บทที่ 1: โลกทางกายภาพของเครื่องจักร

เครื่องจักรถูกออกแบบขึ้นเพื่อแทนแรงงานของมนุษย์ อย่างไรก็ตาม ผู้คนจำนวนมากรู้สึกไม่สบายใจเมื่ออยู่ใกล้เครื่องจักร เนื่องจากพวกเขาไม่เข้าใจหลักการทำงานของเครื่องจักร บทนี้จะให้นิยามแนวคิดทางฟิสิกส์พื้นฐาน — แรง พลังงาน งาน กำลัง และความดัน — ซึ่งจะปรากฏขึ้นในทุกบทต่อๆ ไปของรายวิชานี้

รูปที่ 1-1 หน่วยไฮดรอลิกสำหรับงานอุตสาหกรรมทั่วไป ปั๊ม มอเตอร์ ถังเก็บน้ำมัน และวาล์ว มักถูกประกอบรวมกันไว้ในเปลือกหุ้มเดียวกันเช่นนี้

แรง

แรง คือ การกระทำใดๆ ที่ทำให้สถานะการเคลื่อนที่ของวัตถุเปลี่ยนแปลง — หรือพยายามเปลี่ยนแปลง — สถานะการเคลื่อนที่นั้น

นิวตัน (N)

หน่วยวัดแรงในระบบ SI คือ นิวตัน (N) ส่วนในระบบหน่วยวัดแบบสหรัฐอเมริกา แรงจะวัดเป็นปอนด์ (lbs)

สามวิธีที่แรงสามารถเปลี่ยนการเคลื่อนที่

แรงสามารถทำสิ่งต่อไปนี้กับวัตถุได้สามประการ:

1. ทำให้วัตถุเริ่มเคลื่อนที่
2. ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ช้าลง หรือหยุดนิ่ง
3. เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของมัน

ความต้านทาน

แรงใดๆ ที่ทำให้การเคลื่อนที่ช้าลงหรือหยุดนิ่งเรียกว่า แรงต้าน แรงต้านที่พบได้บ่อยที่สุดสองชนิดในเครื่องจักรไฮดรอลิกคือ แรงเสียดทาน และ ความเฉื่อย

แรงเสียดทาน

แรงเสียดทานคือแรงต้านที่เกิดขึ้นที่ผิวสัมผัสระหว่างวัตถุสองชิ้นที่กำลังเคลื่อนที่ — หรือมีแนวโน้มจะเคลื่อนที่ — สัมพันธ์กัน

รูปที่ 1-3 แรงเสียดทานเกิดขึ้นทุกที่ที่ผิวสัมผัสสองผิวมาสัมผัสกันและเลื่อนไถลผ่านกัน

โมเมนตัม

ความเฉื่อยคือแนวโน้มของวัตถุที่จะคงสถานะการเคลื่อนที่ปัจจุบันไว้ วัตถุที่อยู่นิ่งจะยังคงอยู่นิ่งต่อไป วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่จะยังคงเคลื่อนที่ต่อไป ความเฉื่อยสัมพันธ์โดยตรงกับมวล: วัตถุที่มีมวลมากกว่าจะเริ่มเคลื่อนที่หรือหยุดนิ่งได้ยากกว่า

ตัวอย่างเช่น ลูกบอลตะกั่วมีความเฉื่อยมากกว่าลูกบอลไม้ ถ้าเตะทั้งสองลูกด้วยแรงเท่ากัน ลูกบอลไม้จะเคลื่อนที่เร็วกว่าและไกลกว่า ซึ่งแสดงว่าลูกบอลตะกั่วต้านการเปลี่ยนแปลงของการเคลื่อนที่มากกว่า

พลังงาน

พลังงานคือสิ่งที่แรงหนึ่งมีเมื่อมันสามารถทำให้วัตถุบางอย่างเคลื่อนที่ได้ ในแง่ง่ายๆ: พลังงานคือความสามารถในการทำงาน

พลังงานคีเนติก

พลังงานจลน์คือพลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ วัตถุใดๆ ที่กำลังเคลื่อนที่จะมีพลังงานจลน์ เนื่องจากมันสามารถดันสิ่งอื่นให้เคลื่อนที่ได้ ยิ่งวัตถุมีมวลมากและเคลื่อนที่เร็วเท่าใด พลังงานจลน์ที่มันมีก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

รูปแบบของพลังงาน

พลังงานมีอยู่ในหลายรูปแบบ ได้แก่ พลังงานกล พลังงานความร้อน (ความร้อน) พลังงานไฟฟ้า พลังงานแสง พลังงานเคมี และพลังงานเสียง

