Mekaniska system

Från Wikiskola
Hoppa till navigering Hoppa till sök


[redigera]

Enkla maskiner

Enkla maskiner från Chambers Cyclopedia, 1728.

En enkel maskin är inom fysik en inrättning som bara behöver en enkel kraft för att utföra mekaniskt arbete. Den enkla maskinen arbetar enligt principen, att vad som sparas i kraft förloras i väg.

Som enkla maskiner räknas vanligtvis fem anordningar:

  • Lutande planet
  • Skruven
  • Kilen
  • Hävstången
  • Hjulet
  • Även blocket kan räknas som en av de enkla maskinerna. Skruven betraktas ibland som en rörlig form av det lutande planet.

För att till exempel driva ett föremål uppför ett lutande plan till en viss höjd krävs mindre kraft jämfört med att lyfta föremålet rakt upp till samma nivå. Dock måste föremålet flyttas en längre väg (mekanikens gyllene regel). Den förste att ingående studera de enkla maskinerna var Arkimedes. Antikens större byggnadsverk, till exempel Egyptens pyramider, uppfördes alla enbart med hjälp av enkla maskiner. Wikipedia skriver om Enkel maskin

Polhems mekaniska alfabet

Christopher Polhem levde och verkade år 1661- 1751. Hans betydelse för Sveriges industriella utveckling och ingenjörkonstens framväxt kan inte nog överskattas.

  1. Läs vad Wikipedia skriver om Polhems mekaniska alfabet
  2. Här finns en kortfattad beskrivning av Polhems alfabet och en trevlig animering av en hiss driven av ett vattenhjul. Tekniken i skolan.
  3. Tekniska museet skriver om Polhems mekaniska alfabet. Beskrivningen berättar vad som hänt med Polhems modeller genom åren och hur faktiskt KTH bildades i dess efterföljd. Polhem dokumenterade även maskiner till fabriker och hantverk, gruvdrift och spisar och kakelugnar.
  4. Det finns videoanimeringar av tre av Polhems delar i alfabetet. De
  5. Titta på en mängd CAD-modeller från Tekniska museet.

Mekanismer

Om man tar ett spett som är 1 meter långt och sätter spetsen under en sten och sedan sätter en sten 1 decimeter från spetsen så har man fått en utväxling på 1:9, vilket innebär att spettets spets, om man trycker nedåt med 500 N på spettets andra ände, utsätter stenen för en kraft av 4 500 N vilket kanske kan få den att lyfta.

Mekanism, eller anordning är en sammansättning av stela kroppar - maskinelement - med förmågan att överföra kraft och rörelse enligt mekanikens lagar. Hjulet, hävstången, skruvar, kuggväxlar, kamrörelser och ledrörelser/länkmekanismer är alla exempel på mekanismer.

Under en stor del av industrialismens framväxt från 1700-talet till 1900-talet var länkmekanismer en högt ansedd konst med ett stort antal berömda, ofta patenterade rörelser som tillämpats för styrning av bland annat ångfördelningsorgan hos ångmaskiner, så kallad ventil- och slidrörelser och vid sidan av det den linjärstyrning - Wattmekanismen - som medgav att kolvstänger kunde kopplas till balansarmen på en ångmaskin på ett sådant sätt att ångmaskiner för första gången kunde göras dubbelverkande.

Mekanismer av liknande typer förekom ofta även inom verkstadsindustrin innan modern numerisk maskinstyrning blev allmän. Det mest kända exemplet är kanske pantografen med vilken en rörelse kan likformigt förstoras eller förminskas, exempelvis vid bokstavsgravyr.

En symaskin är från början- och än idag, full av länkmekanismer för nålstyrning och matning medan kamrörelser sedan mitten av 1900-talet - idag ofta ersatt av numerisk styrning - använts för nålens styrning i sidled vid mer invecklade typer av sömmar. Wikipedia skriver om Mekanism

Ångmaskinens mekaniska system

Tidig 'roterande' dubbelverkande ventilångmaskin med Watts parallellrörelse (1784). Centrifugalregulatorn är kopplad till trotteln T varefter ångan når övre inströmningsventilen V. Samtidigt står nedre utströmningsventilen E öppen. När maskinen når sitt nedre läge påverkar anslaget R hävarmen m så att ventilerna, korsvis kopplade på motstående sidor om balanspunkten hos hävarmen m, kastas om. Luftpumpen, inbyggd i och omsluten av kylvattenbassängen får sin drivning, via Watts linjärrörelse -b-d-c. Samma rörelse förstoras via pantografen -b-d-g till kolvstången.

Ett tekniskt system som banade väg för industrialiseringen är James Watts ångmaskin med Wattmekanismen - James Watts "parallellrörelse".

James Watt var den första att förse en ångmaskin med en linjärrörelse vilket medgav byggandet av dubbelverkande maskiner och var en förutsättning för "roterande" (vevrörelseförsedda) ångmaskiner där roterande rörelse kunde uttas. I och med denna åtgärd kunde industrialismen ta fart på allvar. Det är mot bakgrund av alla dessa förbättringar inte förvånande att James Watt tillskrivs äran av att ha uppfunnit den moderna ångmaskinen även om Newcomen, den som först byggde praktiskt fungerande kolvångmaskiner, är den egentliga uppfinnaren.

