液压传动——能量的基础知识

小编:优质农业网   人气:0℃   发布时间:2025-02-18 03:03:58
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或许你会告诉我,我的数学不好啊!能学好液压吗?

液压传动——能量的基础知识

别担心,我们的课程着重点在于用大白话讲解一些概念性的知识,不涉及复杂的公式推导,大家尽可放心学习。

在本小节中,我们主要了解 关于能量、力、力矩、功和功率的概念。

能量在实际生活中是一个看不见,摸不着的东西。 它只是我们用来描述一个物体性质的一个术语,就像颜色亦或是冷暖一样。

我们先举一些例子,看看哪些物质是具备能量的:

一个快速运动的物体具有较大的动能;

一个温度高的物体具有热能;

汽油等燃料具有化学能;

运动的电子具有电能和电磁能。

当我们说一个物体具有能量时,我们主要关注以下两点:

能量会导致这个物体本身会发生什么变化?

能量是如何改变周围的事物的,也就是说能量是如何传递的?

前面我们说过,能量并非实际看得见,摸得着的物体,所以很难画出它的样子。但是请看图1,如果你用鼠标点击这个动图,那么你就正在给它施加一定的动能。

综上,我们知道,能量是可以在不同物体之间传递的。请看图2和图3,都可以很好证明这一点。

当能量在物体之间进行传递时,必然会有一些能量会在这个过程中损失掉,这主要是由于摩擦之类的阻力造成的。

我们之所以称之为损失,是因为他们并没有起到我们希望它们应该起到的作用。也就是没有做有用功,做的都是无用功。

例如:在汽车发动机内,当化学能从汽油中转化为汽车的动能时,一些能量会以向外散发热量以及噪声的形式损失掉了。如图4所示。

最完美的引擎是你用手摸上去是冰凉的,而且是完全静音的。但是,大千世界,芸芸众生,没有任何系统是如此的完美。生活中我们所看到的一切能量转换系统都是有能量损失的。

正因为摩擦损失的存在,我们可以得出结论,有效的输出能量总是会小于输入的能量。图5很好地给我们展示了这个结论。

不过,如果你加上损失掉的能量,那么能量一定是守恒的,也就是输入的能量等于有效的输出能量加上损失掉的能量。如下述公式所示。

能量输入 = 能量输出 + 能量损耗

能量守恒定律说的是能量可以从一种形式变化到另一种形式,但是能量从来没有被创造或毁灭。在一点处产生的能量必然都会在某一处消散。

系统的效率是用来衡量有效输出能量占总的输入能量的比重;效率越高的系统,就说明越多的能量用于做有用功,相反损失的能量也就越少。

好了,现在我们回到我们今天的主角,液压系统;液压系统如果设计合理,且能得到很好的维护,是可以达到很高的效率的。

我们先举一个例子:

一辆火车,以非常快的速度向西行驶。

突然,火车撞上了一块巨石,我的天呐。

呃呃呃,别担心,没有人员伤亡!

其实,你需要考虑的只是下面两个问题:

1、巨石会何去何从呢?

巨石会开始向西运动,因为火车是向西推它的。

巨石发生了运动,说明它从火车上获得了动能。

2、火车会发什么变化?

火车的运动会减慢,因为它把一部风动能给了石头。

当发生碰撞时,火车对巨石施加了一个力。即火车上的一部分能量传递到了石头上,所以石头发生了移动。

那么,力究竟是指什么呢?它是两物体接触后,发生的一种相互作用,这种作用能使两者发生相对的运动。

我们最熟悉的力莫过于重力了。你的身体受到重力的作用而拖拽你向地心运动。如果你跳到空中,重力会重新把你拽回地面。看看图6的跳一跳,娱乐一下!

