UNil motorein termini fisici semplici è tutto ciò che converte l'energia nel muovere le parti di un qualche tipo di macchina, sia essa un'automobile, una macchina da stampa o un fucile. I motori sono necessari per muovere le cose in così tante situazioni quotidiane che il mondo macinerebbe immediatamente fino a un irriconoscibile, un po' comico arresto se ogni motore in funzione tacesse allo stesso tempo tempo.
Poiché i motori sono onnipresenti nella società umana moderna, gli ingegneri della Terra nel corso dei secoli hanno prodotto un numero di tipi diversi commisurati agli standard tecnologici dell'epoca. Ad esempio, prima che le persone fossero in grado di sfruttare e utilizzare l'elettricità su scala globale dall'inizio del XX secolo in poi, i grandi motori dei treni erano alimentati dal vapore proveniente dalla combustione del carbone.
- I motori sono un sottoinsieme dei motori, ma non tutti i motori sono motori.
Molti motori sonoattuatori, nel senso che inducono il movimento attraverso l'applicazione della coppia. Per molto tempo, la potenza azionata dal liquido degli attuatori idraulici è stata lo standard dell'epoca. Ma con i progressi nel 21° secolo negli attuatori elettrici, combinati con l'abbondanza di elettricità e facile da controllare, i motori elettrici di questo tipo stanno facendo progressi. Uno è chiaramente superiore all'altro e dipende dalla situazione?
Panoramica dei sistemi idraulici
Se hai mai usato un martinetto da pavimento o guidato un veicolo con servofreno o servosterzo, potresti esserti meravigliato alla facilità con cui puoi spostare gli importi di massa coinvolti in queste transazioni fisiche con apparentemente poco sforzo. (D'altra parte, potresti essere stato troppo consumato dal compito di cambiare una gomma a bordo strada per preoccuparti di tali idee in tempo reale.)
Questi compiti e molti altri comuni sono resi possibili dall'uso disistemi idraulici. Idraulicaè la branca della fisica che si occupa delle proprietà meccaniche e degli usi pratici dei fluidi dinamici (fluidi in movimento). I sistemi idraulici non "creano" potenza, ma la convertono in una forma desiderata da una fonte esterna, chiamata amotore primo.
Lo studio dell'idraulica si compone di due aree principali.Idrodinamicaè l'uso di liquidi aalto flusso(dinamico significa "in movimento")e bassa pressionelavorare. I mulini "vecchia scuola" sfruttano l'energia della corrente d'acqua che scorre per macinare il grano in questo modo.Idrostatica, al contrario, è l'uso di liquidi aalta pressione e bassa portata(statico significa "in piedi") per eseguire il lavoro. Qual è la base di questo compromesso nel linguaggio della fisica?
Forza, lavoro e area
La fisica alla base dell'uso strategico dei motori idraulici risiede nel concetto di moltiplicazione delle forze. Il lavoro netto svolto in un sistema è il prodotto della forza netta applicata e la distanza percorsa dall'oggetto della forza:
W_{rete}=F_{rete}d
Ciò significa che per una data quantità di lavoro assegnata a un compito fisico, la forza necessaria per svolgerlo può essere ridotto aumentando la distanza coinvolta nell'applicazione della forza, come si può fare usando le spire di a vite.
Questo principio si estende da situazioni lineari a situazioni bidimensionali, e dalla relazione
P=\frac{F}{A}
dove P = pressione in N/m2, F = forza in newton e A = area in m2. In un sistema idraulico in cui la pressione P è mantenuta costante che ha due cilindri a pistoni con sezioni A1 e A2, questo porta alla relazione
\frac{F_1}{A_1}=\frac{F_2}{A_2}\text{ o }F_1=\frac{A_1}{A_2}F_2
Ciò significa che quando il pistone di uscita A2 è maggiore del pistone di ingresso A1, la forza di ingresso sarà proporzionalmente inferiore alla forza di uscita. Anche se questo non è esattamente lo stesso che ottenere qualcosa per niente, è una chiara risorsa in molte configurazioni di motori contemporanei.
