Vật lý cơ bản cho máy động lực

Để mô tả tác dụng cũng như chất lượng của máy động lực, ta cẩn những khái niệm từ lĩnh vực vật lý, thí dụ như công, năng lượng, công suất, hiệu suất.

• Công

Trong những quá trình chuyển động, người ta gọi công W là tích số của lực F và đoạn đường s.

Đơn vị của công là Joule (ký hiệu đơn vị là J) Công 1J được tạo ra khi lực 1N tác dụng trên đoạn đường 1m. 1J = 1 N.m

Thí dụ như công nâng được thực hiện khi chi tiết được nâng lên cao (Hình 1). Công nâng được lưu trữ trong chi tiết được nâng cao.

Thí dụ: Một chi tiết với khối lượng m = 4,5 kg được nâng lên cao 2,4 m với lực nâng F = 44,15 N. Như vậy công nâng là bao nhiêu?

Lời giải: W = F.s = 44,15 N . 2,4 m = 105,96 N.m

Công cũng được tạo ra khi gia công cắt gọt hoặc do tăng tốc.

• Năng lượng

Công được lưu trữ trong một vật thể, cũng nhưkhả năng có thể tạo ra công, được gọi là năng lượng.

Đơn vị của năng lượng là Joule (J). Năng lượng xuất hiện dưới nhiều hình thức:

• Thế năng W_pot (năng lượng của vị thế), thí dụ nhưcông nâng lưu trữtrong một chi tiết gia công được nâng cao. Công nâng được tính từ trọng lượng F_g của phôi và chiều cao được nâng h.

Trọng lượng F_G của phôi được tính từ khối lượng m của phôi và gia tốc trọng trường g trong công thức F_G = m.g. Gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s².

• Động năng W_kin (Năng lượng của chuyển động) là năng lượng trữ trong vật thể chuyển động. Nó lệ thuộc vào khối lượng m và vận tốc V của vật thể.
• Nhiệt năng trữ trong vật thể được hâm nóng, thí dụ trong khí nóng để truyền động cho tuabin.
• Điện năng có thể lấy từ lưới điện và truỵển động cho động cơ điện.
• Hóa năng được trữ trong kết nối hóa học. Nó được phóng thích khi kết nổi hóa học bị phá vỡ.Thí dụ nhưtrong trường hợp đốt cháy nhiên liệu.

Chuyển đổi năng lượng. Các dạng năng lượng khác nhau có thể được chuyển đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác.Thí dụ như trong động cơ điện, điện năng được dẫn vào được chuyển sang động năng của trục động cơ và nhiệt lượng (Hình 2). vể năng lượng ta có Định luật bảo toàn năng lượng:

Năng lượng không tự sinh ra cũng như không bị hủy diệt. Nó chỉ có thể chuyển đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác.

Sự cân bằng năng lượng. Trong kỹ thuật, để đánh giá năng suất máy, năng lượng dẫn vào sẽ được so sánh với năng lượng thoát ra. Người ta tưởng tượng ra một đường biên chung quanh hệ thống kỹ thuật và khảo sát năng lượng vào và ra khỏi hệ thống (Hình 2, Trang 331).Thông thường người ta dùng tỷ lệ phần trăm để mô tả năng lượng khi quan sát việc cân bằng năng lượng.

• Công suất

Để có thể so sánh các máy với nhau, năng lượng được chuyển đổi cũng như công cơ học được tạo ra của một máy được tính theo đơn vị thời gian cẩn thiết.

Công W được làm ra trong đơn vị thời gian t được gọi là công suất p.

Đơn vị của công suất là Watt, ký hiệu đơn vị là W; được đặt tên theo nhà vật lý Anh James Watt. Bội sổ của đơn vị cơ bản Watt là Kilo Watt (kW), Mega Watt (MW) và Giga Watt (GW).

1 kW = 1000 W; 1 MW = 1000 kw = 1.000.000 W; 1 GW = 1000 MW = 1.000.000 kW

Thí dụ: Một máy công cụ với trọng lượng F_G = 15.400 N được nâng lên 1,8 m trong vòng 12 giây bởi một máy nâng điện. Công suất của máy nâng cho việc này là bao nhiêu?

Lời giải:

• Hiệu suất

Trong máy và thiết bị, chỉ một phẩn của công suất đưa vào được chuyển đổi thành công suất hữu dụng vể mặt kỹ thuật. Thí dụ như trong máy với các cơ phận chuyển động, phần còn lại của công suất được chuyển đổi sang nhiệt ma sát hay biến thành nhiệt mất đi trong động cơ nhiệt và máy điện. Phẩn lớn năng lượng này không thể sử dụng được về mặt kỹ thuật.

Tỷ lệ giữa công suất hữu dụng P2 và công suất đơa vào p, được gọi là hiệu suất η.

Hiệu suất được biểu hiện bằng số thập phân hay tỷ lệ bách phân (tỷ lệ phẩn trăm), thí dụ như 77 = 0.85 hay η = 85%. Hiệu suất luôn luôn nhỏ hơn 1 cũng như nhỏ hơn 100%, vì lý do thất thoát, công suất hữu dụng kỹ thuật P2 luôn iuôn nhỏ hơn công suất dẫn vào p.

Thí dụ: Từ một động cơ điện, công suất đẩu vào là 12 kw được đưa vàomột bộ truyền động bánh răng. Tại trục ra của bộ truyền động,một công suất là 10.8 kw được truyền tiếp cho máy nâng. Hiệusuất của bộ truyền động là bao nhiêu?

Lời giải: