درسنامه آموزشی دانش فنی پایه مکاترونیک کلاس دهم مکاترونیک
پودمان 3: فیزیک مکانیک
مکانیک
مکانیک بخشی از دانش فیزیک است. سرآغاز این رشته در تاریخ با شروع مهندسی همزمان است. مکانیک را علمی تعریف کردهاند که شرایط سکون یا حرکت اجسام تحت تأثیر نیروها را پیشبینی و توصیف میکند. علم مکانیک به دو بخش ایستایی (static) و پویایی (dynamic) قابلتقسیم است. ایستایی به بررسی اجسام در حالت تعادل و پویایی به بررسی اجسام شتابدار میپردازد.
ایستایی
به پیرامون خود نگاه کنید. درختان، ساختمانها، تجهیزات و حتی قاب عکس روی دیوار همه در حالتی پایدار قرار دارند و تا وقتی که تعادل خود را حفظ کنند پایدار باقی میمانند. ساختمانی که در مجاورتش خاکبرداری غیراصولی انجامشده باشد ممکن است تعادل خود را از دست بدهد و فرو بریزد. ایستایی به بررسی شرایط تعادل و نیروها در اجسام میپردازد.
مفاهیم پایه
پیش از این با بسیاری از مفاهیم علم مکانیک در درسهای علوم، ریاضی و کاروفناوری آشنا شدهاید. از آنجا که این مفاهیم در این رشته کاربرد زیادی دارند، درک درستی از آنها لازم است. در اینجا برای یادآوری به تعریف چند مفهوم پایه اشاره میشود.
طول:
طول اندازه یکخط در راستای مستقیم یا منحنی است. برای نمونه قطر یک دایره طول خط مستقیمی است که دایره را به دو قسمت مساوی تقسیم میکند یا محیط دایره طول پیرامون آن است. یکای اندازهگیری طول در دستگاه بینالمللی یکاها $S{I^3}$ متر (m) است. البته برای اندازهگیری طول از یکاهای دیگری مانند میلیمتر (mm) و سانتیمتر (cm) نیز استفاده میشود.
مساحت:
مساحت، اندازه دوبعدی یک شکل هندسی یا رویه یک جسم است. شکل هندسی ممکن است تخت یا خمیده باشد. یکای اندازهگیری مساحت در SI مترمربع ${m^2}$ است. برای اندازهگیری سطوح بزرگتر از یکایی مانند کیلومترمربع $(K{m^2})$ استفاده میشود و در سطوح کوچکتر از یکایی مانند سانتیمترمربع $(c{m^2})$ استفاده میشود.
حجم:
حجم هر جسم، فضایی است که آن جسم اشغال میکند. یکای حجم فضای مکعبی است که هر ضلع آن برابر یکای طول است. در SI، یکای طول متر است در نتیجه حجم را به صورت $1{m^3}$ نمایش میدهند.
فعالیت (صفحه 89 کتاب درسی)
بر روی سرنگی نوشته شده است 10cc مفهوم این عدد چیست؟
جرم:
به مقدار ماده موجود در یک جسم، جرم میگویند. یکای اندازهگیری جرم در دستگاه SI کیلوگرم (kg) است.
چگالی:
چگالی، جرم واحد حجم ماده است. برای نمونه یک سانتیمترمکعب آهن 7/8 گرم وزن دارد. میگوییم چگالی آهن 7/8 است. یکای اندازهگیری چگالی در دستگاه SI، کیلوگرم بر مترمکعب است.
جسم صلب:
وقتی در مقابل اعمال نیرو، اندازه و شکل جسم تغییر نکند، میگوییم جسم صلب است.
