هیدرولیک Hydraulics
- generalsanat_vahid
کلاه ارتباط بین یک تپانچه آبی و این جرثقیل غول پیکر است؟ در ظاهر، اصلاً ارتباطی وجود ندارد. اما به علم پشت آنها فکر کنید و به یک نتیجه شگفتانگیز خواهید رسید: تپانچههای آبی و جرثقیلها از قدرت حرکت مایعات به روشی بسیار مشابه استفاده میکنند. این فناوری هیدرولیک نامیده میشود و برای تامین انرژی همه چیز از ترمز خودروها و کامیونهای حمل زباله گرفته تا فرمان قایقهای موتوری و جکهای گاراژ استفاده میشود. بیایید نگاهی دقیق تر به نحوه عملکرد آن بیندازیم!
عکس: این جرثقیل بوم غول پیکر خود را با استفاده از یک قوچ هیدرولیک به هوا بالا می برد. آیا می توانید قوچ را اینجا ببینید؟ یکی از آنها نقره ای درخشان در نور خورشید در مرکز تصویر است. همچنین قوچهایی وجود دارند که از تثبیتکنندهها (“خارنده”) پشتیبانی میکنند: پاهایی که در نزدیکی چرخها برای حمایت از جرثقیل در پایه زمانی که بوم کشیده میشود (آنها با نوارهای هشدار زرد و مشکی برجسته میشوند) وجود دارد.
شما نمی توانید یک مایع را له کنید!
گازها به راحتی له می شوند: همه می دانند که فشار دادن یک بادکنک چقدر آسان است. جامدات دقیقا برعکس هستند. اگر تا به حال سعی کرده اید یک قطعه فلز یا یک تکه چوب را با چیزی جز انگشتان خود فشار دهید، می دانید که تقریبا غیرممکن است. اما مایعات چطور؟ آنها در کجا قرار می گیرند؟
احتمالاً می دانید که مایعات یک حالت بینابینی هستند، از جهاتی کمی شبیه جامدات و در برخی دیگر کمی شبیه گازها هستند. اکنون، از آنجایی که مایعات به راحتی از مکانی به مکان دیگر جریان مییابند، ممکن است فکر کنید وقتی میخواهید آنها را فشار دهید مانند گاز رفتار میکنند. در واقع، مایعات عملاً تراکم ناپذیر هستند – بسیار شبیه جامدات. این دلیلی است که اگر شیرجه خود را در استخر خراب کنید، فلاپ شکم درد می کند. وقتی بدن شما به استخر می خورد، به این دلیل است که آب نمی تواند به سمت پایین فشرده شود (مثل تشک یا ترامپولین) یا به اندازه کافی سریع از مسیر خارج شود. به همین دلیل است که پریدن از روی پل ها به داخل رودخانه ها می تواند بسیار خطرناک باشد. مگر اینکه به درستی شیرجه بزنید، پریدن از روی پل به داخل آب تقریباً مانند پریدن روی بتن است. (در مورد جامدات، مایعات و گازها بیشتر بیاموزید.)
عکس: چرا آب به سرعت از سرنگ بیرون می ریزد؟ شما واقعاً نمیتوانید مایعی را فشرده کنید، بنابراین اگر آب را با فشار محکم بر روی پیستون در قسمت پایین، از طریق قسمت پهن سرنگ به سمت بالا وارد کنید، آن آب به کجا میرود؟ باید از بالا فرار کند. از آنجایی که قسمت بالا بسیار باریکتر از پایین است، آب در یک جت با سرعت بالا خارج می شود. هیدرولیک این فرآیند را به صورت معکوس اجرا می کند تا سرعت کمتر اما نیروی بیشتری تولید کند که برای تامین انرژی ماشین های سنگین استفاده می شود. دقیقاً در یک تپانچه آبی (در زیر) که عملاً فقط یک سرنگ به شکل تفنگ است، مشابه است.
