Bölüm 1: Makinelerin Fiziksel Dünyası

Makineler, insan gücünü yerine koymak amacıyla tasarlanmıştır. Ancak makinelerin nasıl çalıştığını anlamayan birçok kişi onlarla karşılaştığında rahatsızlık duyar. Bu bölüm, bu ders kitabının ilerleyen tüm bölümlerinde geçen temel fiziksel kavramları — kuvvet, enerji, iş, güç ve basınç — tanımlar.

Şekil 1-1 Tipik bir endüstriyel hidrolik güç ünitesi. Pompa, motor, depo ve valfler genellikle tek bir muhafaza içinde birleştirilir.

Kuvvet

Kuvvet, bir cismin hareket durumunu değiştiren — ya da değiştirmeye çalışan — herhangi bir etkidir.

Newton (N)

Kuvvetin SI birimi newton’dur (N). ABD geleneksel birimlerinde kuvvet pound (lbs) cinsinden ölçülür.

Kuvvetin hareketi değiştirme üç yolu

Bir kuvvet bir cisme üç şey yapabilir:

1. Cismi harekete geçirmek.
2. Hareketini yavaşlatmak ya da durdurmak.
3. Hareket yönünü değiştirir.

Direnç

Hareketi yavaşlatan veya durduran herhangi bir kuvvete direnç denir. Hidrolik makinelerde en yaygın iki direnç, sürtünme ve eylemsizliktir.

Sürtünme

Sürtünme, birbirlerine göre hareket eden — ya da hareket etmeye eğilim gösteren — iki nesne arasındaki temas yüzeyinde oluşan dirençtir.

Şekil 1-3: Sürtünme, iki yüzey birbirleriyle temas halindeyken ve birbirlerine kayarak temas ettiklerinde her yerde etki eder.

Atalet

Eylemsizlik, bir cismin mevcut hareket durumunu koruma eğilimidir. Duran bir cisim durmaya devam eder; hareket halindeki bir cisim hareketini sürdürür. Eylemsizlik doğrudan kütleye bağlıdır: daha ağır bir cismi başlatmak veya durdurmak daha zordur.

Örnek: Kurşun bir top, ahşap bir toptan daha fazla eylemsizliğe sahiptir. Her ikisine de aynı kuvvetle tekme atıldığında ahşap top daha hızlı ve daha uzağa gider; bu, kurşun topun hareketteki değişime daha çok direnç gösterdiğini gösterir.

Enerji

Enerji, bir kuvvetin bir şeyi harekete geçirebilme yeteneğine sahip olduğu zaman sahip olduğu özelliktir. Basit bir ifadeyle: enerji, iş yapabilme yeteneğidir.

Kinetik enerji

Kinetik enerji, hareket enerjisidir. Herhangi bir hareket halindeki nesne, başka nesneleri itebilir ve onları harekete geçirebilir olduğu için kinetik enerjiye sahiptir. Kütlesi ne kadar büyükse ve hızı ne kadar yüksekse, o kadar çok kinetik enerjisi vardır.

Enerjinin biçimleri

Enerji birçok biçimde bulunur: mekanik, termal (ısı), elektriksel, ışık, kimyasal ve ses enerjisi.

Enerjinin Korunumu Yasası

Enerji hiçbir zaman yaratılamaz ya da yok edilemez — yalnızca bir biçimden başka bir biçime dönüştürülebilir. Bu, fizikteki en önemli yasalardan biridir.

Şekil 1-6 Enerjinin Korunumu Yasası: Enerji asla yok olmaz, yalnızca başka bir biçime dönüşür.

Enerji Dönüştürme

Bir prize bağlı elektrik enerjisi, kullanılan cihaza göre ışığa (bir ampulde), ısıya (bir ısıtıcıda), mekanik harekete (bir motorda) veya sese (bir hoparlörde) dönüşebilir. Enerji her zaman korunur — yalnızca biçimi değişir.

Başka bir örnek: Bir ip boyunca kaymak, vücudun kinetik enerjisini ip ve elde ısıya dönüştürür; bu yüzden sürtünme hareketinizi yavaşlatır ve ipi ısıtır.

Enerji durumları

Kinetik enerji — hareket halindeki enerji

Kinetik enerji, zaten yapılmış işi temsil eder — yani bir cismin hareket etmesi nedeniyle sahip olduğu enerjidir. Enerjinin çoğu biçimi, faydalı iş yapabilmesi için öncelikle kinetik duruma geçmelidir.

Potansiyel enerji — depolanmış enerji

Potansiyel enerji, depolanmış enerjidir. Doğru koşullar sağlandığında potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşür ve harekete neden olur. Potansiyel enerji, bir cismin fiziksel yapısından veya bir referans noktasının üzerindeki konumundan kaynaklanır.

Örnekler: yüksek bir tankta depolanan su, yüksekliği nedeniyle potansiyel enerjiye sahiptir — bu su aşağı doğru akarak daha düşük bir seviyede iş yapabilir. Devreye bağlı olmayan bir pil, kimyasal potansiyel enerji depolar.

Şekil 1-8 Potansiyel enerjinin iki yaygın örneği: yükseltilmiş bir su kulesi ve şarjlı bir pil.

Enerji durumu dönüşümü

Potansiyel ve kinetik enerji birbirine serbestçe dönüşür. Bir kuledeki su potansiyel enerjidir; aşağı doğru akarken kinetik enerjiye dönüşür; bir kapta toplandıktan sonra tekrar yukarı kaldırıldığında yeniden potansiyel enerjiye dönüşür.

İş

Bir kuvvet, bir cisme etki eder ve onu belirli bir mesafe boyunca hareket ettirirse iş yapılmış olur. Hiçbir şey hareket etmiyorsa iş yapılmamıştır.

Joule, J = N·m

İşin SI birimi joule (J)’dir. ABD geleneksel birimlerinde ise iş, foot-pound (ft·lbs) cinsinden ölçülür.

İş formülü

(J) = (m) × (N) ya da (ft.lbs) = (ft) × (lbs)

Örnek: Bir vinç, her paleti 5 ft (1,524 m) yüksekliğe, 2.000 lbs (8.880 N) kuvvet uygulayarak kaldırır. Her palet için yapılan iş:

Şekil 1-9 İş = kuvvet × mesafe. Forklift, bir paleti her kaldırdığında iş yapar.

Güç

İş her zaman belirli bir süre içinde yapılır. Güç, işin yapılma hızıdır — yani birim zamanda yapılan iş miktarıdır.

Güç formülü

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

Forklift örneğini kullanarak: Eğer 10.000 ft·lb’lik iş 5 saniyede yapılıyorsa, güç çıkışı şöyledir:

Beygir Gücü (HP)

Beygir gücü (HP), İngiliz birimi olarak kullanılan güç birimidir. Buhar makinesini icat eden James Watt, bu birimi bir çalışkan atla karşılaştırarak tanımlamıştır. Watt, bir atın 1 saniyede 550 lb’lik bir kütleyi 1 ft mesafeye hareket ettirebileceğini tespit etmiştir:

Beygir gücü formülü

kW = BG × 0.746

Vinc için örnek: 2.000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3,6 BG (= 2.707 W = 2,71 kW).

Şekil 1-11: James Watt, çalışan atları gözlemledikten sonra 1 BG’yi saniyede 550 ft·lbs olarak tanımlamıştır.

Basınç

Basınç, bir kuvvetin yoğunluğunu ölçer — yani bu kuvvetin belirli bir alana ne kadar yoğun şekilde uygulandığını gösterir. İki nesne aynı toplam kuvveti uygulayabilir, ancak temas alanı bağlı olarak çok farklı basınçlar oluşturabilir.

Günlük yaşam örneği: yüksek topuklu ayakkabılar ile düz tabanlı ayakkabılar. Her ikisi de aynı vücut ağırlığını taşır; ancak çok küçük topuk alanı bu ağırlığı zemine çok yüksek bir basınç olarak yoğunlaştırırken, düz tabanlı ayakkabının tabanı aynı kuvveti büyük bir alana yayarak düşük bir basınç oluşturur. Topuğu kişinin ayağına bastığında bunu herkes anlar.

Basınç formülü

(Pa = N/m²) = (N) ÷ (m²) ya da (psi) = (lbs) ÷ (in²)

Birim dönüşümleri:

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar ≈ 14,5 psi
• Standart atmosferik basınç = 14,7 psia = 1,01 bar = 101.000 Pa

Örnek: Taban alanı 100 in² (645 cm²) olan bir bloğun ağırlığı 100 lbs (444 N)’dur. Basınç = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Aynı 100 lbs’lik yük, taban alanı 0,25 in² (1,6 cm²) olan bir çelik pim üzerine uygulandığında: 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Şekil 1-12 Aynı kuvvet, çok farklı basınç. Alan ne kadar küçükse basınç o kadar yüksektir.

Çalışma Enerjisi

Makinelerin enerjiyi kullanma şekli genellikle basınç yoluyla gerçekleşir. Basınç, kinetik enerjinin bir yükün yüzeyine etki etmesiyle ortaya çıkar. Çalışma enerjisi, yükü hareket ettirmek için kinetik enerjiyi basınçla birleştirir.

Çalışma enerjisi dönüşümü

Tüm iletim sistemlerinde, yükün bulunduğu noktaya ulaşan süreçte bazı çalışma enerjisi sürtünme nedeniyle kaybolur. Bu kaybolan enerji yok olmaz; ısıya dönüşür. Enerjinin ısıya dönüşen oranı sistemin kaybını oluşturur ve bu da sistemleri verimsiz hâle getirir.

Kaynaktaki basınç, enerjinin borular, valfler ve bağlantı elemanları boyunca sürtünmeyi yenmesi için tüketilmesi nedeniyle yükteki basıncından daha yüksektir.

Şekil 1-13: Enerji, kaynaktan yüke doğru iş yapmak üzere akar. Yolda oluşan sürtünme ısı üretir ve yükte ulaşan basıncı azaltır.

Enerji Aktarım Yöntemleri

Makinelerin enerjiyi kaynaktan işin yapıldığı yere aktarmasının dört yolu vardır:

Mekanik aktarım

Enerji, fiziksel hareket yoluyla iletilir — kaldıraçlar, zincirler, dişliler, kasnaklar, kayışlar ve kamlar. Taşıyıcı, enerji kaynağında doğrudan bağlı hareketli bir mekanik parçadır.

Elektriksel aktarım

Enerji, elektriksel iletkenler (kablolar) boyunca iletilir ve iş yapmak üzere bir elektriksel aktüatöre — motor veya selenoide — ulaşır.

Pneumatik aktarma

Enerji, sıkıştırılmış hava akışı olarak borular içinde iletilir ve iş yapmak üzere bir pnömatik aktüatöre — hava silindiri veya hava motoruna — ulaşır.

HIDRAULİK İLETİM

Enerji, basınçlı sıvı (yağ) akışı olarak borulardan geçer ve mekanik iş yapmak üzere bir hidrolik aktüatöre (silindir veya motor) iletilir. Bu, bu dersin tamamının konusudur.

Her makine nihayetinde mekanik iş yapar. Enerji herhangi bir formda — elektriksel, pnömatik, hidrolik — olsun, yük hareket ettirilebilmesi için önce bir aktüatör tarafından tekrar mekanik enerjiye dönüştürülmelidir. Her yöntem avantajları ve dezavantajları vardır ve birçok makine iki ya da daha fazla yöntemi bir arada kullanır.

Şekil 1-17: Hidrolik iletim, enerjiyi basınçlı sıvı olarak taşır. Sonuçta yer alan silindir veya motor, bu enerjiyi tekrar mekanik kuvvete dönüştürür.

Sistem kaybı

Gerçek herhangi bir iletim sisteminde, enerjinin yüküne ulaşmadan önce bir kısmı sürtünme nedeniyle ısıya dönüşür. Çalışma enerjisi (basınç altındaki kinetik enerji), borular ve valflerin yüzeylerine etki ederek direnç ve ısı oluşturur. Bu kayıp, kaynaktan yüke doğru basınç düşüşü şeklinde kendini gösterir. Enerji korunur — yalnızca biçim değiştirir; bu da sistemin verimini azaltır.