力既即可以使物体沿某一条直线运动,也可以使物体绕某一个中心转动。图7为直线力,图8为旋转力。

多种力可以同时施加在一个物体之上。在图9所示的铲车上,有多个力施加在上下运动的箱子上。到底有几个力呢?大家可以思考一下。

首先,重力永远是将重物拽向地面的,即便重物在向上运动的过程中也是如此。

其二,摩擦力总是起减慢物体运动的作用,它从物体中获取动能,并转化为热和噪声,作了无用功。

另外,压力也同样是一种力。当液压油或者是压缩气体被压缩时,它们自身就存储了大量的能量。当压力得到释放时,油液或压缩空气中存储的能量,就会跟随介质一起流动,这些能量可以提升重物或者使重物下降。

如图10所示,即使物体处于静止状态,但这不代表没有力作用于它。

当然,如果一个物体静止不动,或者以匀速运动,那么作用于该物体上的所有力是平衡的。

如果一个物体处在加速运动或者是减速运动,亦或是运动方向发生改变的过程中,那么作用于该物体上的力是不平衡的。

为了求解作用于物体上的力,你需要知道下面两件事。

质量——你需要知道该物体的构成成分。

加速度——由于力的作用,该物体在加速或减速时速度变化的快慢。

举个例子,我们从飞机上扔下一个质量为2500kg的重物,如图11所示。由于受到重力的作用,这个物体会以9.81m/s2的加速度向下加速运动。施加于该物体上的重力到底是多少呢?我们看下面的计算。

力 = 质量 x?加速度,数学式为F=ma

F = 2500 kg x 9.81 m/s2

F = 24525 kg·m/s2

F = 24525 N

我们继续往下看,牛顿是衡量力大小的单位。表示这个力能改变某一质量块的运动(加速、减速、运动方向的改变)的快慢程度

如果你想快速改变质量为100kg的物体的速度,那就需要对其施加很大的力。

如果你想快速改变质量10kg的物体的速度,那就需要对其施加中等的力。

如果你想慢慢地、逐渐地改变质量100kg的物体的速度,那就需要对其施加中等的力。

如果你想慢慢地、逐渐地改变质量10kg的物体的速度,那就需要对其施加很小的力。

力矩是用来衡量旋转力的大小的物理量。

有很多方法可以产生旋转力。最常见的就是如图12所示,你用老虎钳去拧螺栓了。

为了计算出图12中的力矩,我们需要计算出施加给扳手的合力的大小,以及力臂的长度。

替换高清大图

力矩 = 力?x 力臂

力矩 = 15 newtons x 0.2 meters

力矩 = 3 newton-meters(Nm)

综上,施加于老虎钳上的力矩是3Nm。记住,力矩的单位是Nm。

当力施加于某一物体时,物体会改变其原先的运动状态,与此同时,该物体会得到或损失一部分能量。为了衡量这部分能量的大小,我们引入功的概念。

如果力作用于物体之上,并没有改变物体的运动状态,那就说明没有发生能量的传递,也就是该力没有对物体做功。看看图13能给你什么启发?

想要计算出功的大小,你必须知道以下两个量:

力的大小

物体运动的距离

让我们举个例子,如图14所示,向上举升15kg的质量块到4米高的位置。为了是描述简单,我们取重力加速度的值为10m/s2

力F = 质量m x 加速度a

F = 15kg x 10 m/s2

F = 150 newtons

功W = 力F x 距离S

W = 150 newtons x 4 meters

W = 600 joules

功的单位是焦耳J。1J是指1N的力施加于质量块上,使质量块移动1m所做的功。

虽然我们用焦耳来衡量力对物体做的功,但是焦耳也同样可以表示物体所蕴含的能量的大小。就比如,食物、燃料汽油等所含的能量我们都用焦耳表示。其实两者并不矛盾,因为力对物体做功,也是物体中能量的相互传递的过程。

功率是指单位时间内力对物体所做的功。它的单位是J/s,也是我们所熟知的瓦特w。

瓦特这个单位是以蒸汽机的发明者James Watt的名字来命名的,下面放一张伟人的头像,供大家膜拜。

在上一小节功的介绍中,我们谈到向上举升15kg的重块4米的所消耗的功是600J。现在,我们再来计算一下,如果我们想在30s内举升上述重块,需要消耗多少功率呢?请多关注图15的秒表。

功率P = 功W ÷ 时间t

P = 600 joules ÷ 30 seconds

P = 20 watts

如果两个相同的物体以不同的速率移动了相同的距离,那么力对他们两者所做的功是相同的。因为,当我们在计算功的时候并未考虑时间因素。

但是两者所消耗的功率确是截然不同的。

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