این واقعیت که مایعات به راحتی فشرده نمی شوند بسیار مفید است. اگر تا به حال یک تپانچه آب شلیک کرده اید (یا یک بطری مایع شستشوی فشرده پر از آب)، قبلاً از این ایده استفاده کرده اید. احتمالاً متوجه شده اید که فشار دادن ماشه یک تپانچه آبی (یا فشار دادن آب از بطری لباسشویی) نیاز به تلاش دارد. هنگامی که ماشه را فشار می دهید (یا بطری را فشار می دهید)، باید سخت کار کنید تا آب را از طریق یک نازل باریک خارج کنید. شما در واقع به آب فشار می آورید – و به همین دلیل است که آب با سرعتی بسیار بالاتر از حرکت دادن ماشه به بیرون پرتاب می شود. اگر آب تراکم ناپذیر نبود، تپانچه های آبی به درستی کار نمی کردند. ماشه را فشار میدهید و آب داخل آن به سادگی به فضای کوچکتری میریزد – آنطور که انتظار دارید از نازل خارج نمیشود.
اگر تپانچه های آب (و بطری های فشرده) می توانند نیرو و سرعت را تغییر دهند، به این معنی است که (در اصطلاح علمی دقیق) آنها دقیقاً مانند ابزار و ماشین کار می کنند. در واقع، علم تپانچه های آبی به برخی از بزرگترین ماشین های جهان مانند جرثقیل ها، کامیون های تخلیه کننده و حفارها قدرت می دهد.
هیدرولیک در تئوری
یک تپانچه آبی را در انتهای آن بچرخانید و این چیزی است که در داخل آن می گذرد (به طور کلی ساده شده است):
هنگامی که ماشه را فشار می دهید (با رنگ قرمز نشان داده شده است)، نیروی نسبتا زیادی اعمال می کنید که ماشه را برای فاصله کوتاهی حرکت می دهد. از آنجایی که آب در فضای کوچکتر فشرده نمی شود، از طریق بدنه تپانچه به نازل باریک منتقل می شود و با نیروی کمتر اما با سرعت بیشتر به بیرون پرتاب می شود.
حالا فرض کنید که بتوانیم یک تپانچه آبی را به صورت معکوس کار کنیم. اگر میتوانستیم مایع را با سرعت زیاد به داخل نازل شلیک کنیم، آب برعکس جریان مییابد و نیروی زیادی به سمت بالا روی ماشه ایجاد میکنیم. اگر تپانچه آبی خود را بارها بالا بیاوریم، میتوانیم نیروی کافی برای بلند کردن وسایل ایجاد کنیم. رم یا جک هیدرولیک دقیقاً اینگونه عمل می کند. اگر مایع را از طریق یک لوله باریک در یک انتها بپاشید، می توانید یک پیستون را به آرامی، اما با نیروی زیاد، در انتهای دیگر بالا بیاورید:
علم پشت هیدرولیک اصل پاسکال نامیده می شود. اساساً، از آنجایی که مایع موجود در لوله تراکم ناپذیر است، فشار باید در تمام طول آن ثابت بماند، حتی زمانی که آن را به شدت از یک طرف یا طرف دیگر فشار می دهید. اکنون فشار به عنوان نیروی وارد بر واحد سطح تعریف می شود. بنابراین اگر با نیروی کمی روی یک ناحیه کوچک فشار بیاوریم، در انتهای باریک لوله در سمت چپ، باید نیروی زیادی به سمت بالا روی پیستون ناحیه بزرگتر در سمت راست وارد شود تا فشار برابر باقی بماند. به این ترتیب نیرو بزرگ می شود.
انرژی چطور؟
راه دیگر برای درک هیدرولیک، تفکر در مورد انرژی است.
قبلاً دیدهایم که قوچهای هیدرولیک میتوانند به ما نیرو یا سرعت بیشتری بدهند، اما نمیتوانند هر دو را همزمان انجام دهند – و این به دلیل انرژی است. دوباره به تصویر تپانچه آب در بالا نگاه کنید. اگر به سرعت لوله باریک را فشار دهید (با کمی نیرو)، پیستون روی لوله پهن به آرامی بالا می رود (با نیروی زیاد). چرا چنین می شود؟ یک قانون اساسی فیزیک به نام قانون بقای انرژی می گوید ما نمی توانیم از هوای رقیق انرژی بسازیم. مقدار انرژی که برای حرکت دادن پیستون استفاده می کنید برابر است با نیرویی که استفاده می کنید ضربدر فاصله ای که آن را حرکت می دهید. اگر تپانچه آبی ما در انتهای پهن دو برابر نیرویی که در انتهای باریک تولید می کنیم، تولید کند، تنها می تواند تا نصف آن حرکت کند. این به این دلیل است که انرژی که ما با فشار دادن به پایین تامین می کنیم درست در اطراف لوله به انتهای دیگر منتقل می شود. اگر همین مقدار انرژی اکنون باید دو برابر نیرو حرکت کند، می تواند آن را در همان زمان فقط نصف مسافت را حرکت دهد. به همین دلیل است که انتهای بازتر کندتر از انتهای باریک حرکت می کند.
هیدرولیک در عمل
شما می توانید هیدرولیک در حال کار را در این حفار مشاهده کنید. هنگامی که راننده یک دستگیره را میکشد، موتور حفار مایع را به لولهها و کابلهای باریک (با رنگ آبی نشان داده شدهاند) پمپ میکند و رمهای هیدرولیک (با رنگ قرمز نشان داده شده است) را مجبور میکند تا امتداد پیدا کنند. قوچ ها کمی شبیه پمپ های دوچرخه هستند که به صورت معکوس کار می کنند. اگر چندین قوچ را کنار هم قرار دهید، میتوانید بازوی حفاری را دراز کنید و بسیار شبیه بازوی یک شخص حرکت کنید – فقط با نیروی بسیار بیشتر. قوچ های هیدرولیک به طور موثر ماهیچه های حفار هستند:
عکس: رام هیدرولیک مختلف در این حفار در حال کار هستند. قوچ ها با فلش های قرمز رنگ و لوله ها و کابل های هیدرولیک باریک و پذیرایی که آنها را تغذیه می کنند به رنگ آبی نشان داده اند.
هر قوچ مانند یک تپانچه آبی دیزلی به صورت معکوس کار می کند:
موتور سیال هیدرولیک را از طریق یکی از لولههای نازک پمپ میکند تا قوچ ضخیمتر را با نیروی بسیار بیشتری به بیرون منتقل کند، مانند این:
ممکن است تعجب کنید که اگر سیال هیدرولیک همیشه آن را از یک جهت فشار می دهد، چگونه یک قوچ هیدرولیک می تواند هم به سمت داخل و هم به سمت بیرون حرکت کند. پاسخ این است که مایع همیشه یکسان فشار نمی آورد. هر قوچ از طرف مقابل توسط دو لوله مجزا تغذیه می شود. بسته به اینکه سیال به چه سمتی حرکت می کند، قوچ به سمت داخل یا خارج، بسیار آهسته و هموار فشار می آورد، همانطور که این انیمیشن کوچک روشن می کند:
دفعه بعد که بیرون رفتید، ببینید چند ماشین هیدرولیک را می توانید تشخیص دهید. شاید تعجب کنید که چقدر کامیون، جرثقیل، حفار، کمپرسی، بیل مکانیکی و بولدوزر از آنها استفاده می کنند. در اینجا یک مثال دیگر وجود دارد: یک پرچین هیدرولیک در پشت یک تراکتور. سر برش باید محکم و سنگین باشد تا بتواند از پرچین ها و درختان عبور کند و هیچ راهی وجود ندارد که راننده بتواند آن را با دست بلند کند یا قرار دهد. خوشبختانه، کنترل های هیدرولیک همه این کارها را به طور خودکار انجام می دهند: با چندین مفصل هیدرولیک، کمی شبیه به شانه، آرنج و مچ دست، کاتر با انعطاف پذیری به اندازه بازوی انسان حرکت می کند:
هیدرولیک مخفی
با این حال، همه ماشین های هیدرولیک چندان واضح نیستند. گاهی اوقات قوچ های هیدرولیک آنها دور از دید پنهان می شوند. آسانسورها (“بالابر”) عملکرد خود را به خوبی مخفی نگه می دارند، بنابراین همیشه مشخص نیست که آنها به روش سنتی (با کابل متصل به موتور بالا و پایین کشیده می شوند) یا به جای آن از هیدرولیک استفاده می کنند. آسانسورهای کوچکتر اغلب از قوچ های هیدرولیک ساده ای استفاده می کنند که مستقیماً در زیر یا در کنار شفت بالابر نصب می شوند. آنها ساده تر و ارزان تر از آسانسورهای سنتی هستند، اما می توانند انرژی بسیار بیشتری مصرف کنند.
