்கிறது.

Power

வேலை எப்போதும் குறிப்பிட்ட நேரத்தில் செய்யப்படுகிறது. திறன் (பவர்) என்பது வேலை செய்யப்படும் வேகம் ஆகும் — அதாவது, ஒரு அலகு நேரத்திற்கு செய்யப்படும் வேலையின் அளவு.

சக்தி வாய்ப்பாடு

(W) = (m) × (N) ÷ (s) அல்லது (ft.lbs/s) = (ft) × (lbs) ÷ (s)

ஃபார்க்லிஃப்ட் எடுத்துக்காட்டைப் பயன்படுத்தும்போது: 10,000 ft·lbs வேலையை 5 வினாடிகளில் முடித்தால், சக்தி வெளியீடு:

குதிரைத்திறன் (HP)

குதிரைத்திறன் என்பது பழைய ஆங்கில அலகு ஆகும். நீராவி இயந்திரத்தைக் கண்டுபிடித்த ஜேம்ஸ் வாட், தனது இயந்திரத்தை ஒரு வேலை செய்யும் குதிரையுடன் ஒப்பிட்டு இதை வரையறுத்தார். அவர் ஒரு குதிரை 1 வினாடியில் 550 lbs எடையை 1 அடி தூரம் நகர்த்த முடியும் எனக் கண்டறிந்தார்:

குதிரைத்திறன் வாய்ப்பாடு

கிலோவாட் = ஹார்ஸ்பவர் × 0.746

ஃபார்க்லிஃப்ட் எடுத்துக்காட்டு: 2,000 அடி-பவுண்ட்/வினாடி ÷ 550 = 3.6 ஹார்ஸ்பவர் (= 2,707 வாட் = 2.71 கிலோவாட்).

படம் 1-11: ஜேம்ஸ் வாட், வேலை செய்யும் குதிரைகளை நோக்கிய பிறகு 1 ஹார்ஸ்பவரை 550 அடி-பவுண்ட் வினாடிக்கு என வரையறுத்தார்.

அழுத்தம்

அழுத்தம் என்பது ஒரு விசையின் தீவிரத்தை அளவிடுகிறது — அதாவது, கொடுக்கப்பட்ட பரப்பளவில் அந்த விசை எவ்வளவு மையப்படுத்தப்பட்டுள்ளது என்பதைக் குறிக்கிறது. இரண்டு பொருட்களும் ஒரே மொத்த விசையைச் செலுத்தலாம், ஆனால் தொடும் பரப்பளவைப் பொறுத்து மிகவும் வேறுபட்ட அழுத்தங்களை உருவாக்கலாம்.

அன்றாட எடுத்துக்காட்டு: உயர்-காலணி மற்றும் தட்டையான காலணிகள். இரண்டுமே ஒரே உடல் எடையைத் தாங்குகின்றன, ஆனால் சிறிய காலணி ஏற்றத்தின் பரப்பளவு அந்த எடையை மிக அதிக அழுத்தத்தில் தரையில் குவிக்கிறது; அதே விசையை தட்டையான காலணி பெரிய பரப்பளவில் பரவலாக்கி குறைந்த அழுத்தத்தை உருவாக்குகிறது. யாராவது தங்கள் பாதத்தின் மீது காலணி ஏற்றம் விழுந்திருந்தால், இதை நன்றாக உணர்வார்கள்.

அழுத்த வாய்ப்பாடு

(பாஸ்கல் = நியூட்டன்/மீ²) = (நியூட்டன்) ÷ (மீ²) அல்லது (psi) = (பவுண்ட்) ÷ (அங்குல²)

அலகு மாற்றங்கள்:

• 1 பார் = 10⁵ நியூட்டன்/மீ² = 10⁵ பாஸ்கல்
• 1 பார் = தோராயமாக 14.5 பிஎஸ்ஐ
• தனிமைப்படுத்தப்பட்ட வளிமண்டல அழுத்தம் = 14.7 பிஎஸ்ஐஏ = 1.01 பார் = 101,000 பாஸ்கல்

எடுத்துக்காட்டு: 100 சதுர அங்குலம் (645 செ.மீ²) அடிப்பகுதியைக் கொண்ட ஒரு துண்டு 100 பவுண்டு (444 என்) எடையுடையது. அழுத்தம் = 100 பவுண்டு ÷ 100 சதுர அங்குலம் = 1 பிஎஸ்ஐ (0.07 பார்). அதே 100 பவுண்டு எடையை 0.25 சதுர அங்குலம் (1.6 செ.மீ²) அடிப்பகுதியைக் கொண்ட ஒரு எஃகு குச்சியின் மீது செலுத்தினால்: 100 ÷ 0.25 = 400 பிஎஸ்ஐ (27.6 பார்).

படம் 1-12: ஒரே விசை, மிகவும் வேறுபட்ட அழுத்தம். பரப்பளவு சிறியதாக இருக்கும்போது, அழுத்தம் அதிகமாக இருக்கும்.

செயல்பாடு உற்பத்தி

இயந்திரங்கள் ஆற்றலைப் பயன்படுத்தும் வழக்கமான முறை அழுத்தத்தின் மூலமாகும். இயக்க ஆற்றல் ஒரு சுமையின் மேற்பரப்பில் செயல்படும்போது அழுத்தம் உருவாகிறது. பணிசெய்யும் ஆற்றல் இயக்க ஆற்றலையும் அழுத்தத்தையும் இணைத்து சுமையை நகர்த்துகிறது.

