Chương 1: Thế giới vật lý của các máy móc

Các máy móc được chế tạo nhằm thay thế lao động con người. Tuy nhiên, nhiều người cảm thấy bất an khi ở gần chúng vì họ không hiểu cách thức vận hành của máy móc. Chương này định nghĩa các khái niệm vật lý cơ bản — lực, năng lượng, công, công suất và áp suất — vốn xuất hiện trong mọi chương tiếp theo của khóa học này.

Hình 1-1 Một bộ nguồn thủy lực công nghiệp điển hình. Bơm, động cơ, bể chứa và van thường được tích hợp trong một vỏ bọc như thế này.

Lực

Lực là bất kỳ tác động nào làm thay đổi — hoặc cố gắng làm thay đổi — trạng thái chuyển động của một vật.

Niutơn (N)

Đơn vị SI của lực là niutơn (N). Trong hệ đơn vị thông dụng tại Hoa Kỳ, lực được đo bằng pound (lbs).

Ba cách mà lực làm thay đổi chuyển động

Lực có thể gây ra ba tác động lên một vật:

1. Khiến vật bắt đầu chuyển động.
2. Làm chậm lại hoặc dừng vật.
3. Thay đổi hướng chuyển động của nó.

Kháng cự

Bất kỳ lực nào làm chậm lại hoặc dừng chuyển động đều được gọi là lực cản. Hai loại lực cản phổ biến nhất trong các máy thủy lực là ma sát và quán tính.

Ma sát

Ma sát là lực cản xuất hiện tại bề mặt tiếp xúc giữa hai vật bất kỳ đang chuyển động — hoặc có xu hướng chuyển động — tương đối với nhau.

Hình 1-3: Ma sát xuất hiện ở mọi nơi hai bề mặt tiếp xúc và trượt lên nhau.

Trọng lực

Quán tính là xu hướng của một vật duy trì trạng thái chuyển động hiện tại của nó. Một vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên; một vật đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động. Quán tính có mối liên hệ trực tiếp với khối lượng: vật có khối lượng lớn hơn sẽ khó bắt đầu hoặc dừng lại hơn.

Ví dụ: Một quả bóng chì có quán tính lớn hơn một quả bóng gỗ. Đá cả hai quả bóng bằng cùng một lực, quả bóng gỗ sẽ di chuyển nhanh hơn và xa hơn, cho thấy quả bóng chì kháng cự sự thay đổi chuyển động mạnh hơn.

Năng lượng

Năng lượng là thứ mà một lực sở hữu khi nó có khả năng làm cho một vật gì đó chuyển động. Nói một cách đơn giản: năng lượng là khả năng thực hiện công.

Năng lượng động

Năng lượng động học là năng lượng của chuyển động. Bất kỳ vật thể nào đang chuyển động đều có năng lượng động học vì nó có thể đẩy các vật khác và làm chúng chuyển động. Vật càng nặng và chuyển động càng nhanh thì năng lượng động học của nó càng lớn.

Các dạng năng lượng

Năng lượng tồn tại dưới nhiều dạng: cơ năng, nhiệt năng (nhiệt), điện năng, quang năng, hóa năng và âm năng.

Định luật bảo toàn năng lượng

Năng lượng không bao giờ được tạo ra hay tiêu hủy — mà chỉ có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác. Đây là một trong những định luật quan trọng nhất trong vật lý.

Hình 1-6 Định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng không bao giờ bị tiêu hủy, mà chỉ chuyển đổi sang dạng khác.

Chuyển Đổi Năng Lượng

Điện năng lấy từ ổ cắm có thể biến thành ánh sáng (trong bóng đèn), nhiệt năng (trong thiết bị sưởi), chuyển động cơ học (trong động cơ) hoặc âm thanh (trong loa), tùy thuộc vào thiết bị. Năng lượng luôn được bảo toàn — nó chỉ thay đổi dạng.

Một ví dụ khác: trượt xuống dây thừng sẽ chuyển năng lượng động học của cơ thể thành nhiệt năng ở dây thừng và bàn tay, đó là lý do ma sát làm bạn chậm lại và làm dây thừng nóng lên.