نیرو:
تغییر در حرکت یک جسم ناشی از اعمال یک یا چند نیرو به آن میباشد. نیرو به سادهترین شکل، بهصورت فشاری یا کششی است که میتواند منابع مختلفی مانند گرانشزمین، الکتریکی، مغناطیسی، فسیلی و یا عضلانی باشد. وقتی بیش از یک نیرو به جسمی وارد شود، نیرویخالص را درنظر میگیریم؛ مثلاً اگر شما و دوستتان یک میله را در یک جهت با نیروی مساوی اهرم کنید، نیروها با هم ترکیب میشوند و نیرویخالصی به میزان دو برابر نیروی شما تولید میشود. اما اگر هریک از شما با نیروهای مساوی ولی اینبار در خلاف جهت یکدیگر میله را اهرم کنید در این حالت جمع نیروهای شما صفر میشود و به میله هیچ نیرویی اعمال نمیشود. در نتیجه در محاسبۀ نیروها علاوه بر اندازه نیروها، جهت اعمال نیروها نیز مهم میباشد. پرکاربردترین یکاهای اندازهگیری نیرو در SI، نیوتون (N) و کیلوگرم نیرو (kgf) هستند.
قانون اول نیوتون
وقتی نیرویخالص وارد بر جسم صفر باشد، میگوییم آن جسم در تعادل مکانیکی است. با نمادگذاری ریاضی این عبارت را به این صورت میتوان نوشت:
$\sum {f = 0} $
نماد $\sum {} $ نشانۀ جمع برداری است و $f$ نیروها را نشان میدهد.
شکل (1-3) یک ترازو در حالتتعادل را نشان میدهد.
فعالیت (صفحه 90 کتاب درسی)
نقاشی بر روی داربستی که از هر دوطرف بهوسیله دو طناب مهار شدهاست قرار دارد. بر روی هر کدام از طنابها ترازویی قرار داده شده است. در هر حالت مقدار ترازوی سمت چپ نسبت به مقدار ترازوی سمت راست چه عددی را نمایش میدهد:
- نقاش در وسط داربست ایستادهاست:
- نقاش از سمت راست فاصله گرفتهاست:
- نقاش از انتهای داربست آویزان شدهاست:
فعالیت (صفحه 91 کتاب درسی)
با توجه به قانون اول نیوتون، نحوۀ عملکرد ترازوی زیر را شرح دهید.
ویژگیهای نیرو
میدانیم که نیرو یک کمیتبرداری است. کمیتهایبرداری دارای سه ویژگی مقدار، راستا و جهت هستند. برای معرفی کامل یک نیرو، علاوهبر سه مورد فوق، نقطه اثر نیرو نیز باید مشخص شود. (شکل 2-3 الف، ب و ج)
در شکل 3-3 الف فردی نمایش دادهشده که تلاش میکند با ریسمان جعبهای را روی زمین بکشد. در شکل 3-3 ب راستاینیرو با خط AB، جهت آن با پیکان و مقدار نیرو با طول بردار AB (متناسب با اندازه نیرو) مشخص شدهاند.
مؤلفههای نیرو
هر نیرو را میتوان به دو مؤلفه تجزیه نمود به نحوی که تأثیر همزمان این مؤلفهها، اثر خود نیرو را داشته باشد. بهطور معمول، نیرو را در دو راستای عمود برهم y و x تجزیه میکنند، مؤلفه افقی را با اندیس x و مؤلفه عمودی را با اندیس y نمایش میدهند. برای بهدست آوردن مؤلفههای نیرو روش محاسباتی بیان میشود. در شکل 4-3 الف کابل با نیروی F کشیده میشود. برای تعیین مؤلفههای نیروی F در نمای نشان داده شده در شکل 4-3 ب به این ترتیب عمل میشود.
