Wykład II	Systemy mechaniczne, hydrauliczne i elektryczne jako podstawowe układy przekazywania strumienia energii.
Data wykonania 10.11.2012r	I rok Mechatronika

Nauka i wartości duchowe mogą współistnieć w ramach sztuki, tez i poznania. Funkcjonalne piękno konstrukcji oka, serca, skrzydła, czy płetwy wymaga wytłumaczenia swego pochodzenia.

Jeśli przyjąć, że każda konstrukcja ma swojego twórcę, dzieła przyrody muszą go mieć także. Według Arystotelesa jeśli układ słoneczny funkcjonuje to ktoś musiał nadać mu pierwszy impuls. Stąd też od jego czasów uznawana jest koncepcja pierwszego poruszyciela. Jako przykład podawał analogie ruchu planet do zegara, który jest w ruchu pod warunkiem, że zostanie nakręcony. Jeśli istnieje ruch planet, siła wyższa (vis maior) udzieliła mu początkowej energii.

Układy mechatroniczne realizują swojego rodzaju piękno, realizując często twory przyrody. Piękno jest formą celowości danego przedmiotu, o ile zostaje on, a w nim spostrzeżona idea bez wyobrażania celu. Tak powiedział Emanuel Kant w książce „Polityka władzy sądzenia” PWN 1986 s. 177. O pięknie sądzi się, że powstaje ono w koniecznym związku z upodobaniem.

Równanie Bernoulliego - jedno z podstawowych równań hydrodynamiki płynów idealnych, sformułowane przez Daniela Bernoulliego w 1738 roku.

Równanie Bernoulliego opisuje zachowanie gęstości energii całkowitej na linii prądu. Obowiązuje w podstawowej wersji dla stacjonarnego przepływu nieściśliwego płynu idealnego, a w wersji rozszerzonej dla idealnego płynu barotropowego. Równanie Bernoulliego wynika z zasady zachowania energii i według intencji jego autora stanowić powinno jej zapis za pomocą parametrów hydrodynamicznych (p. zastrzeżenia podane poniżej w Uwagach dotyczących zastosowania równania Bernoulliego).

Równanie Bernoulliego stanowi całkę bardziej ogólnego hydrodynamicznego równania Eulera.

Szczególna postać równania

Założenia:

• ciecz jest nieściśliwa

• ciecz nie jest lepka

• przepływ jest stacjonarny i bezwirowy

Przy powyższych założeniach równanie przyjmuje postać:

gdzie:

• - energia jednostki masy płynu,

• - gęstość płynu,

• - prędkość płynu w rozpatrywanym miejscu,

• - wysokość w układzie odniesienia, w którym liczona jest energia potencjalna,

• - przyspieszenie grawitacyjne,

• - ciśnienie płynu w rozpatrywanym miejscu.

Poszczególne człony równania to kolejno: energia kinetyczna, energia potencjalna grawitacji, energia ciśnienia.

Energia jest stała tylko wówczas, kiedy element porusza się wzdłuż linii prądu. W rozważanym przypadku zapewnia to stacjonarność przepływu. Istnienie lepkości lub przepływu wirowego rozprasza energię, ściśliwość zmienia zależność prędkości przepływu od ciśnienia. Niestacjonarność przepływu wiąże się z dodatkowym ciśnieniem rozpędzającym lub hamującym ciecz.

Ogólna postać równania

Równanie Bernoulliego może być z pewną dokładnością stosowane także dla idealnych płynów ściśliwych ale tylko typu barotropowego. Opracowano również wersję równania dla płynów uwzględniającą zmianę energii wewnętrznej płynu w wyniku różnych czynników. Równanie to w ogólności ma postać:

Gdzie:

• - energia potencjalna jednostki masy, której w warunkach ziemskich odpowiada

• - entalpia przypadająca na jednostkę masy (entalpia właściwa)

przy czym - energia wewnętrzna płynu.

Uwzględniając właściwości gazów można przekształcić to równanie tak, by było spełnione także dla gazów. Choć pierwotne równanie Bernoulliego nie jest spełnione dla gazów, to ogólne wnioski płynące z niego mogą być stosowane również dla nich.