กฎการอนุรักษ์พลังงาน

พลังงานไม่สามารถถูกสร้างขึ้นหรือทำลายลงได้ — มันสามารถเปลี่ยนรูปแบบจากหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งเท่านั้น นี่คือหนึ่งในกฎที่สำคัญที่สุดในวิชาฟิสิกส์

รูปที่ 1-6 กฎการอนุรักษ์พลังงาน: พลังงานไม่เคยถูกทำลาย แต่เปลี่ยนรูปแบบไปเป็นอีกแบบหนึ่งเท่านั้น

การแปลงพลังงาน

พลังงานไฟฟ้าจากเต้ารับสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานแสง (ในหลอดไฟ) พลังงานความร้อน (ในเครื่องทำความร้อน) พลังงานกล (ในมอเตอร์) หรือพลังงานเสียง (ในลำโพง) ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ที่ใช้ พลังงานจะถูกอนุรักษ์ไว้เสมอ — เพียงแต่เปลี่ยนรูปแบบเท่านั้น

ตัวอย่างอื่น: การไถลลงมาตามเชือกจะเปลี่ยนพลังงานจลน์ของร่างกายให้กลายเป็นความร้อนที่เกิดขึ้นที่เชือกและฝ่ามือ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมแรงเสียดทานจึงทำให้คุณเคลื่อนที่ช้าลงและทำให้เชือกร้อนขึ้น

สถานะของพลังงาน

พลังงานจลน์ — พลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่

พลังงานจลน์แทนงานที่ได้ทำไปแล้ว — คือพลังงานที่วัตถุมีเนื่องจากการเคลื่อนที่ของมัน รูปแบบส่วนใหญ่ของพลังงานจำเป็นต้องอยู่ในสถานะจลน์ก่อนจึงจะสามารถทำงานที่มีประโยชน์ได้

พลังงานศักย์ — พลังงานที่ถูกเก็บไว้

พลังงานศักย์คือพลังงานที่ถูกเก็บไว้ เมื่อเงื่อนไขที่เหมาะสมเกิดขึ้น พลังงานศักย์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์และก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ พลังงานศักย์เกิดจากธรรมชาติทางกายภาพของวัตถุ หรือตำแหน่งของวัตถุที่อยู่เหนือจุดอ้างอิง

ตัวอย่าง: น้ำที่เก็บไว้ในถังสูงมีพลังงานศักย์เนื่องจากความสูงของมัน — มันสามารถไหลลงมาและทำงานที่ระดับต่ำกว่าได้ แบตเตอรี่ที่ยังไม่ได้เชื่อมต่อกับวงจรจะเก็บพลังงานศักย์เชิงเคมีไว้

รูปที่ 1-8 ตัวอย่างที่คุ้นเคยสองประการของพลังงานศักย์: หอเก็บน้ำที่ยกสูงขึ้น และแบตเตอรี่ที่ชาร์จไฟแล้ว

การเปลี่ยนสถานะของพลังงาน

พลังงานศักย์และพลังงานจลน์สามารถเปลี่ยนผ่านกันได้อย่างอิสระ พลังงานของน้ำที่อยู่ในถังเก็บคือพลังงานศักย์; เมื่อน้ำไหลลงมาตามความลาดชัน มันจะกลายเป็นพลังงานจลน์; และเมื่อมันเติมเข้าไปในภาชนะแล้วถูกยกขึ้นอีกครั้ง มันก็จะกลับกลายเป็นพลังงานศักย์อีกครั้ง

งาน

งานจะเกิดขึ้นเมื่อแรงหนึ่งกระทำต่อวัตถุและทำให้วัตถุนั้นเคลื่อนที่ผ่านระยะทางหนึ่ง ถ้าไม่มีสิ่งใดเคลื่อนที่ งานจะไม่เกิดขึ้น

จูล (Joule), J = N·m

หน่วยวัดงานในระบบหน่วยวัดสากล (SI) คือจูล (J) ส่วนในระบบหน่วยวัดแบบสหรัฐอเมริกา (US customary units) งานจะวัดเป็นฟุต-ปอนด์ (ft·lbs)

สูตรการคำนวณงาน

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

ตัวอย่าง: รถโฟร์คลิฟต์ยกพาเลทแต่ละแผ่นขึ้นสูง 5 ฟุต (1.524 เมตร) ด้วยแรง 2,000 ปอนด์ (8,880 นิวตัน) งานที่ใช้ในการยกพาเลทแต่ละแผ่นคือ

รูปที่ 1-9 งาน = แรง × ระยะทาง รถยกทำงานทุกครั้งที่ยกพาเลทขึ้น

พลังงาน

งานจะถูกกระทำเสมอในช่วงเวลาหนึ่ง ๆ กำลังคืออัตราการกระทำงาน หรือปริมาณงานที่ทำต่อหนึ่งหน่วยเวลา