تجزیه نیرو:
اندازه مؤلفههای عمودی نیروی F که با محور x زاویه $\theta $ را میسازد به کمک روابط زیر محاسبه میشود. توجه داشتهباشید که در روابط فوق، زاویه نیرو با محور xها مورد استفاده قرار میگیرد. (شکل 5-3)
${F_x} = F \times \cos \theta $
${F_y} = F \times \sin \theta $
در یک کامیون حمل بار مطابق شکل 6-3 جکهیدرولیکی نیرویی برابر 40kN در امتداد خود به باری که بلند میکند اعمال مینماید. مؤلفههای افقی ${F_x}$ و عمودی ${F_y}$ این نیرو را زمانی که زاویه $\theta = 60$ است، محاسبه کنید.
${F_x} = F \times \cos {60^ \circ } = 40 \times 0/5 = 20kN$
${F_y} = F \times \sin {60^ \circ } = 40 \times \frac{{\sqrt 3 }}{2} = 20\sqrt 3 = 34/6kN$
برایند نیروها
گفتیم که نیروی وارد بر یک جسم، تمایل به حرکت در راستای نیرو را بهوجود میآورد. حال اگر به جسمی در جهتهای مختلف نیرو وارد شود، (مانند قایق موجود در شکل 7-3) جسم در کدام جهت تمایل به حرکت خواهد داشت؟
برای بهدست آوردن مجموع تأثیر نیروهای مختلف در یک جسم، برآیند نیروها را محاسبه میکنند. برآیند نیروها را با R نمایش میدهند.
محاسبه برآیند نیروها
برای بهدست آوردن برآیند دو نیروی ${F_1}$ و ${F_2}$ که با یکدیگر زاویه $\alpha $ میسازند (شکل 8-3) از رابطه زیر استفاده میشود:
$R = \sqrt {F_1^2 + F_2^2 + 2{F_1}{F_2}\cos \alpha } $
فعالیت (صفحه 94 کتاب درسی)
ابتدا نیروهای وارد بر نبشیهای پایه دکل نفتی (شکل 9-3) را به دو مؤلفۀ x,y بر روی شکل 10-3 تجزیه کنید، سپس برآیند نیروهای وارد بر آن را بهدست آورید؟
فشار:
نیروی وارد بر سطح میباشد. برای تشخیص تفاوت فشار و نیرو، دو قطعه در شکل 11-3 را درنظر بگیرید. قطعهها یکسان هستند. ولی یکی از آنها روی انتها و دیگری روی پهلویش قرار گرفته است. وزن هر دو قطعه یکی است و در نتیجه نیروی یکسانی به سطح وارد میکنند (اگر آنها را روی ترازو بگذاریم هردو یک عدد را نشان میدهند.) ولی قطعه قایم فشار بیشتری به سطح وارد میکند. اگر قطعه را کج کنیم بهطوری که فقط روی یک گوشه قرار گیرد، فشار باز هم بیشتر میشود. واحد اندازهگیری فشار، پاسکال میباشد و آن را با حرف P نمایش میدهند.
فعالیت (صفحه 95 کتاب درسی)
با فهمیدن مفهوم فشار توضیح دهید چرا در هنگام شیرجهزدن در آب میبایست ابتدا دستها و سر وارد آب شوند؟
کار:
اگر نیرویی بر جسمی وارد شود و آن را به حرکت درآورد، کار انجام شده است. وقتی کار انجام میشود، انرژی از نوعی بهنوعی دیگر تبدیل میشود.
توان:
انرژی تبدیلشده یا کار انجامشده در واحد زمان، توان نامیده میشود. یکای اندازهگیری توان، وات (W) میباشد. توان را با واحد دیگری بهنام اسببخار نیز بیان میکنند که هر اسب بخار برابر با 746 وات است. برای نمونه مقدار مشخصی انرژی برای بالابردن یک آسانسور لازم است. یک الکتروموتور با توان 5kw میتواند این کار را انجامدهد اما یک الکتروموتور 20kw این کار را چهار بار سریعتر انجام میدهد.
در شکل 12-3 لیفتراک، مقدار نیروی 5000N به جعبه وارد میکند و در مدت زمان 2/5s آن را به اندازه 2m جابهجا مینماید. مطلوب است محاسبه توان این لیفتراک.
$d = 2m$ جابهجایی
$T = 2/5s$ مدت زمان
$P = ?$ توان
$P = \frac{w}{t},w = f.d$
توان برابر با نسبت جابهجایی ضربدر مقدار نیرو به زمان
$P = \frac{{f.d}}{t} = \frac{{500N \times 2m}}{{2/5s}} = 400w = 0/4kw$
گشتاور:
انتهای خطکشی را با دست خود بهصورت افقی نگه دارید. وزنهای نزدیک دستتان از آن بیاویزید. احساس میکنید که خطکش تاپ میخورد. حال وزنه را بلغزانید تا از دستتان دور شود. احساس میکنید که پیچوتاب شدیدتر میشود، اما وزنه تغییری نکرده است. نیروی وارد بر دست شما یکسان است. آنچه تغییر کرده گشتاور است. (شکل 13-3)
نیرو تمایل به حرکتدادن اجسام یا تغییر در سرعت آنها را دارد و گشتاور تمایل به پیچاندن اجسام یا تغییر در حالت چرخش اجسام. اگر بخواهیم جسم ساکنی را به حرکت در آوریم به آن نیرو وارد میکنیم ولی اگر بخواهیم جسم ساکنی را بچرخانیم به آن گشتاور وارد میکنیم.
گشتاور را بهصورت حاصل ضرب بازوی اهرم در نیرو تعریف میکنیم که میخواهد باعث چرخش شود.
گشتاور = نیرو×بازوی اهرم
$M = d \times F$
فعالیت (صفحه 97 کتاب درسی)
چرا راننده کامیونها در هنگام باز و بسته کردن پیچهای چرخ کامیون میلهای را به دسته آچار خود اضافه میکنند تا دسته آن بلندتر شود؟
گشتاور نیرو:
برای بررسی کامل اثر نیروهایی که بر یک جسم وارد میشوند لازم است تا تمایل به چرخشی که در جسم بهوجود میآید نیز بررسی شود. همانگونهکه میدانید گشتاور، معیاری برای اثر چرخشی نیرو حول یک نقطه معین است و بهصورت زیر تعریف میشود:
$M = F \times d$
در رابطه ذکر شده:
M معرف: گشتاور نیرو با یکای N.m
F معرف: نیرو با یکای N
d معرف: بازوی گشتاور با یکای m
گشتاور اعمالشده به یک جسم ممکن است جسم را در جهت ساعت گرد یا خلاف عقربه ساعت بچرخاند. در اینجا گشتاور ساعتگرد با علامت منفی و گشتاور خلاف عقربه ساعت با علامت مثبت نشان داده شده است.
در سازه زیر گشتاور ناشی از نیروی 600N را حول نقطه O بر حسب N.m محاسبه نمایید.
از رابطه خواهیم داشت:
${F_x} = 600 \times \cos {40^ \circ } = 460N$
${F_y} = 600 \times \sin {40^ \circ } = 386N$
با محاسبه گشتاور این مؤلفهها حول نقطه O، گشتاور نیروی F حول این نقطه بهدست میآید:
ساعتگرد ${M_O} = (460N)(4m) + (386N)(2m) = 2610N.m$
انواع نیروهای وارد بر یک جسم
در قسمت قبل به بررسی مفاهیم پایه در ایستایی پرداختیم که جسم در اثر اعمال نیرو تغییر شکل نمیدهد.
در این قسمت میخواهیم رفتار اجسام را تحتتأثیر نیروهای مختلف تجزیه و تحلیل کنیم.
رفتار اجسام تحت بارهای مختلف عبارتاند از:
کششی و فشاری
در صورتیکه به جسمی نیروهایی در امتداد محور طولی و عمود بر سطح مقطع آن وارد شود، میتوانند بهصورت کششی یا فشاری به اجسام وارد شوند و در آنها افزایش یا کاهش طول ایجاد نمایند.