Läsmer på Wikipedia skriver om Ångmaskin

Bilens mekaniska system

Många av äldre bilars mekaniska system är idag ersatta av elektriska och elektromekaniska system. Bilens kamaxel styrde förr ventilerna i motorn. Kopplingen till Polhems mekaniska alfabet är tydlig.

Överföringen av motorkraften till hjulen via en kardanknut bygger också på Polhems uppfinning.

Litteratur

Mekaniska system

Algodoo har sin styrka i att det är lätt att skissa på mekaniska system. När det kommer till att realisera en konstruktion är ett CAD-progrsam som Fusion 360 naturligtvis överläägset.

Visualisering och analys av tekniska system och processer med hjälp av anpassad programvara

Uppgift
Visualisering i Algodoo

Det här är den sista punkten i det centrala innehållet. Vi använder Algodoo till att göra en:

  1. kuggväxel med utväxlingen 1:2. Mät hur kraftmomentet förändras.
  2. kuggväxel med utväxlingen 10:1. Mät hur kraftmomentet förändras.
  3. en mekanisk ventillyftare så som det fungerar i äldre bilmotorer. Leta på nätet hur de fungerar.
  4. Hitta gärna på egna system, exempelvis en stånggång (konstgång).
  5. Prova om du vill! Ett hydrauliskt system med vatten simuleras inte så bra i Algodoo. Ser du varför? Prova exempelvis att göra en hydraulisk domkraft.

Option: Lämna in en film där du kommenterar i text eller tal hur du har visualiserat dina tekniska system. På Canvas använder du Arc för att det ska bli enkelt att bedöma.


Titta på några konkreta exempel

Romersk såg. Den äldsta kända maskin som kombinerar en vevaxel med en vevstake.
  • Vindrutetorkare
  • Locklyftare till tunna

Skapa en enkel mekanism som går att driva med ett servo. Det kan vara en överföring av kraft någon dm bort och omvanling av servots roterande rörelse till linjär rörelse.

Använd din fantasi till att skapa en lagom svår utmaning.

I det mekaniska alfabetet ingår bland annat:

  • Polhems knut (Kardanknut)
  • Lager som till exempel glidlager, rullager och spetslager
  • Kamaxel
  • Spärrmekanismer för kuggstänger

Wikipedia skriver om Polhems_mekaniska_alfabet

Uppgift
Hitta fler bokstäver

Vilka fler mekaniska modeller hör till Polhems mekaniska alfabet?

Hitta namn, beskriv funktionen och lägg in bilder.


CAD

Här laddar du ner en studentversion av Fusion 360.

Stånggången

Bergkonst animation.gif

Stånggången eller konstgången användes för att pumpa upp vatten ur gruvor mm.

Inspiration

Den här listan har hundratals mekaniska konstruktioner.

Bra att veta om Fusion 360 och maskiner

Pantografen och en glidande mekanism

Tutorials av Lars Christensen

En pistong

Wintergatan - Marble Machine (music instrument using 2000 marbles)

Kan inte låta bli att lägga in denna maskin.

Exepelmekanism rotation linjär.PNG

Det här är en del av en beskrivning av en mekanism som skulle kunna ge betyg A enligt följande kriterium:

Du CAD:ar en mekanisk konstruktion vilken kombinerar flera mekaniska principer för förändring av kraft eller rörelse. Du förklarar funktionen och reflekterar över ditt eget arbete. Du beskriver de mekaniska principerna och hur de samverkar i konstruktionen som helhet. Du anger vilka tillämpningar konstruktionen har.

Funktionen

Denna mekanism har en roterande axel (till vänster i bilden) med en arm. I armen är en stång fäst. Stången överför rörelsen till en kloss som glider på en yta.

Förändring av kraft och rörelse

I denna mekanism omvandlas en roterande rörelse till en linjär rörelsen. Den linjära rörelsen blir oscillerande likt en sinusfunktion.

Den glidande klossen rör sig mellan ändlägen som befinner sig på ett avstånd av 2 radier för den roterande armen.

Ursprung

Mekaniskt alfabet (TM1971).jpg

Mekanismen finns med som en av de enklaste modellerna i Polhems mekaniska alfabet.

Tillämpningar

Omvandliingen av rotation till linjär rörelse på detta sätt liknar den konstruktion som finns i en klassisk bensinmotor med en roterande kamaxel vilken överför rörelsen till att lyfte ventiler för att släppa in bränslet i cylendern (eller släppa ut avgaserna).

Du finner även denna mekanism i en symaskin.

Gör denna laboration om eleverna inte gjort den i fysiken.

Teori

Krafter och friktion i Fysik 1

Gör den klassiska fysiklaborationen

Laboration i friktion

Fördjupning

Bestäm friktionskoefficienten för sådana material vi kan tänkas komma att använda i slutprojektet.

Bestäm friktionskoefficienten för olika former (exempelvis en bit rör liggande eller på högkant).