Praktyczne wykorzystanie równania Bernoulliego

Z równania Bernoulliego dla sytuacji przedstawionej na rysunku zachodzi prawidłowość:

Jeżeli zaniedbać zmianę wysokości odcinków rury, to wzór upraszcza się do:

W rurze o mniejszym przekroju ciecz płynie szybciej (), w związku z tym panuje w niej mniejsze ciśnienie niż w rurze o większym przekroju.

Ciecz płynąc w rurze o zmieniającym się przekroju ma mniejsze ciśnienie na odcinku, gdzie przekrój jest mniejszy.

Podana wyżej własność cieczy była znana przed sformułowaniem równania przez Bernoulliego i nie potrafiono jej wytłumaczyć, stwierdzenie to i obecnie kłóci się ze "zdrowym rozsądkiem" wielu ludzi i dlatego znane jest pod nazwą paradoks hydrodynamiczny.

A także: Ciecz opływając ciało zanurzone w cieczy wywołuje mniejsze ciśnienie od strony gdzie droga przepływu jest dłuższa.

• J. Bukowski: Mechanika Płynów. Warszawa: 1968. 

• W. Lamb: Hydrodynamics. Cambridge.  (ang.)

• W. Prosnak: Mechanika Płynów. T. 1,2. Warszawa. 

Przewężenie przekroju stosowane jest w wielu urządzeniach np. lodówka, ogrzewanie mieszkania. Aby wystąpił przepływ ciepła to termodynamika mówi, że muszą być dwa zbiorniki ciepła o różniących się temperaturach. (lodówka – zwężka Venturiego)

Zwężka Venturiego - przyrząd służący do pomiaru prędkości przepływu cieczy lub gazu, wynaleziony przez Giovanniego Battistę Venturiego. Zasada jej działania jest idealną ilustracją prawa Bernoulliego:

W pewnym miejscu rury o stałej powierzchni przekroju poprzecznego (A₁), w której z prędkością v przemieszcza się płyn (gaz lub ciecz), znajduje się przewężenie o znacznie mniejszej powierzchni przekroju poprzecznego (A₂). Z prawa Bernoulliego oraz warunku ciągłości przepływu wynika, że różnica kwadratów prędkości płynu przed zwężką i na niej jest wprost proporcjonalny do różnicy ciśnień przed zwężką i na niej. W klasycznej zwężce Venturiego w celu pomiaru wykorzystuje się barometr różnicowy. Obecnie w celach pomiarowych wykorzystuje się działające na tej samej zasadzie kryzy.

Zwężka znalazła szerokie zastosowania w miejscach, gdzie wymagane jest wytworzenie podciśnienia, np. w wodnych pompkach próżniowych. Jest również stosowana do sterowania, np. w przepływowych bojlerach gazowych. Gdy na skutek przepływu wody spada jej ciśnienie, wówczas otwiera się zawór gazowy.

http://pl.wikipedia.org/wiki/Zw%C4%99%C5%BCka_Venturiego

Inżynier operuje modelami – model ma postać uproszczoną i opisuje zespół maszynowy w odpowiednim stopniu uproszczony. Mówimy, że dokonujemy redukcji fenomenologicznej, dzięki której uzyskujemy uproszczony model ze względu na badane cechy.

Przystępując do obliczeń wykonujemy model strukturalny i wyznaczamy ruchliwość mechanizmu. Oceniamy czy układ można napędzać za pomocą członu czy też jest obiektem sztywnym.

Mizes rozważał oddziaływanie w układach mechanicznych identyfikując je przez siłę F i moment który ma (para sił) cechy tensora. MOTOR

Mechaniką układu sterowania jest wprowadzenie odpowiedniej podatności i wysokiego poziomu autonomii. O tych cechach decyduje struktura i liczba sensorów, a w przypadku robotów podatność przy zmiennych warunkach pracy otoczenia. System sterowania winien być odpowiednio adaptacyjna badawcze obszary winny koncentrować się na sztucznej inteligencji, sensorów, wizji komputerowej i no of Line cable.

Źródło:

1.Strony www