Mașini

O mașină utilizează energie pentru a aplica forțe și a controla mișcarea pentru a efectua o acțiune intenționată. Mașinile pot fi conduse de animale și de persoane, prin forțe naturale, cum ar fi vântul și apa și prin energie chimică, termică sau electrică, și includ un sistem de mecanisme care modelează intrarea actuatorului pentru a realiza o aplicare specifică a forțelor de ieșire și a mișcării. Acestea pot include, de asemenea, computere și senzori care monitorizează performanța și planificarea mișcărilor, adesea numite sisteme mecanice.

Filozofii naturali din Renaștere au identificat șase mașini simple, care erau dispozitivele elementare care puneau în mișcare sarcina, și au calculat raportul dintre forța de ieșire și forța de intrare, cunoscut astăzi drept avantaj mecanic.

Mașinile moderne sunt sisteme complexe care constau din elemente structurale, mecanisme și componente de control și includ interfețe pentru utilizare convenabilă. Exemplele includ o gamă largă de vehicule, cum ar fi automobile, ambarcațiuni și avioane, aparate de uz casnic și de birou, sisteme de tratare a aerului în clădiri și sisteme de tratare a apei, precum și mașini agricole, mașini unelte și sisteme de automatizare a fabricilor și roboți.

 (Mașină de rulare a țigărilor a lui James Albert Bonsack, inventată în 1880 și brevetată în 1881)

Sisteme mecanice

(Motorul de abur Boulton & Watt, 1784)

Mașinile moderne sunt sisteme care constau în: (i) o sursă de alimentare și dispozitive de acționare care generează forțe și mișcări; (ii) un sistem de mecanisme care formează intrarea actuatorului pentru a realiza o aplicare specifică a forțelor și mișcărilor de ieșire; (iii) un controler cu senzori care compară ieșirea cu un obiectiv de performanță și apoi direcționează intrarea actuatorului și (iv) o interfață la un operator alcătuit din pârghii, întrerupătoare și afișaje.

Acest lucru poate fi văzut în motorul cu abur Watt (vezi ilustrația) în care puterea este furnizată de expansiunea aburului pentru a acționa pistonul. Cuplajul și manivela transformă mișcarea liniară a pistonului în rotația roții la ieșire. În cele din urmă, rotirea roții conduce un regulator care controlează supapa pentru intrarea aburului în cilindrul pistonului.

Adjectivul „mecanic” se referă la abilitatea în aplicarea practică a unei arte sau științe, precum și la ceea ce se referă sau este cauzat de mișcare, forțe fizice, proprietăți sau agenți, cum ar fi mecanica. În mod similar, Dicționarul Merriam-Webster definește „mecanic” ca fiind relativ la mașini sau unelte.

Fluxul de energie prin o mașină oferă o modalitate de a înțelege performanța dispozitivelor variind de la pârghii și roți la automobile și sisteme robotizate. Mecanicul german Franz Reuleaux a scris: „o mașină este o combinație de corpuri rezistente, astfel dispuse încât, prin mijloacele lor, forțele mecanice ale naturii pot fi obligate să facă un lucru mecanic însoțit de o anumită mișcare determinată”. Observați că forțele și mișcarea se combină pentru a defini puterea.

Mai recent, Uicker și colab. a afirmat că o mașină este „un dispozitiv pentru aplicarea puterii sau schimbarea direcției sale”. McCarthy și Soh descriu o mașină ca un sistem care „constă în general dintr-o sursă de alimentare și un mecanism pentru utilizarea controlată a acestei puteri”.

Surse de putere

Eforturile umane și animale erau sursele originale de energie pentru mașinile timpurii. Forțe naturale, cum ar fi vântul și apa, alimentau sistemele mecanice mai mari.

Roți de apă: La cca. 300 de ani î.e.n. au apărut roțile de apă pentru a folosi apa curgătoare pentru a genera mișcare rotativă, care a fost aplicată morilor, prelucrărilor de cherestea, în prelucrări mecanice și operațiuni textile. Turbinele moderne de apă utilizează apa care curge printr-un baraj pentru a fi folosite la un generator electric.

Morile de vânt: Moară de vânt timpurie a captat energia eoliană pentru a genera mișcare rotativă pentru operațiile de morărit. Turbinele eoliene moderne alimentează de asemenea un generator. Această electricitate, la rândul ei, este utilizată pentru a acționa motoare care formează servomotoarele sistemelor mecanice.

Motoare: Motorul cu abur utilizează căldură pentru a fierbe apa dintr-un vas sub presiune; aburul în expansiune acționează un piston sau o turbină. Acesta se numește un motor cu combustie externă.

Un motor de automobile este numit motor cu combustie internă deoarece arderea combustibilului (o reacție chimică exotermică) se realizează în interiorul unui cilindru și folosește gazele expandate pentru a mișca un piston. Un motor cu jet utilizează o turbină pentru a comprima aerul care este ars împreună cu combustibil, astfel încât acesta se expandează printr-o duză pentru a furniza forța unei aeronave; este, de asemenea, este un „motor cu combustie internă”.

Centrale electrice: Căldura de la arderea cărbunelui și gazului natural într-un cazan generează abur care acționează o turbină cu abur pentru a roti un generator electric. O centrală nucleară utilizează căldură de la un reactor nuclear pentru a genera abur și energie electrică. Această putere este distribuită printr-o rețea de linii de transmisie pentru utilizare industrială și individuală.

Motoare electrice: Motoarele electrice utilizează curent electric CA sau CC pentru a genera mișcări de rotație. Servomotoarele electrice sunt servomotoarele pentru sisteme mecanice, de la sisteme robotizate la aeronave moderne.

Puterea fluidelor: Sistemele hidraulice și pneumatice utilizează pompe cu acționare electrică pentru a acționa apă sau aer, respectiv, în cilindri, pentru a genera mișcarea liniară.

Mecanica

Usher afirmă că tratatul lui Hero din Alexandria despre Mecanică s-a concentrat asupra studierii ridicării greutăților mari. Astăzi mecanica se referă la analiza matematică a forțelor și mișcărilor unui sistem mecanic și constă în studierea cinematicii și dinamicii acestor sisteme.

Dinamica mașinilor

Analiza dinamică a mașinilor începe cu un model rigid pentru a determina reacțiile la lagăre, moment în care sunt incluse efectele de elasticitate. Dinamica rigidă a corpului studiază mișcarea sistemelor de corpuri interconectate sub acțiunea forțelor externe. Presupunerea că corpurile sunt rigide, ceea ce înseamnă că ele nu se deformează sub acțiunea forțelor aplicate, simplifică analiza prin reducerea parametrilor care descriu configurația sistemului la translația și rotirea cadrelor de referință atașate la fiecare corp.

Dinamica unui sistem rigid de corpuri este definită de ecuațiile sale de mișcare, care sunt derivate fie folosind legile lui Newton de mișcare, fie mecanică lagrangiană. Soluția acestor ecuații de mișcare definește modul în care configurația sistemului de corpuri rigide se schimbă ca o funcție a timpului. Formularea și soluționarea dinamicii rigide a corpurilor este un instrument important în simularea computerizată a sistemelor mecanice.

Cinematica mașinilor

Analiza dinamică a unei mașini necesită determinarea mișcării, sau cinematica, părților sale componente, cunoscute sub numele de analiza cinematică. Presupunerea că sistemul este un ansamblu de componente rigide permite mișcărilor de rotație și de translație să fie modelate matematic ca transformări euclideene sau rigide. Aceasta permite poziției, vitezei și accelerației tuturor punctelor dintr-o componentă să fie determinate din aceste proprietăți pentru un punct de referință și poziția unghiulară, viteza unghiulară și accelerația unghiulară a componentei.

PDF: https://www.telework.ro/ro/e-books/masini/