موتورها نمونه دیگری هستند که هیدرولیک را می توان از دید پنهان کرد. موتورهای الکتریکی سنتی از الکترومغناطیس استفاده می کنند: هنگامی که یک جریان الکتریکی از طریق سیم پیچ های داخل آنها می گذرد، نیروی مغناطیسی موقتی ایجاد می کند که به حلقه ای از آهنرباهای دائمی فشار می آورد و باعث می شود شفت موتور بچرخد. موتورهای هیدرولیک بیشتر شبیه پمپ هایی هستند که به صورت معکوس کار می کنند. در یک مثال، که موتور دنده هیدرولیک نامیده میشود، سیال از طریق یک لوله به موتور جریان مییابد و باعث میشود یک جفت چرخدنده نزدیک به هم بچرخند، قبل از اینکه از طریق لولهای دیگر به بیرون جریان یابد. یکی از چرخ دنده ها به شفت موتور متصل است که هر چیزی را که موتور نیرو می دهد را به حرکت در می آورد، در حالی که دیگری (“دنده بیکار”) به سادگی می چرخد تا مکانیزم کامل شود. در جایی که یک قوچ هیدرولیک سنتی از نیروی یک سیال پمپ شده برای فشار دادن قوچ به جلو و عقب در یک فاصله محدود استفاده می کند، یک موتور هیدرولیک از سیال با جریان مداوم برای چرخاندن شفت تا زمانی که لازم است استفاده می کند. اگر می خواهید موتور را در جهت مخالف بچرخانید، به سادگی جریان سیال را معکوس می کنید. اگر می خواهید چرخش آن را سریعتر یا کندتر کنید، جریان سیال را کم یا زیاد می کنید
اثر هنری: یک موتور دنده هیدرولیک ساده شده. سیال (زرد) از سمت چپ به داخل جریان می یابد، دو چرخ دنده را می چرخاند و به سمت راست می ریزد. یکی از چرخ دنده ها (قرمز) شفت خروجی (مشکی) و ماشینی که موتور به آن متصل است را تغذیه می کند. دنده دیگر (آبی) بیکار است.
چرا به جای موتور الکتریکی از موتور هیدرولیک استفاده می کنید؟ در جایی که یک موتور الکتریکی قدرتمند معمولاً باید واقعاً بزرگ باشد، یک موتور هیدرولیک به همان اندازه قدرتمند میتواند کوچکتر و فشردهتر باشد، زیرا قدرت خود را از یک پمپ دورتر میگیرد. همچنین میتوانید از موتورهای هیدرولیک در مکانهایی استفاده کنید که ممکن است برق قابل دوام یا ایمن نباشد – به عنوان مثال، در زیر آب، یا جایی که خطر جرقههای الکتریکی ایجاد آتشسوزی یا انفجار وجود دارد. (یک گزینه دیگر، در این مورد، استفاده از پنوماتیک است – قدرت هوای فشرده.)