برشی
جهت درک بهتر این موضوع آزمایش زیر را انجام دهید. کتاب خود را برروی میز به طوری قرار دهید تا از یک سمت به میز و از سمت دیگر آزاد باشد. همانطور که مشاهده میشود اگر به کتاب نیروی عرضی واردشود علاوه بر خمش، یک لغزش بین صفحات ایجاد میشود. این لغزش بهدلیل نیروی برشی وارد بر کتاب است.
گشتاور خارجی
خمشی (ممان)
درصورتیکه دو گشتاور مساوی و در خلاف جهت یکدیگر در دو طرف جسم وارد شود، جسم دچار خمش میشود.
پیچشی (ترک)
در صورتی که گشتاور وارد بر یک جسم، حول محور طولیاش باشد، میله تحت پیچش قرار میگیرد.
تغییرات ایجاد شده در اجسام با اعمال نیروی محوری به آنها
تنش محوری
به نیروی وارد بر واحد سطح، تنش گفته میشود. چنانچه نیروی وارد، نیرویمحوری باشد به این نیرو، تنشمحوری وارد بر سطح A گفته میشود.
فعالیت (صفحه 101 کتاب درسی)
میله منشوری زیر را در نظر بگیرید که تحت نیروی کششی F قرار دارد. بهنظر شما اثر نیروی F در یک مقطع دلخواه مانند (a-a) به چه صورتی خواهد بود؟
بارهای محوری ضمن افزایش یا کاهش طول، سبب کاهش یا افزایش ابعاد دیگر جسم نیز میشود.
در شکل 18-3 در سطح مقطع (a-a) تنشمحوری به جسم وارد شده است که مقدار آن از رابطه زیر بهدست میآید.
$\sigma = \frac{{ \pm F}}{A}$
$\sigma $: تنشمحوری (فشاری یا کششی)
F: نیرویمحوری (کششی با علامت + و فشاری با علامت -)
A: سطح مقطع
واحد تنش در سیستم SI با توجه به رابطه آن، $\frac{N}{{{m^2}}}$ (پاسکال PA) میباشد و بهتر است بهمنظور هماهنگی با آئیننامهها در محاسبات از واحد $\frac{N}{{m{m^2}}}$ (مگاپاسکال MPa) استفاده شود.
ستونی کوتاه (شکل 19-3) تحت تأثیر نیروی محوری $p = 250KN$ قرار دارد. تنش پای ستون را محاسبه کنید؟ نیروی p فشاری است.
$p = - 250KN = - 250 \times 1000 = - 250000N$
$A = \frac{{\pi {d^2}}}{4} = \frac{{3/14 \times {{(200)}^2}}}{4} = 31400m{m^2}$
$\sigma = \frac{F}{A} \Rightarrow \sigma = \frac{{ - 250000N}}{{31400m{m^2}}} = 7/96\frac{N}{{m{m^2}}}$
تغییر طول اجسام تحت تأثیر بارهای محوری
میله BC به طول L و سطح مقطع A مطابق شکل 20-3 الف مفروض است. اگر نیرویکششی F به آن وارد شود، سبب افزایش طول میله به اندازه $\Delta L$ خواهد شد که مقدار آن از رابطه زیر تعیین میشود (شکل 20- 3- ب).
$\Delta L = \frac{{F \times L}}{{A \times E}}$
در این رابطه E ضریب ارتجاعی (مدول یانگ (Young's modulus)) جسم میباشد که به جنس میله بستگی دارد و واحد آن نیز همان واحدتنش یعنی $\frac{N}{{m{m^2}}}$ و یا (MPa) است.