Các trạng thái năng lượng

Năng lượng động — năng lượng của chuyển động

Năng lượng động biểu thị công việc đã được thực hiện — đây là năng lượng mà một vật có được do đang chuyển động. Hầu hết các dạng năng lượng đều phải ở trạng thái động trước khi có thể thực hiện công hữu ích.

Năng lượng thế — năng lượng dự trữ

Năng lượng thế là năng lượng được tích trữ. Khi các điều kiện thích hợp được đáp ứng, năng lượng thế chuyển hóa thành năng lượng động và gây ra chuyển động. Năng lượng thế bắt nguồn từ bản chất vật lý của vật hoặc vị trí của nó so với một điểm tham chiếu.

Ví dụ: nước được chứa trong bể chứa đặt cao có năng lượng thế do độ cao của nó — nước có thể chảy xuống dưới và thực hiện công ở mức thấp hơn. Một pin chưa được nối vào mạch điện lưu trữ năng lượng thế hóa học.

Hình 1-8 Hai ví dụ quen thuộc về năng lượng thế: tháp nước nâng cao và pin đã được nạp điện.

Chuyển đổi trạng thái năng lượng

Năng lượng tiềm năng và năng lượng động chuyển hóa qua lại một cách tự do. Nước trong tháp chứa năng lượng tiềm năng; khi chảy xuống dốc, nó trở thành năng lượng động; khi đổ đầy vào một dụng cụ chứa và được nâng lên lại, nó lại trở thành năng lượng tiềm năng.

Công việc

Công được thực hiện khi một lực tác dụng lên một vật và làm vật đó dịch chuyển một khoảng cách. Nếu không có sự dịch chuyển nào xảy ra, thì không có công nào được thực hiện.

Joule, J = N·m

Đơn vị SI của công là joule (J). Trong hệ đơn vị thông dụng tại Hoa Kỳ, công được đo bằng foot-pounds (ft·lbs).

Công thức tính công

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

Ví dụ: Một xe nâng hàng nâng mỗi pallet lên độ cao 5 ft (1,524 m) với lực 2.000 lbs (8.880 N). Công thực hiện trên mỗi pallet là:

Hình 1-9 Công = lực × khoảng cách. Xe nâng thực hiện công mỗi lần nâng một pallet.

Điện

Công luôn được thực hiện trong một khoảng thời gian nhất định. Công suất là tốc độ thực hiện công — tức là lượng công thực hiện được trên một đơn vị thời gian.

Công thức tính công suất

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

Áp dụng ví dụ về xe nâng: nếu lượng công 10.000 ft·lb được thực hiện trong 5 giây, thì công suất đầu ra là:

Công suất (HP)

Mã lực là đơn vị công suất trong hệ đo lường Anh. James Watt, người phát minh ra động cơ hơi nước, đã định nghĩa mã lực bằng cách so sánh hiệu suất động cơ của ông với một con ngựa đang làm việc. Ông nhận thấy một con ngựa có thể dịch chuyển một trọng lượng 550 lb đi quãng đường 1 ft trong 1 giây:

Công thức tính mã lực

kW = HP × 0,746

Ví dụ với xe nâng: 2.000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3,6 HP (= 2.707 W = 2,71 kW).

Hình 1-11 James Watt định nghĩa 1 HP là 550 ft·lbs mỗi giây sau khi quan sát các con ngựa làm việc.

Áp suất

Áp suất đo cường độ của một lực — tức là mức độ tập trung của lực đó trên một diện tích nhất định. Hai vật thể có thể tác dụng cùng một lực tổng nhưng lại tạo ra áp suất rất khác nhau tùy thuộc vào diện tích tiếp xúc.

Ví dụ thường ngày: giày cao gót so với giày đế bằng. Cả hai loại đều chịu cùng trọng lượng cơ thể, nhưng diện tích nhỏ của gót giày làm lực tập trung thành áp suất rất cao lên mặt sàn, trong khi đế bằng phân bố cùng lực đó trên diện tích lớn hơn nên tạo ra áp suất thấp. Bất kỳ ai từng bị gót giày dẫm lên bàn chân đều hiểu rõ điều này.

Công thức tính áp suất

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

Chuyển đổi đơn vị:

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar ≈ 14,5 psi
• Áp suất khí quyển tiêu chuẩn = 14,7 psia = 1,01 bar = 101.000 Pa

Ví dụ: Một khối vật có diện tích đáy 100 in² (645 cm²) nặng 100 lbs (444 N). Áp suất = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Cùng một trọng lượng 100 lbs tác dụng lên một chốt thép có diện tích đáy 0,25 in² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Hình 1-12: Cùng một lực, nhưng áp suất rất khác nhau. Diện tích càng nhỏ thì áp suất càng cao.

Năng lượng hoạt động

Cách máy móc sử dụng năng lượng thường thông qua áp suất. Áp suất là đại lượng thu được khi năng lượng động tác dụng lên bề mặt của tải. Năng lượng làm việc kết hợp năng lượng động với áp suất để di chuyển tải.

Chuyển đổi năng lượng làm việc

Trong mọi hệ thống truyền động, một phần năng lượng làm việc bị hao hụt do ma sát trên đường truyền tới tải. Năng lượng bị hao hụt này không bị tiêu biến — nó chuyển thành nhiệt. Phần năng lượng chuyển thành nhiệt chính là tổn thất của hệ thống, và đây cũng là nguyên nhân khiến các hệ thống vận hành kém hiệu quả.

Áp suất tại nguồn cao hơn áp suất tại tải do năng lượng bị tiêu hao để vượt qua lực ma sát trong đường ống, van và các phụ kiện dọc theo đường dẫn.

Hình 1-13: Năng lượng làm việc truyền từ nguồn đến tải. Ma sát dọc đường dẫn sinh ra nhiệt, làm giảm áp suất đến được tải.

Các phương pháp truyền năng lượng

Có bốn cách để máy móc truyền năng lượng từ nguồn đến nơi thực hiện công:

Truyền động cơ học

Năng lượng truyền qua chuyển động cơ học — đòn bẩy, xích, bánh răng, ròng rọc, dây đai và cam. Bộ truyền là một bộ phận cơ khí chuyển động, được kết nối trực tiếp với nguồn năng lượng.

Truyền điện

Năng lượng truyền dọc theo các dây dẫn điện (dây cáp) và được cung cấp cho cơ cấu chấp hành điện — động cơ hoặc cuộn hút — để thực hiện công.

Truyền động khí nén

Năng lượng truyền qua đường ống dưới dạng dòng khí nén và được cung cấp cho cơ cấu chấp hành khí nén (xi-lanh khí hoặc động cơ khí) để thực hiện công.

TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC

Năng lượng di chuyển qua các đường ống dưới dạng dòng chất lỏng (dầu) có áp suất và được truyền tới bộ chấp hành thủy lực (xilanh hoặc động cơ) để thực hiện công cơ học. Đây là chủ đề của toàn bộ khóa học này.

Mọi máy móc cuối cùng đều thực hiện công cơ học. Năng lượng ở bất kỳ dạng nào — điện, khí nén, thủy lực — đều phải được chuyển đổi trở lại thành năng lượng cơ học bởi một bộ chấp hành trước khi tải có thể được di chuyển. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và nhiều máy móc kết hợp hai hoặc nhiều phương pháp với nhau.

Hình 1-17: Truyền động thủy lực truyền năng lượng dưới dạng chất lỏng có áp suất. Xilanh hoặc động cơ ở đầu cuối chuyển đổi năng lượng này trở lại thành lực cơ học.

Tổn thất hệ thống

Trong mọi hệ thống truyền động thực tế, một phần năng lượng bị chuyển hóa thành nhiệt do ma sát trước khi đến tải. Năng lượng làm việc (động năng dưới áp suất) tác động lên các bề mặt trong đường ống và van, tạo ra lực cản và sinh nhiệt. Tổn thất này biểu hiện dưới dạng sự sụt giảm áp suất từ nguồn đến tải. Năng lượng được bảo toàn — nó chỉ thay đổi hình thức, khiến hiệu suất của hệ thống giảm đi.