باب 1: مشینوں کی جسمانی دنیا

مشینیں انسانی محنت کو تبدیل کرنے کے لیے بنائی جاتی ہیں۔ تاہم، بہت سے لوگ ان کے گرد بے چین محسوس کرتے ہیں کیونکہ وہ مشینوں کے کام کرنے کا طریقہ نہیں سمجھتے۔ اس باب میں بنیادی جسمانی تصورات — قوت، توانائی، کام، طاقت، اور دباؤ — کی وضاحت کی گئی ہے جو اس کورس کے ہر بعد کے باب میں آتے ہیں۔

شکل 1-1 ایک عام صنعتی ہائیڈرولک پاور یونٹ۔ پمپ، موٹر، ذخیرہ (ریزروائر)، اور والوز اکثر ایک ہی ہاؤسنگ میں جمع کر دیے جاتے ہیں جیسا کہ اس میں دکھایا گیا ہے۔

زور

قوت کوئی بھی عمل ہے جو کسی شے کی حرکت کی حالت کو تبدیل کرتا ہے — یا تبدیل کرنے کی کوشش کرتا ہے۔

نیوٹن (N)

قوت کا ایس آئی اکائی نیوٹن (N) ہے۔ ریاستہائے متحدہ کے معمولی اکائیوں میں، قوت کو پاؤنڈ (lbs) میں ناپا جاتا ہے۔

قوت کے حرکت کو تبدیل کرنے کے تین طریقے

قوت کسی شے کے ساتھ تین چیزیں کر سکتی ہے:

1. شے کو حرکت میں لانا۔
2. اس کی رفتار کم کرنا یا اسے روکنا۔
3. اپنی حرکت کی سمت تبدیل کریں۔

ممانعت

کوئی بھی قوت جو حرکت کو سست کر دے یا روک دے، اُسے مزاحمت کہا جاتا ہے۔ ہائیڈرولک مشینوں میں دو سب سے عام مزاحمتیں رگڑ اور لختی ہیں۔

رگڑ

رگڑ وہ مزاحمت ہے جو کسی بھی دو اشیاء کے رابطے کی سطح پر وجود رکھتی ہے جو ایک دوسرے کے مقابل حرکت کر رہی ہوں — یا حرکت کرنے کا رجحان رکھتی ہوں۔

شکل ۱-۳ رگڑ وہاں عمل کرتی ہے جہاں بھی دو سطحیں ایک دوسرے کے ساتھ رابطے میں ہوں اور ایک دوسرے کے خلاف پھسل رہی ہوں۔

لختی

لختی کسی شے کی موجودہ حرکت کی حالت برقرار رکھنے کی صلاحیت ہے۔ ایک ساکن شے ساکن رہتی ہے؛ اور ایک متحرک شے حرکت جاری رکھتی ہے۔ لختی براہِ راست اس کے وزن سے منسلک ہوتی ہے: ایک بھاری شے کو حرکت میں لانا یا روکنا زیادہ مشکل ہوتا ہے۔

مثال: ایک سیسے کا گولہ ایک لکڑی کے گولے کی نسبت زیادہ لختی رکھتا ہے۔ دونوں کو ایک ہی قوت سے لات ماریں تو لکڑی کا گولہ تیز اور زیادہ فاصلہ طے کرے گا، جو ظاہر کرتا ہے کہ سیسے کا گولہ حرکت میں تبدیلی کے خلاف زیادہ مزاحمت کرتا ہے۔

طاقة

توانائی وہ چیز ہے جو کوئی قوت اس وقت رکھتی ہے جب وہ کسی چیز کو حرکت میں لانے کے قابل ہو۔ سادہ الفاظ میں: توانائی کام کرنے کی صلاحیت ہے۔

حرکی توانائی

حرکتی توانائی حرکت کی توانائی ہے۔ کوئی بھی متحرک شے اس لیے حرکتی توانائی رکھتی ہے کیونکہ وہ دوسری چیزوں کو دھکیل سکتی ہے اور انہیں حرکت میں لاسکتی ہے۔ جتنی زیادہ بھاری اور تیزی سے وہ حرکت کرے، اتنی ہی زیادہ حرکتی توانائی اس میں ہوگی۔

توانائی کی اقسام

توانائی بہت سی اشکال میں وجود رکھتی ہے: مکینیکل، حرارتی (گرمی)، برقی، روشنی، کیمیائی، اور آواز کی توانائی۔

توانائی کے تحفظ کا قانون

توانائی کو کبھی نہیں پیدا کیا جاسکتا اور نہ ہی اسے تباہ کیا جاسکتا ہے — بلکہ اسے صرف ایک شکل سے دوسری شکل میں تبدیل کیا جاسکتا ہے۔ یہ طبیعیات کے سب سے اہم قوانین میں سے ایک ہے۔

شکل ۱-۶ توانائی کے تحفظ کا قانون: توانائی کو کبھی تباہ نہیں کیا جاتا، بلکہ اسے صرف دوسری شکل میں تبدیل کیا جاتا ہے۔

توانائی کی تبدیلی

کسی ساکٹ سے حاصل کردہ برقی توانائی روشنی (بلب میں)، گرمی (ہیٹر میں)، مکینیکل حرکت (موٹر میں)، یا آواز (اسپیکر میں) میں تبدیل ہوسکتی ہے، جو ڈیوائس کے لحاظ سے مختلف ہوتی ہے۔ توانائی ہمیشہ محفوظ رہتی ہے — یہ صرف اپنی شکل تبدیل کرلیتی ہے۔

دوسری مثال: رسی پر پھسلنا جسم کی حرکتی توانائی کو رسی اور ہاتھوں میں گرمی میں تبدیل کردیتا ہے، جس کی وجہ سے رگڑ آپ کی رفتار کم کردیتی ہے اور رسی کو گرم کردیتی ہے۔

انرجی کی حالتیں

حرکتی توانائی — حرکت میں توانائی

حرکتی توانائی وہ کام ہے جو پہلے ہی انجام دیا جا چکا ہے — یہ وہ توانائی ہے جو کوئی شے اس لیے رکھتی ہے کیونکہ وہ حرکت میں ہے۔ توانائی کی زیادہ تر اقسام کو مفید کام کرنے سے پہلے حرکتی حالت میں آنا ضروری ہوتا ہے۔

ذخیرہ شدہ توانائی — ممکنہ توانائی

ممکنہ توانائی ذخیرہ شدہ توانائی ہوتی ہے۔ جب مناسب حالات پیدا ہوتے ہیں، تو ممکنہ توانائی حرکتی توانائی میں تبدیل ہو جاتی ہے اور حرکت کا باعث بنتی ہے۔ ممکنہ توانائی کسی شے کی جسمانی نوعیت یا اس کی کسی حوالہ نقطہ کے اوپر کی سطح پر موجودگی سے حاصل ہوتی ہے۔

مثالیں: بلند مقام پر ذخیرہ کردہ پانی کی ٹینک میں اس کی بلندی کی وجہ سے ممکنہ توانائی ہوتی ہے — یہ نیچے کی طرف بہہ سکتا ہے اور کم سطح پر کام کر سکتا ہے۔ کسی سرکٹ سے منسلک نہ ہونے والی بیٹری میں کیمیائی ممکنہ توانائی ذخیرہ ہوتی ہے۔

شکل ۱-۸ ممکنہ توانائی کی دو عام مثالیں: ایک بلند پانی کی ٹاور اور ایک چارج شدہ بیٹری۔

انرجی کی حالت کی تبدیلی

ممکنہ اور حرکی توانائی آزادانہ طور پر ایک دوسرے میں تبدیل ہوتی رہتی ہیں۔ ٹاور میں موجود پانی ممکنہ توانائی ہے؛ جب یہ نیچے کی طرف بہتا ہے تو یہ حرکی توانائی بن جاتا ہے؛ اور جب یہ کسی برتن کو بھر دیتا ہے اور پھر دوبارہ اُٹھا لیا جاتا ہے تو یہ دوبارہ ممکنہ توانائی بن جاتا ہے۔

کام

جب کوئی قوت کسی شے پر عمل کرتی ہے اور اسے کسی فاصلے تک حرکت دیتی ہے تو کام انجام دیا جاتا ہے۔ اگر کوئی شے حرکت نہ کرے تو کوئی کام نہیں ہوتا۔

جوول، J = N·m

کام کا ایس آئی اکائی جوول (J) ہے۔ ریاستہائے متحدہ کے روایتی اکائیوں میں، کام فٹ-پاؤنڈ (ft·lbs) میں ناپا جاتا ہے۔

کام کا فارمولا

(J) = (m) × (N) یا (ft.lbs) = (ft) × (lbs)

مثال: ایک فورک لفٹ ہر پیلیٹ کو 5 فٹ (1.524 میٹر) تک اُٹھاتی ہے اور اس پر 2,000 پاؤنڈ (8,880 N) کی قوت لگاتی ہے۔ ہر پیلیٹ پر انجام دیا گیا کام:

شکل 1-9 کام = قوت × فاصلہ۔ فورک لِفٹ ہر بار جب وہ ایک پیلیٹ اُٹھاتا ہے تو کام کرتا ہے۔

طاقت

کام ہمیشہ کسی نہ کسی وقت کے عرصے میں انجام دیا جاتا ہے۔ طاقت کام کرنے کی شرح ہے — یعنی ایک اکائی وقت میں انجام دیا گیا کام۔

طاقت کا فارمولا

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

فورک لِفٹ کی مثال کا استعمال کرتے ہوئے: اگر 10,000 ft·lbs کا کام 5 سیکنڈز میں انجام دیا جائے، تو طاقت کا آؤٹ پُٹ ہوگا:

گھوڑے کی طاقت (HP)

گھوڑے کی طاقت طاقت کا امریکی نظامِ اکائی ہے۔ جیمز واٹ، جنہوں نے بھاپ کے انجن کا ایجاد کیا، نے اسے ایک کام کرنے والے گھوڑے کے مقابلے میں تعریف کیا۔ انہوں نے دریافت کیا کہ ایک گھوڑا 1 سیکنڈ میں 550 پاؤنڈ وزن کو 1 فٹ کے فاصلے تک حرکت دے سکتا ہے:

ہارس پاور کا فارمولا

کلو واٹ = ہارس پاور × 0.746

فلک لِفٹ کے مثال کے لیے: 2,000 فٹ·پاؤنڈز/سیکنڈ ÷ 550 = 3.6 ہارس پاور (= 2,707 ویٹ = 2.71 کلو واٹ)۔

شکل 1-11: جیمز واٹ نے کام کرتے گھوڑوں کا مشاہدہ کرنے کے بعد 1 ہارس پاور کو 550 فٹ·پاؤنڈز فی سیکنڈ کے برابر تعریف کیا۔

دباؤ

دباؤ ایک قوت کی شدت کو ماپتا ہے — یعنی دی گئی سطح پر وہ قوت کتنی مرکوز ہے۔ دو اشیاء ایک ہی کُل قوت لاگو کر سکتی ہیں، لیکن رابطہ کے رقبے کے لحاظ سے ان کا پیدا کردہ دباؤ بہت مختلف ہو سکتا ہے۔

روزانہ کی زندگی کی مثال: اونچی ایڑی والے جوتے بمقابلہ چپٹے جوتے۔ دونوں ایک ہی جسمانی وزن کو سہارا دیتے ہیں، لیکن بہت چھوٹے ایڑی کے رقبے کی وجہ سے یہ وزن فرش پر بہت زیادہ دباؤ پیدا کرتا ہے، جبکہ چپٹے تلوے کا رقبہ وہی قوت کو بڑے رقبے پر پھیلا دیتا ہے اور کم دباؤ پیدا کرتا ہے۔ جس شخص کے پاؤں پر بھی کوئی ایڑی آ گئی ہو، وہ اس کو اچھی طرح سمجھ سکتا ہے۔

دباؤ کا فارمولا

(پاسکل = نیوٹن/میٹر²) = (نیوٹن) ÷ (میٹر²) یا (پی ایس آئی) = (پاؤنڈز) ÷ (انچ²)

اکائیوں کے تبدیلیاں:

• 1 بار = 10^5 نیوٹن/میٹر^2 = 10^5 پاسکل
• 1 بار = تقریباً 14.5 پی ایس آئی
• معیاری فضا کا دباؤ = 14.7 پی ایس آئی اے = 1.01 بار = 101,000 پاسکل

مثال: ایک بلاک جس کا بنیادی رقبہ 100 انچ² (645 سینٹی میٹر²) ہے، اور وزن 100 پونڈ (444 نیوٹن) ہے۔ دباؤ = 100 پونڈ ÷ 100 انچ² = 1 پی ایس آئی (0.07 بار)۔ وہی 100 پونڈ ایک سٹیل کے پن پر جس کا بنیادی رقبہ 0.25 انچ² (1.6 سینٹی میٹر²) ہے: 100 ÷ 0.25 = 400 پی ایس آئی (27.6 بار)۔

شکل 1-12: ایک ہی قوت، لیکن بہت مختلف دباؤ۔ رقبہ جتنا چھوٹا ہوگا، دباؤ اتنا ہی زیادہ ہوگا۔

عمل دہnergie

مشینیں توانائی کا استعمال عام طور پر دباؤ کے ذریعے کرتی ہیں۔ دباؤ وہ چیز ہے جو جب حرکی توانائی کسی لوڈ کی سطح پر عمل کرتی ہے تو حاصل ہوتی ہے۔ کام کرنے والی توانائی لوڈ کو حرکت دینے کے لیے حرکی توانائی اور دباؤ کو جوڑتی ہے۔

کام کرنے والی توانائی کی تبدیلی

تمام ٹرانسمیشن سسٹمز میں، لوڈ تک پہنچنے کے دوران کچھ کام کرنے والی توانائی رگڑ کی وجہ سے ضائع ہو جاتی ہے۔ یہ ضائع شدہ توانائی تباہ نہیں ہوتی — بلکہ یہ حرارت میں تبدیل ہو جاتی ہے۔ توانائی کا وہ حصہ جو حرارت میں تبدیل ہوتا ہے، سسٹم کا نقصان ہوتا ہے، اور یہی وجہ ہے کہ سسٹم غیر موثر ہوتے ہیں۔

ماخذ پر دباؤ لوڈ پر دباؤ سے زیادہ ہوتا ہے کیونکہ راستے میں پائپوں، والوز اور فٹنگز کے خلاف رگڑ کو دور کرنے کے لیے توانائی استعمال ہوتی ہے۔

شکل 1-13: توانائی ماخذ سے لوڈ تک کام کرنے کے لیے بہتی ہے۔ راستے میں رگڑ سے حرارت پیدا ہوتی ہے، جس کی وجہ سے لوڈ تک پہنچنے والے دباؤ میں کمی آجاتی ہے۔

توانائی کی منتقلی کے طریقے

مشینیں توانائی کو ماخذ سے کام کرنے کی جگہ تک منتقل کرنے کے چار طریقے استعمال کرتی ہیں:

میکانی ترسیل

توانائی جسمانی حرکت کے ذریعے منتقل ہوتی ہے — لیورز، زنجیریں، گیئرز، پولیز، بیلٹس اور کیمز۔ حامل ایک متحرک مکینیکل حصہ ہوتا ہے جو براہِ راست توانائی کے ماخذ سے منسلک ہوتا ہے۔

برقی منتقلی

توانائی برقی موصلات (تاروں) کے ساتھ سفر کرتی ہے اور ایک برقی ایکچوایٹر — ایک موٹر یا سولینوئڈ — کو کام کرنے کے لیے ترسیل کی جاتی ہے۔

ہوا دباؤ کے ذریعے منتقلی

توانائی مضغوط ہوا کے بہاؤ کے طور پر پائپوں کے ذریعے سفر کرتی ہے اور ایک ہوا دباؤ کے ایکچوایٹر (ہوا سلنڈر یا ہوا موٹر) کو کام کرنے کے لیے ترسیل کی جاتی ہے۔

ہائیڈرولیک ٹرانسمیشن

انرجی پائپوں کے ذریعے دباؤ والے مائع (تیل) کے بہاؤ کے طور پر سفر کرتی ہے اور اسے مکینیکل کام کرنے کے لیے ایک ہائیڈرولک ایکچوایٹر (سلنڈر یا موٹر) تک پہنچایا جاتا ہے۔ یہ پورے کورس کا مرکزی موضوع ہے۔

ہر مشین آخرکار مکینیکل کام کرتی ہے۔ کسی بھی شکل میں موجود انرجی — برقی، ہوا دباؤ والی (پنومیٹک)، یا ہائیڈرولک — کو لوڈ کو حرکت دینے سے پہلے کسی ایکچوایٹر کے ذریعے دوبارہ مکینیکل انرجی میں تبدیل کرنا ضروری ہوتا ہے۔ ہر طریقہ کے اپنے فائدے اور نقصانات ہوتے ہیں، اور بہت سی مشینیں دو یا زیادہ طریقوں کو اکٹھا استعمال کرتی ہیں۔

شکل ۱-۱۷: ہائیڈرولک ٹرانسمیشن انرجی کو دباؤ والے مائع کے طور پر منتقل کرتی ہے۔ اختتام پر موجود سلنڈر یا موٹر اسے دوبارہ مکینیکل قوت میں تبدیل کر دیتا ہے۔

سسٹم کا نقصان

ہر حقیقی ٹرانسمیشن سسٹم میں، لوڈ تک پہنچنے سے پہلے کچھ توانائی اصطکاک کی وجہ سے حرارت میں تبدیل ہو جاتی ہے۔ کام کرنے والی توانائی (دَباؤ کے تحت حرکی توانائی) پائپوں اور والوز کی سطحوں پر عمل کرتی ہے، جس سے مزاحمت اور حرارت پیدا ہوتی ہے۔ یہ نقصان ذریعہ سے لوڈ تک دباؤ میں کمی کے طور پر ظاہر ہوتا ہے۔ توانائی محفوظ رہتی ہے — یہ صرف اپنا روپ تبدیل کر لیتی ہے، جس کی وجہ سے سسٹم کی کارکردگی کم ہو جاتی ہے۔