பணிசெய்யும் ஆற்றல் மாற்றம்

அனைத்து இயக்க அமைப்புகளிலும், சுமைக்கு வழியில் சில பணிசெய்யும் ஆற்றல் உராய்வினால் இழக்கப்படுகிறது. இந்த இழந்த ஆற்றல் அழிக்கப்படவில்லை — அது வெப்பமாக மாறுகிறது. ஆற்றலின் எவ்வளவு பிரிவு வெப்பமாக மாறுகிறது என்பது அமைப்பின் இழப்பு ஆகும்; இதுவே அமைப்புகளை திறனற்றவையாக ஆக்குகிறது.

ஆற்றல் உராய்வை வெல்ல குழாய்கள், வால்வுகள் மற்றும் இணைப்புப் பாகங்களில் செல்லும் போது செலவழிக்கப்படுவதால், மூலத்தில் உள்ள அழுத்தம் சுமையில் உள்ள அழுத்தத்தை விட அதிகமாக இருக்கும்.

படம் 1-13: ஆற்றல் மூலத்திலிருந்து சுமை வரை செயல்படும் ஆற்றல் பாய்வு. வழியில் ஏற்படும் உராய்வு வெப்பத்தை உருவாக்கி, சுமையை அடையும் அழுத்தத்தைக் குறைக்கிறது.

ஆற்றல் கடத்தல் முறைகள்

ஆற்றலை மூலத்திலிருந்து வேலை செய்யப்படும் இடத்திற்கு கடத்துவதற்கு நான்கு வழிகள் உள்ளன:

இயந்திர கடத்தல்

ஆற்றல் இயற்பியல் இயக்கத்தின் மூலம் — ஊன்றுகோல்கள், சங்கிலிகள், பற்சக்கரங்கள், சக்கரங்கள், பெல்ட்கள் மற்றும் கேம்கள் — மூலம் பயணிக்கிறது. கடத்தி என்பது ஆற்றல் மூலத்துடன் நேரடியாக இணைக்கப்பட்ட இயங்கும் இயந்திரப் பாகமாகும்.

மின்சார கடத்தல்

ஆற்றல் மின்கடத்திகள் (கம்பிகள்) வழியாக பயணித்து, ஒரு மின்சார செயல்படுத்தியிற்கு — மோட்டார் அல்லது சோலினாய்ட் — வேலை செய்ய வழங்கப்படுகிறது.

வளிம கடத்தல்

ஆற்றல் குழாய்கள் வழியாக செறிவூட்டப்பட்ட காற்று ஓட்டமாக பயணித்து, ஒரு வளிம செயல்படுத்தியிற்கு (காற்று சிலிண்டர் அல்லது காற்று மோட்டார்) வேலை செய்ய வழங்கப்படுகிறது.

இயற்கை திரவ இயக்கம்

ஆற்றல் அழுத்தம் கொண்ட திரவம் (எண்ணெய்) ஓட்டத்தின் மூலம் குழாய்கள் வழியாகச் செல்கிறது மற்றும் ஒரு இயற்கை திரவ செயல்படுத்தி (சிலிண்டர் அல்லது மோட்டார்) வரை விநியோகிக்கப்படுகிறது, அங்கு அது இயந்திர வேலையைச் செய்கிறது. இதுதான் இந்த முழு பாடத்தின் விஷயமாகும்.

ஒவ்வொரு இயந்திரமும் இறுதியில் இயந்திர வேலையைச் செய்கிறது. எந்தவொரு வடிவிலான ஆற்றலும் — மின்சாரம், காற்றழுத்தம், இயற்கை திரவம் — சுமையை இயக்குவதற்கு முன்பு ஒரு செயல்படுத்தியால் மீண்டும் இயந்திர ஆற்றலாக மாற்றப்பட வேண்டும். ஒவ்வொரு முறையும் நன்மைகளும் தீமைகளும் உள்ளன, மேலும் பல இயந்திரங்கள் இரண்டு அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட முறைகளை ஒன்றிணைக்கின்றன.

படம் 1-17: இயற்கை திரவ இயக்கம் அழுத்தம் கொண்ட திரவத்தின் மூலம் ஆற்றலை கொண்டு செல்கிறது. முடிவில் உள்ள சிலிண்டர் அல்லது மோட்டார் அதை மீண்டும் இயந்திர விசையாக மாற்றுகிறது.

அமைப்பு இழப்பு

ஒவ்வொரு உண்மையான டிரான்ஸ்மிஷன் அமைப்பிலும், சுமையை அடைவதற்கு முன்பாக சில ஆற்றல் உராய்வினால் வெப்பமாக மாற்றப்படுகிறது. செயல்படும் ஆற்றல் (அழுத்தத்தின் கீழுள்ள இயக்க ஆற்றல்) குழாய்கள் மற்றும் வால்வுகளின் மேற்பரப்புகளில் செயல்படுவதால், எதிர்ப்பு மற்றும் வெப்பம் உருவாகின்றன. இந்த இழப்பு ஆதாரத்திலிருந்து சுமை வரை அழுத்தத்தில் ஏற்படும் வீழ்ச்சியாக காணப்படுகிறது. ஆற்றல் பாதுகாக்கப்படுகிறது — அது வெறும் வடிவத்தை மாற்றிக் கொள்கிறது, இது அமைப்பின் திறனைக் குறைவாக்குகிறது.