Nozioni di base sui motori elettrici
Un motore elettrico sfrutta il fatto che un campo magnetico esercita una forza sulle cariche elettriche in movimento, o correnti. Una bobina rotante di filo conduttore è posta tra i poli di un elettromagnete in modo tale che il campo magnetico induca una coppia che fa ruotare la bobina attorno al proprio asse. Questo albero rotante può essere utilizzato per eseguire lavori di vario tipo e, nel complesso, i motori elettrici convertono l'energia elettrica in energia meccanica.
Motori idraulici: tipi di discussione
Il motore primo di un motore idraulico è una pompa che spinge contro il liquido (spesso olio) nei tubi del sistema. Questo liquido è incomprimibile e spinge a sua volta contro un pistone all'interno di un cilindro che ha fluido idraulico su entrambi i lati.
Il pistone si muove e viene convertito "a valle" in movimento rotatorio, mentre il fluido sul lato di uscita del pistone viene continuamente restituito a un serbatoio. La pressione viene mantenuta costante nel sistema (a meno che non debba essere modificata per influenzare le uscite del motore) dalla distribuzione strategica e dalla fasatura delle valvole.
I tipi di motori idraulici impiegati in diverse situazioni includono motoriduttori esterni, motori a pistoni assiali e motori a pistoni radiali. I motori idraulici sono utilizzati anche in alcuni tipi di circuiti elettrici e nelle combinazioni pompa-motore.
idraulico vs. Motore elettrico: pro e contro
Perché usare un motore idraulico vs. un motore a gas o un motore elettrico? I vantaggi e gli svantaggi di ogni tipo di motore sono così numerosi che è necessario considerare ogni variabile nel proprio scenario unico.
Vantaggi dei motori idraulici:
Il principale vantaggio dei motori idraulici è che possono essere utilizzati per generare forze estremamente elevate in relazione alle forze in ingresso. Ciò è analogo alla situazione nella meccanica ordinaria (non idraulica) in cui la geometria di leve e pulegge può essere "lavorata" con vantaggi simili.
I motori idraulici funzionano utilizzando liquidi incomprimibili, il che consente un controllo più stretto del motore e quindi un maggiore grado di precisione nel movimento. Sono molto utili per attrezzature mobili pesanti (ad es. camion).
Svantaggi dei motori idraulici:
I motori idraulici sono solitamente l'opzione più costosa. Con tutto l'olio tipicamente in gioco, sono disordinati da usare, con i loro vari filtri, pompe e olio che richiedono tutti controlli, modifiche, pulizia e sostituzioni. Le perdite possono produrre rischi per la sicurezza e per l'ambiente.
Vantaggi dei motori elettrici:
La maggior parte delle configurazioni idrauliche non si muove rapidamente. I motori elettrici sono molto più veloci (fino a 10 m/s). Hanno velocità e posizioni di arresto programmabili, a differenza dell'idraulica, e forniscono un'elevata precisione di posizionamento dove necessario. I sensori elettronici possono fornire un feedback preciso sul movimento e sulla forza applicata, consentendo un controllo del movimento superiore.
Svantaggi dei motori elettrici:
Questi motori sono complicati da installare e risolvere rispetto ad altri motori. Per lo più, il loro svantaggio è che se hai bisogno di molta più forza, hai bisogno di un motore significativamente più grande e più pesante, a differenza del caso dei motori idraulici.
Una nota sugli attivatori pneumatici
La questione del pneumatico vs. in alcune situazioni si verificano anche attuatori elettrici o attuatori idraulici. La differenza tra attuatori pneumatici e idraulici è che i motori idraulici utilizzano liquidi mentre gli attuatori pneumatici utilizzano gas, in genere aria normale. (Sia i liquidi che i gas, per riferimento, sono classificati comefluidi.)
Gli attivatori pneumatici sono vantaggiosi in quanto l'aria è essenzialmente ovunque (o almeno ovunque gli esseri umani lavorino comodamente), quindi un compressore d'aria è tutto ciò che è necessario per un motore primo. D'altra parte, questi motori sono molto inefficienti a causa delle perdite relativamente grandi dovute al calore rispetto ad altri tipi di motore.