میله فولادی (با ضریب ارتجاعی $E = 2 \times {10^5}$ تحت نیروی $F = 471KN$ قرار میگیرد. میزان تغییر طول ایجاد شده را محاسبه کنید؟
$F = + 471KN = + 471000N$
$L = 80cm = 800mm$
$A = \frac{{\pi .{D^2}}}{4} = \frac{{R{{.20}^2}}}{4} = 314m{m^2}$
$E = 2 \times {10^5}N/m{m^2}$
$\Delta L = \frac{{F \times L}}{{A \times E}} = \frac{{ + 471000 \times 800}}{{314 \times 2 \times {{10}^5}}} = + 6mm$
کاربرد سیالات در صنعت
در دنیای مدرن امروز، هیدرولیک نقش بسیار مهمی در زندگی روزمره مردم بازی میکند. اگر با دقت به اطراف خود نگاه کنید میبینید که در صنایع مختلف سیستمهای هیدرولیکی استفاده شدهاند. فرمانخودرو یک سیستم هیدرولیکی است. ماشین جمعآوری زباله، ماشینهای مورد استفاده در راهسازی همگی دارای سیستم هیدرولیکی میباشند.
دلیل کاربرد بسیار زیاد سیستمهای هیدرولیکی را میتوان بهسادگی طراحی، سادگی و دقت کنترل، انعطافپذیری، قابلیت افزایش نیرو و راندمان بالای این سیستمها اشاره کرد. البته این سیستمها دارای معایبی نظیر نشتی که باعث افت فشار در سیستم میشود و همچنین هزینههای بالای قطعات نیز هستند.
اصل پاسکال
از اصولیترین قوانین حاکم بر سیالات، قانون پاسکال است. طبق این قانون فشار وارده بر یک سیال، درون سیال و در همه جهات منتشر میشود.
دو جعبه مانند شکل 22-3 در تماس باهم در نظر بگیرید. اگر به جعبه 1 نیرویی وارد شود، این جعبه، نیرویی را به جعبه 2 وارد خواهد کرد.
نیروی وارد بر جعبه 2 در همان جهت نیروی وارد شده بر جعبه است. حال اگر نیرویی را بر یک سیال وارد کنیم، فشار به همه نقاط درون سیال انتقال پیدا میکند. این اصلبنیادی را فردی به نام پاسکال کشف کرد و به افتخار ایشان این اصل به نام این دانشمند نامگذاری شده است.
فشار واردشده بر هر سیال محدود تراکمناپذیر، به همۀ نقاط درون سیال انتقال پیدا میکند. همانطور که قبلاً اشاره شد، فشار بهصورت نیروی وارد بر سطح تعریف میشود.
$P = \frac{F}{A}$
فعالیت (صفحه 105 کتاب درسی)
با توجه به اصلپاسکال، میتوان با یک نیروی کم، یک نیروی زیاد را تولید کرد. با توجه به شکل 23-3 این مفهوم را ثابت کنید.
اجزا و ملزومات سیستم هیدرولیکی
ملزومات
مخزن:
همانطور که از نام آن پیداست، روغن را در خود نگهداری میکند. روغن هیدرولیکی از مخزن خارج شده و وارد سیستم هیدرولیکی میشود و دوباره به مخزن برمیگردد.
هواکش:
روغن موجود در مخزن، هنگامی که سیستم در حال کار کردن است، بالا و پایین میرود و یک هواکش برای مخزن به عنوان تأمین هوای بیرونی عمل میکند.
فشار سنج:
میزان فشار در یک سیستم هیدرولیک را اندازهگیری میکند. فشارسنجها از لوله بوردون، چرخدنده، عقربه و صفحه مدرج شده تشکیل شده است. عضو اصلی فشارسنجها لوله بوردون میباشد. لوله بوردون از یک لوله فلزی خمیده بیضوی تشکیل شده است که با افزایش فشار سیال تمایل به بازشدن داشته و با کاهش فشار انحنای بیشتری مییابد. تغییرات انحنا از طریق یک سیستم چرخدندهای به عقربه منتقل میشود. جهت و مقدار حرکت عقربه به جهت و مقدار تغییر انحنای لوله بوردون بستگی دارد.
پژوهش کنید (صفحه 106 کتاب درسی)
جهت افزایش عمر فشارسنجها در سیستمهایهیدرولیکی، از آنها چطور استفاده میکنند؟
اجزا
سیستمهایهیدرولیکی دارای سه جزء اصلی بهمنظور تولید، کنترل و انتقال توان میباشند.
پمپها:
پمپها روغن را از مخزن بیرون کشیده و آن را میان یکسری از شیرها و عملگرهای هیدرولیکی (سیلندرها و هیدروموتورها) پخش میکنند. پمپها براساس نوع عملکردشان به انواع مختلفی مانند پمپهای دندهای، پمپهای پیستونی و پمپهای پرهای تقسیم میشوند.
عملگرها:
از جمله کاربردهای سیستمهایهیدرولیکی جابهجا کردن اجسام، اعمال نیرو به اجسام و ایجاد گشتاور میباشد. قطعاتی که این کار را انجام میدهند عملگر نامیده میشوند. با توجه به اینکه عملگرها حرکت دورانی و یا حرکت خطی ایجاد میکنند به دو دسته عمده تقسیمبندی میشوند:
الف) عملگرهای دورانی (هیدروموتورها)
ب) عملگرهای خطی (سیلندرها)
شیرهای کنترل:
یکی از مهمترین بخشها در سیستمهای هیدرولیک، بخش کنترل میباشد. شیرها وظیفه کنترل را در سیستمهای هیدرولیکی برعهده دارند و دارای سه نوع، شیرهای کنترل فشار، شیر کنترل جهت و شیر کنترل جریان میباشد.
پنوماتیک
یکی از سیالات مورد استفاده در صنعت، هوای فشرده شده میباشد. از هوای فشرده شده جهت کنترل و انتقال نیرو به سیستمها استفاده میشود که به این علم پنوماتیک گفته میشود. کلمه پنوما از کلمه یونان قدیم مشتق شده است و به عنوان تنفس باد و در فلسفه به عنوان روح است.
سیستمهای پنوماتیکی بهدلیل تمیزی، در صنایع بستهبندی و صنایعغذایی کاربرد بسیار زیادی دارند.
از مزایای پنوماتیک میتوان به:
1- در دسترس بودن هوا
2- انتقال راحت هوای فشرده از طریق لوله
3- انبارکردن هوا در مخازن و کپسولها
4- تأثیر کم دما بر روی هوای فشرده
5- عدم انفجار هوای فشرده
6- سادگی ساختمان قطعات
7- تنظیم سرعت و نیرو
8- تمیزی هوای فشرده اشاره کرد.
با این وجود سیستمهای پنوماتیکی دارای معایب و محدودیتهایی نیز میباشند. معایب سیستمهایپنوماتیکی عبارتاند از:
1- صدای زیاد
2- مخارج بالا
3- تراکمپذیری هوا و در نتیجه عدمامکان ایجاد سرعت یکنواخت در عملگرها
4- آمادهسازی
تراکمپذیری هوا
هوا قابلیت تراکمپذیری دارد. بدین معنا که اگر هوا تحت فشار قرار بگیرد، متراکم میشود.
پژوهش کنید (صفحه 110 کتاب درسی)
سرنگی برداشته و طبق شکل زیر انگشت خود را سر آن گذاشته و پیستون را فشار دهید.
همانطور که پیستون تا جایی جلو میرود ولی از یک نقطه به بعد فشردن آن بسیار دشوار میشود.
در کلاس در مورد دلیل این موضوع بحث کنید. چرا پیستون توانست تا حدی جلو برود ولی از این بیشتر ممکن نبود. در حالی که در ظاهر چیزی درون سرنگ نبود؟
آزمایش فوق را اینبار با سرنگی پر از آب تکرار کنید. این بار چطور؟ آیا سرنگ را توانستید فشرده کنید؟
بهنظر شما تفاوت دو آزمایش فوق در چیست؟ شباهتشان چیست؟
قانون بویل ماریوت
این قانون، بیان میکند که حاصل ضرب فشار در حجم یک مقدار معین گاز در صورتیکه حرارت ثابت باشد، همیشه ثابت خواهد ماند.
${P_1}{V_1} = {P_2}{V_2}$
فعالیت (صفحه 111 کتاب درسی)
هوا با حجم $v = 2{m^3}$ تحت فشار $P = 400kpa$ قرار دارد. حال با ثابتبودن حرارت چنانچه حجم مذکور در اثر نیرویی به $v = 0/5{m^3}$ برسد فشار حاصله چقدر است؟
اجزا و ملزومات سیستم پنوماتیکی
اجزا
سیستمهای پنوماتیکی نیز همانند سیستمهای هیدرولیکی جهت تولید، کنترل و انتقال توان دارای اجزا و ملزوماتی هستند.
در زیر به معرفی هرکدام از این اجزا میپردازیم.
اجزای اصلی سیستمهایپنوماتیکی شامل سه بخش کمپرسورها، شیرهای کنترل و عملگرها میباشد.
کمپرسورها:
کمپرسورها منبع اصلی تولید هوای فشرده در سیستمهای پنوماتیکی میباشد.
کمپرسورها بهطور کلی از نظر نوع ساختمان به سه دسته کمپرسورهای پیستونی، کمپرسورهای دورانی و کمپرسورهای سیالی تقسیمبندی میشوند.
شیرهای کنترل:
شیرهای پنوماتیکی جزء عناصر بسیار مهم و کلیدی در مدارات پنوماتیک میباشند که تعیینکننده نحوه عملکرد مدار میباشد.
شیرهای پنوماتیکی از نظر کاربرد به پنج دسته تقسیم میشوند:
1- شیرهای کنترل جهت
2- شیرهای کنترل جریان
3- شیرهای کنترل فشار
4- شیرهای یک طرفه
5- شیرهای قطع و وصل
عملگرها:
در سیستمهای پنوماتیکی انرژی پنوماتیکی توسط عملگرها به انرژیمکانیکی تبدیل میشود.
عملگرها به دو دسته، عملگرهای خطی (سیلندرها) و عملگرهای دورانی (موتورهای پنوماتیکی) تقسیم میشوند.
ارزشیابی پایانی پودمان (صفحه 113 کتاب درسی)
1- بردار زیر را به مؤلفههای متعامد آن تجزیه نمایید؟
2- گشتاور نیروهای زیر حول محور دوران را با استفاده از تعریف گشتاور حساب کنید؟
راهنمایی: برای محاسبه d کافی است نیرو را امتداد داده و از مرکز دوران بر آن عمود رسم کنیم:
نسبت ضلع مجاور به وتر = $\cos \alpha $
3- لوستری به وزن 50kN از کابلی به قطر 30 میلیمتر آویزان است. مطلوب است محاسبه تنش محوری کابل.
4- ستونی تحتتأثیر بار محوری 500kN قرار دارد. مطلوب است محاسبه تنش در پای ستون (از وزن ستون صرفنظر شود).
5- نیرویی برابر 1000kN بر یک صفحه کف ستون وارد میشود. اگر تنش زیر صفحه 5MPa باشد، مطلوب است محاسبه ابعاد کف ستون درصورتیکه صفحه کف ستون:
الف) مربع باشد.
ب) دایره باشد.
پروژه (صفحه 114 کتاب درسی)
با کمک همگروهی خود پل ماکارونی بسازید و مقاومت آن را در بارگذاری نسبت به پل ماکارونی سایر همکلاسیهایتان بررسی کنید. راهکار خود را برای بهبود مقاومت پل خود بنویسید.