สูตรคำนวณกำลัง

(W) = (m) × (N) ÷ (s) หรือ (ft·lbs/s) = (ft) × (lbs) ÷ (s)

จากตัวอย่างรถยก: หากงาน 10,000 ft·lbs ถูกทำภายในเวลา 5 วินาที กำลังที่ส่งออกคือ

แรงม้า (HP)

แรงม้า (Horsepower) คือหน่วยวัดกำลังแบบอิมพีเรียล เจมส์ วัตต์ ผู้ประดิษฐ์เครื่องจักรไอน้ำ ได้นิยามหน่วยนี้โดยเปรียบเทียบประสิทธิภาพของเครื่องจักรไอน้ำของเขาเข้ากับม้าที่ใช้งานจริง เขาพบว่าม้าตัวหนึ่งสามารถเคลื่อนย้ายน้ำหนัก 550 ปอนด์ เป็นระยะทาง 1 ฟุต ภายในเวลา 1 วินาที

สูตรคำนวณแรงม้า

กิโลวัตต์ (kW) = แรงม้า (HP) × 0.746

ตัวอย่างรถโฟร์คลิฟต์: 2,000 ฟุต·ปอนด์/วินาที ÷ 550 = 3.6 แรงม้า (= 2,707 วัตต์ = 2.71 กิโลวัตต์)

รูปที่ 1-11 เจมส์ วัตต์ นิยามหน่วยแรงม้า 1 หน่วย ว่าเท่ากับ 550 ฟุต·ปอนด์ต่อวินาที หลังจากสังเกตการณ์ม้าที่ทำงานจริง

แรงดัน

ความดันวัดความเข้มข้นของแรง — กล่าวคือ แรงนั้นถูกกระจายหรือรวมตัวกันมากน้อยเพียงใดบนพื้นที่ผิวที่กำหนด วัตถุสองชิ้นอาจออกแรงรวมเท่ากัน แต่สร้างความดันที่ต่างกันมาก ขึ้นอยู่กับพื้นที่สัมผัส

ตัวอย่างในชีวิตประจำวัน: รองเท้าส้นสูงเทียบกับรองเท้าส้นแบน ทั้งสองแบบรับน้ำหนักตัวเท่ากัน แต่พื้นที่สัมผัสเล็กของส้นรองเท้าส้นสูงทำให้แรงถูกกดลงบนพื้นอย่างเข้มข้น ส่งผลให้เกิดความดันสูงมาก ในขณะที่พื้นรองเท้าส้นแบนกระจายแรงเดียวกันนั้นออกบนพื้นที่กว้าง จึงเกิดความดันต่ำ ผู้ที่เคยถูกส้นรองเท้าเหยียบบนเท้าจะเข้าใจปรากฏการณ์นี้ดี

สูตรคำนวณความดัน

(พาสคาล (Pa) = นิวตันต่อตารางเมตร (N/m²)) = (นิวตัน (N)) ÷ (ตารางเมตร (m²)) หรือ (ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi)) = (ปอนด์ (lbs)) ÷ (ตารางนิ้ว (in²))

การเปลี่ยนหน่วย:

• 1 บาร์ = 10^5 นิวตันต่อตารางเมตร = 10^5 พาสคัล
• 1 บาร์ ≈ 14.5 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi)
• ความดันบรรยากาศมาตรฐาน = 14.7 ปอนด์ต่อตารางนิ้วสัมบูรณ์ (psia) = 1.01 บาร์ = 101,000 พาสคัล

ตัวอย่าง: บล็อกที่มีพื้นที่ฐาน 100 ตารางนิ้ว (645 ตารางเซนติเมตร) มีน้ำหนัก 100 ปอนด์ (444 นิวตัน) ความดัน = 100 ปอนด์ ÷ 100 ตารางนิ้ว = 1 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) (0.07 บาร์) น้ำหนัก 100 ปอนด์เดียวกันนี้เมื่อวางบนหมุดเหล็กที่มีพื้นที่ฐาน 0.25 ตารางนิ้ว (1.6 ตารางเซนติเมตร): 100 ÷ 0.25 = 400 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) (27.6 บาร์)

รูปที่ 1-12 แรงเท่ากัน แต่ความดันต่างกันมาก พื้นที่ยิ่งเล็ก ความดันยิ่งสูง

พลังงานการทำงาน

วิธีที่เครื่องจักรใช้พลังงานมักเกิดขึ้นผ่านความดัน ความดันคือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อพลังงานจลน์กระทำต่อพื้นผิวของภาระ พลังงานในการทำงานรวมเอาพลังงานจลน์เข้ากับความดันเพื่อเคลื่อนย้ายภาระ

