Kabanata 1: Ang Pisikal na Mundo ng mga Makina

Ang mga makina ay ginagawa upang palitan ang pisikal na paggawa ng tao. Gayunpaman, maraming tao ang naramdaman ang kawalang-komportable sa paligid nila dahil hindi nila nauunawaan kung paano gumagana ang mga makina. Ang kabanatang ito ay nagtatakda ng mga pangunahing konsepto sa pisika — puwersa, enerhiya, gawa, kapangyarihan, at presyon — na lumalabas sa bawat sumusunod na kabanata ng kursong ito.

Figure 1-1 Isang karaniwang pang-industriyang hydraulic power unit. Ang bomba, motor, reservoir, at mga valve ay madalas na pinagsasama sa isang housing tulad nito.

Lakas

Ang isang puwersa ay anumang aksyon na nagbabago — o sinusubukang baguhin — ang estado ng paggalaw ng isang bagay.

Newton (N)

Ang SI unit ng puwersa ay ang newton (N). Sa US customary units, sinusukat ang puwersa sa pounds (lbs).

Tatlong paraan kung paano binabago ng puwersa ang paggalaw

Ang isang puwersa ay maaaring gawin ang tatlong bagay sa isang bagay:

1. Pasimulan ang paggalaw ng bagay.
2. Pabagalinhin o itigil ito.
3. Baguhin ang direksyon ng kanyang paggalaw.

Pagtutol

Anumang puwersa na pabagal o humihinto sa paggalaw ay tinatawag na resistensya. Ang dalawang pinakakaraniwang resistensya sa mga hidraulikong makina ay ang panlaban sa pagkakalat (friction) at ang panlaban sa pagbabago ng paggalaw (inertia).

Friction

Ang panlaban sa pagkakalat (friction) ay ang resistensya na umiiral sa ibabaw ng kontak sa pagitan ng anumang dalawang bagay na gumagalaw — o umaandar — nang relatibo sa isa't isa.

Figura 1-3: Ang panlaban sa pagkakalat (friction) ay kumikilos kahit saan may kontak ang dalawang ibabaw at gumagalaw nang pahalang laban sa isa't isa.

Inertia

Ang panlaban sa pagbabago ng paggalaw (inertia) ay ang katendensya ng isang bagay na panatilihin ang kasalukuyang estado ng kanyang paggalaw. Ang isang bagay na nasa kalmado ay mananatiling nasa kalmado; ang isang gumagalaw na bagay ay patuloy na gagalaw. Ang panlaban sa pagbabago ng paggalaw (inertia) ay direktang nauugnay sa masa: mas mahirap pasimulan o huminto ang isang mas mabigat na bagay.

Halimbawa: Ang isang bola na gawa sa tingga ay may mas mataas na panlaban sa pagbabago ng paggalaw (inertia) kaysa sa isang bola na gawa sa kahoy. Tumama sa pareho gamit ang parehong puwersa at ang kahoy na bola ay lalakad nang mas mabilis at mas malayo, na nagpapakita na ang bola na gawa sa tingga ay mas tumututol sa pagbabago ng paggalaw.

Enerhiya

Ang enerhiya ay ang kakayahan na taglay ng isang puwersa kapag ito ay kaya nanggumalaw ng isang bagay. Sa simpleng salita: ang enerhiya ay ang kakayahan na gumawa ng gawa.

Kinetic energy

Ang kinetic energy ay ang enerhiya ng paggalaw. Ang anumang gumagalaw na bagay ay may kinetic energy dahil maaari nitong itulak ang iba pang bagay at gawin silang gumalaw. Mas mabigat at mas mabilis ang galaw nito, mas malaki ang kinetic energy nito.

Mga anyo ng enerhiya

Ang enerhiya ay umiiral sa maraming anyo: mekanikal, thermal (init), elektrikal, liwanag, kemikal, at tunog.

Batang Pag-iingat ng Enerhiya

Ang enerhiya ay hindi kailanman nililikha o pinapawi — maaari lamang itong i-convert mula sa isang anyo patungo sa isa pa. Ito ay isa sa mga pinakamahalagang batas sa pisika.

Figura 1-6 Ang Batang Pag-iingat ng Enerhiya: ang enerhiya ay hindi kailanman nawawala, kundi inii-convert lamang sa ibang anyo.

Pagbabago ng Enerhiya

Ang elektrikal na enerhiya mula sa isang socket ay maaaring maging liwanag (sa isang bombilya), init (sa isang heater), mekanikal na galaw (sa isang motor), o tunog (sa isang speaker), depende sa device. Ang enerhiya ay laging pinapanatili — nagbabago lamang ang anyo nito.

Isa pang halimbawa: ang paghila pababa sa isang lubid ay nagco-convert ng kinetic energy ng katawan sa init sa lubid at sa mga kamay, kaya nga ang friction ay nagpapabagal sa iyo at nagpapainit sa lubid.

Mga estado ng enerhiya

Kinetikong enerhiya — enerhiya sa paggalaw

Ang kinetikong enerhiya ay kumakatawan sa gawaing nauna nang ginawa — ito ay ang enerhiyang mayroon ang isang bagay dahil ito ay gumagalaw. Karamihan sa mga anyo ng enerhiya ay kailangang nasa estado ng kinetic bago sila makagawa ng kapaki-pakinabang na gawa.

Potensyal na enerhiya — nakaimbak na enerhiya

Ang potensyal na enerhiya ay nakaimbak na enerhiya. Kapag natupad ang tamang kondisyon, ang potensyal na enerhiya ay nababago sa kinetikong enerhiya at nagdudulot ng paggalaw. Ang potensyal na enerhiya ay galing sa pisikal na kalikasan ng isang bagay o sa kanyang posisyon sa itaas ng isang sangguniang punto.

Mga halimbawa: ang tubig na nakaimbak sa mataas na tangke ay may potensyal na enerhiya dahil sa kanyang taas — maaari itong umagos pababa at magawa ang gawa sa mas mababang antas. Ang baterya na hindi konektado sa isang circuit ay nag-iimbak ng kemikal na potensyal na enerhiya.

Figure 1-8 Dalawang karaniwang halimbawa ng potensyal na enerhiya: isang itinaas na water tower at isang naka-charge na baterya.

Pagbabago ng estado ng enerhiya

Ang potensyal at kinetic na enerhiya ay nagpapalitan nang malaya. Ang tubig sa isang tore ay potensyal na enerhiya; habang ito’y umaagos pababa, ito’y naging kinetic na enerhiya; kapag ito’y puno na ng isang lalagyan at muling inaangat, muli itong naging potensyal na enerhiya.

Trabaho

Ginagawa ang trabaho kapag ang isang puwersa ay kumikilos sa isang bagay at inililipat ito sa pamamagitan ng isang distansya. Kung wala nang gumagalaw, walang ginagawang trabaho.

Joule, J = N·m

Ang SI na yunit ng trabaho ay ang joule (J). Sa mga US customary units, sinusukat ang trabaho sa foot-pounds (ft·lbs).

Pormula ng trabaho

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

Halimbawa: Isang forklift ang nang-aangat ng bawat pallet nang 5 ft (1.524 m) gamit ang puwersa na 2,000 lbs (8,880 N). Ang trabaho na ginawa bawat pallet:

Figura 1-9 Gawain = puwersa × distansya. Ang forklift ay gumagawa ng gawain tuwing ito’y binibigkas ang isang pallet.

Kuryente

Ang gawain ay ginagawa palagi sa loob ng ilang panahon. Ang kapangyarihan ay ang bilis kung saan ginagawa ang gawain — ang halaga ng gawain na ginagawa bawat yunit ng panahon.

Pormula ng Kapangyarihan

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

Gamit ang halimbawa ng forklift: kung ang 10,000 ft·lbs na gawain ay ginawa sa loob ng 5 segundo, ang output ng kapangyarihan ay:

Kwalya (HP)

Ang horsepower (HP) ay ang imperyal na yunit ng kapangyarihan. Si James Watt, na naimbento ang makina ng singaw, ay nagtakda nito sa pamamagitan ng paghahambing sa kanyang makina sa isang nagtatrabahong kabayo. Natuklasan niya na ang isang kabayo ay maaaring ilipat ang 550 lbs sa distansyang 1 ft sa loob ng 1 segundo:

Pormula ng Horsepower

kW = HP × 0.746

Para sa halimbawa ng forklift: 2,000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3.6 HP (= 2,707 W = 2.71 kW).

Figura 1-11: Si James Watt ang nagtakda ng 1 HP bilang 550 ft·lbs kada segundo matapos obserbahan ang mga kabayong nasa trabaho.

Presyon

Ang presyon ay sumusukat sa intensidad ng isang lakas—kung gaano katinip ang lakas na iyon sa loob ng isang tiyak na lugar. Ang dalawang bagay ay maaaring magpalabas ng parehong kabuuang lakas ngunit lumilikha ng lubhang magkakaibang presyon depende sa lawak ng kanilang kontak.

Pang-araw-araw na halimbawa: mga sapatos na may mataas na siko laban sa mga sapatos na patag. Pareho silang nagdadala ng parehong timbang ng katawan, ngunit ang napakaliit na lugar ng siko ay nagpapasok ng lakas sa napakataas na presyon sa sahig, samantalang ang patag na solyo ay nagkakalat ng parehong lakas sa malaking lugar at lumilikha ng mababang presyon. Ang sinumang nakaranas na ng paglapad ng siko sa kanyang paa ay nauunawaan ito.

Pormula ng presyon

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

Mga pagbabago ng yunit:

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar = humigit-kumulang na 14.5 psi
• Pamantayang presyon ng atmospera = 14.7 psia = 1.01 bar = 101,000 Pa

Halimbawa: Isang bloke na may base na 100 in² (645 cm²) at timbang na 100 lbs (444 N). Presyon = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi (0.07 bar). Ang parehong 100 lbs sa isang bakal na pin na may base na 0.25 in² (1.6 cm²): 100 ÷ 0.25 = 400 psi (27.6 bar).

Figura 1-12 Parehong puwersa, ngunit lubhang magkaibang presyon. Mas maliit ang lugar, mas mataas ang presyon.

Gaganap na Enerhiya

Ang paraan kung paano ginagamit ng mga makina ang enerhiya ay karaniwang sa pamamagitan ng presyon. Ang presyon ay ang resulta kapag ang kinetic energy ay kumikilos sa ibabaw ng isang karga. Ang working energy ay pagsasama ng kinetic energy at presyon upang ilipat ang karga.

Pagbabago ng working energy

Sa lahat ng transmission system, nawawala ang ilang working energy dahil sa friction habang papunta sa karga. Ang nawawalang enerhiyang ito ay hindi nawawala nang tuluyan — nababago ito sa init. Ang bahagi ng enerhiyang nababago sa init ay tinatawag na loss ng sistema, at ito ang dahilan kung bakit hindi epektibo ang mga sistema.

Mas mataas ang presyon sa pinagmulan kaysa sa presyon sa karga dahil naubos ang enerhiya sa paglalabag sa panlaban ng panloob na pader ng mga tubo, mga valve, at mga fitting habang dumadaan.

Figura 1-13: Ang gumagana na enerhiya ay dumadaloy mula sa pinagmulan patungo sa karga. Ang panlaban sa paggalaw (friction) sa daan ay nagbubunga ng init, na binabawasan ang presyon na nararating sa karga.

Mga Paraan ng Pagpapadala ng Enerhiya

May apat na paraan kung paano ipinapadala ng mga makina ang enerhiya mula sa pinagmulan hanggang sa lugar kung saan ginagawa ang gawa:

Mekanikal na transmisyon

Ang enerhiya ay dumadaloy sa pamamagitan ng pisikal na galaw — mga lever, chain, gear, pulley, belt, at cam. Ang tagapagdala ay isang gumagalaw na mekanikal na bahagi na direktang konektado sa pinagmulan ng enerhiya.

Elektrikal na pagpapadala

Ang enerhiya ay dumadaloy sa loob ng mga elektrikal na conductor (kable) at inihahatid sa isang elektrikal na aktuator — isang motor o solenoid — upang magawa ang gawa.

Transmisyong pneumatic

Ang enerhiya ay dumadaloy sa loob ng mga tubo bilang daloy ng nakakomprisong hangin at inihahatid sa isang pneumatic actuator (silinder ng hangin o motor ng hangin) upang magawa ang gawa.

HIDRAULIKONG TRANSMISYON

Ang enerhiya ay dumadaloy sa mga tubo bilang daloy ng likido na naka-pressure (langis) at isinisisip sa isang hydraulic actuator (silinder o motor) upang magawa ang mekanikal na gawa. Ito ang paksa ng buong kurso na ito.

Bawat makina ay kalaunan ay gumagawa ng mekanikal na gawa. Ang anumang anyo ng enerhiya — elektrikal, pneumatic, o hydraulic — ay kailangang i-convert muli sa mekanikal na enerhiya ng isang actuator bago ma-move ang load. Ang bawat paraan ay may mga kapakinabangan at kab disadvantages, at maraming makina ang nagkakasama ng dalawa o higit pang paraan.

Figura 1-17: Ang hydraulic transmission ay dinala ang enerhiya bilang likido na naka-pressure. Ang silinder o motor sa dulo ay nagco-convert nito muli sa mekanikal na puwersa.

Kawalan ng sistema

Sa bawat tunay na sistema ng pagpapasa, ang ilang bahagi ng enerhiya ay nababago sa init dahil sa panlaban (friction) bago ito marating ang karga. Ang gumagana na enerhiya (kinetikong enerhiya sa ilalim ng presyon) ay kumikilos sa mga ibabaw ng mga tubo at balbula, na nagdudulot ng panlaban at init. Ang nawawalang enerhiya ay nakikita bilang pagbaba ng presyon mula sa pinagmumulan hanggang sa karga. Ang enerhiya ay nananatiling mapanatili — ito lamang ang nagbabago ng anyo, na nagdudulot ng mas mababang kahusayan ng sistema.