การแปลงพลังงานในการทำงาน

ในระบบส่งกำลังทั้งหมด จะมีการสูญเสียพลังงานในการทำงานบางส่วนไปจากแรงเสียดทานระหว่างทางไปยังภาระ พลังงานที่สูญเสียนี้ไม่ได้ถูกทำลาย แต่เปลี่ยนรูปเป็นความร้อน สัดส่วนของพลังงานที่เปลี่ยนเป็นความร้อนเรียกว่าการสูญเสียของระบบ และเป็นสาเหตุที่ทำให้ระบบมีประสิทธิภาพต่ำ

ความดันที่แหล่งกำเนิดสูงกว่าความดันที่โหลด เนื่องจากพลังงานถูกใช้ไปในการเอาชนะแรงเสียดทานในท่อ วาล์ว และข้อต่อต่าง ๆ ตามแนวทางเดินของของไหล

รูปที่ 1-13 การไหลของพลังงานเชิงการทำงานจากแหล่งกำเนิดไปยังโหลด แรงเสียดทานตามแนวทางเดินก่อให้เกิดความร้อน ซึ่งทำให้ความดันที่มาถึงโหลดลดลง

วิธีการส่งผ่านพลังงาน

มีทั้งหมดสี่วิธีที่เครื่องจักรใช้ในการส่งผ่านพลังงานจากแหล่งกำเนิดไปยังตำแหน่งที่ทำงานถูกดำเนินการ

การส่งกำลังด้วยระบบกลไก

พลังงานเดินทางผ่านการเคลื่อนที่เชิงกล — เช่น คานโยก โซ่ ฟันเฟือง รอก เข็มขัด และแคม ตัวนำพลังงานคือชิ้นส่วนกลที่เคลื่อนที่และเชื่อมต่อโดยตรงกับแหล่งกำเนิดพลังงาน

การส่งผ่านพลังงานแบบไฟฟ้า

พลังงานเดินทางผ่านตัวนำไฟฟ้า (สายไฟ) และส่งไปยังตัวขับเคลื่อนไฟฟ้า — เช่น มอเตอร์หรือโซลีนอยด์ — เพื่อทำการทำงาน

การส่งกำลังด้วยลม

พลังงานเดินทางผ่านท่อในรูปของการไหลของอากาศอัด และส่งไปยังตัวขับเคลื่อนแบบลม (กระบอกสูบลมหรือมอเตอร์ลม) เพื่อทำการทำงาน

การส่งกำลังแบบไฮดรอลิก

พลังงานเดินทางผ่านท่อในรูปของของเหลวที่มีแรงดัน (น้ำมัน) และถูกส่งไปยังแอคทูเอเตอร์ไฮดรอลิก (กระบอกสูบหรือมอเตอร์) เพื่อทำงานเชิงกล ซึ่งเป็นหัวข้อหลักของหลักสูตรนี้ทั้งหมด

เครื่องจักรทุกชนิดในที่สุดล้วนทำงานเชิงกล ไม่ว่าพลังงานจะอยู่ในรูปแบบใด — ไฟฟ้า อากาศอัด หรือไฮดรอลิก — ก็จำเป็นต้องถูกแปลงกลับเป็นพลังงานเชิงกลโดยแอคทูเอเตอร์ก่อนที่จะสามารถเคลื่อนย้ายภาระได้ แต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกัน และเครื่องจักรหลายชนิดใช้การผสมผสานระหว่างสองวิธีขึ้นไป

รูปที่ 1-17 การส่งผ่านพลังงานแบบไฮดรอลิกใช้ของเหลวที่มีแรงดันเป็นตัวนำพลังงาน กระบอกสูบหรือมอเตอร์ที่ปลายทางจะเปลี่ยนพลังงานนั้นกลับเป็นแรงเชิงกล

การสูญเสียในระบบ

ในระบบส่งกำลังจริงทุกระบบ จะมีพลังงานบางส่วนถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนเนื่องจากแรงเสียดทานก่อนที่จะถึงโหลด พลังงานที่ใช้งาน (พลังงานจลน์ภายใต้แรงดัน) จะกระทำต่อพื้นผิวภายในท่อและวาล์ว ทำให้เกิดแรงต้านและความร้อน การสูญเสียนี้แสดงออกมาในรูปของการลดลงของแรงดันจากแหล่งจ่ายไปยังโหลด พลังงานนั้นยังคงถูกอนุรักษ์ไว้ — เพียงแต่เปลี่ยนรูปแบบเท่านั้น ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพของระบบลดลง