Αρχικά πρέπει να διευκρινίσουμε πως διακρίνουμε τις μηχανές σε απλές μηχανές και σε σύνθετες. Απλές είναι εκείνες που δίνουν κατευθείαν το αποτέλεσμα π.χ. της εφαρμογής δύναμης, όπως στην περίπτωση του μοχλού, της τροχαλίας και του βαρούλκου. Σύνθετες είναι εκείνες που αποτελούνται από πολλούς συνδυασμούς οργάνων και διαμέσου αυτών η δύναμη ή η ενέργεια ακολουθούν μια διαδοχική πορεία πριν αξιοποιηθούν.
Γενικές πληροφορίες για τις μηχανές
Μια μηχανή είναι ένα σύστημα σωμάτων (οργάνων), που προορίζονται να υπερνικήσουν δυνάμεις που χαρακτηρίζονται ως δυνάμεις αντίστασης, με τη βοήθεια άλλων δυνάμεων, που ονομάζονται κινητήριες δυνάμεις. Μια μηχανή μπορεί να κατασκευαστεί έτσι, ώστε μια μικρή κινητήρια δύναμη να μπορεί να καλύψει μια δύναμη αντίστασης πολύ μεγαλύτερη. Όταν η κίνηση της μηχανής αυτής είναι ομαλή, τότε το άθροισμα των έργων των κινητήριων δυνάμεων είναι ίσο με το άθροισμα των έργων των δυνάμεων αντίστασης. Χρησιμεύει για να μετατρέψει έργο σ’ άλλο έργο, όχι αναγκαστικά της ίδιας φύσης κι αυτή η μεταβολή συνοδεύεται πάντοτε από απώλεια έργου.
Κατάταξη των μηχανών
Διακρίνουμε τους μετατροπείς ενέργειας, που είναι μόνο για να μετατρέπουν μια μορφή ενέργειας σ’ ορισμένο τόπο και χρόνο σ’ άλλη μορφή ενέργειας ευκολότερης στη χρησιμοποίηση. Έτσι, η κινητική ενέργεια μιας υδατόπτωσης μετατρέπεται σε περιστροφική κίνηση από μια υδραυλική μηχανή (στρόβιλου ή απλού τροχού) κι αυτή η μηχανική ενέργεια μετατρέπεται με τη σειρά της από μια ηλεκτρική μηχανή σε ηλεκτρική ενέργεια, που μεταφέρεται με αγωγούς απ’ την ύπαιθρο μέχρι το εργοστάσιο που θα τη χρησιμοποιήσει.
Όμοια και ο λέβητας μετατρέπει σε θερμική ενέργεια τη χημική ενέργεια της καύσης του άνθρακα κι η ατμομηχανή με τη σειρά της θα μετατρέψει τη θερμική αυτή ενέργεια σε μηχανική. Σ’ άλλο παράδειγμα, ο κινητήρας του αυτοκινήτου ή του αεροπλάνου θα μετατρέψει τη χημική ενέργεια του καυσίμου σε μηχανική κι ο μετασχηματιστής θα μετατρέψει το εναλλασσόμενο ρεύμα σε εναλλασσόμενο άλλων χαρακτηριστικών. Αυτές λοιπόν οι μηχανές, οι μετατροπείς ενέργειας, περιλαμβάνουν όλους τους κινητήρες που μετατρέπουν την ενέργεια σε μηχανική.
Ακόμη περιλαμβάνουν κι όλες τις μηχανές που μεταβάλλουν απλά τη μορφή της ενέργειας. Δηλαδή είναι μια άλλη κατηγορία μηχανών, που σκοπό έχουν να χρησιμοποιούν μια κάποια ενέργεια που τους δίνεται για να πετύχουν ένα γρήγορο αποτέλεσμα. Αυτές οι μηχανές είναι:
- Εργαλειομηχανές, που περιλαμβάνουν όλες εκείνες που χρησιμοποιούνται στις βιομηχανικές και βιοτεχνικές ή εργαστηριακές κατασκευές από τα τεράστια έλαστρα των βιομηχανιών χάλυβα μέχρι τους μικρούς τόρνους των μηχανουργείων κι απ’ τις τεράστιες σφύρες των ναυπηγείων μέχρι τα πολύ λεπτά τρυπάνια των ωρολογοκατασκευαστών.
- Οι γεωργικές μηχανές, που είναι ανάλογες με τις εργαλειομηχανές για τη γεωργία
- Οι ανυψωτικές και μεταφορικές μηχανές που δαπανούν ενέργεια για να μετακινούν φορτία.
- Τέλος είναι όλες οι μηχανές που έχουν βρεθεί για να κάνουν ένα έργο με λιγότερο κόπο και σε λιγότερο χρόνο, όπως π.χ. οι γραφομηχανές, οι ραπτομηχανές, οι υπολογιστικές μηχανές, οι απορροφητήρες, οι ανεμιστήρες. Αυτές οι μηχανές δεν αποδίνουν ενέργεια, αλλά χρησιμοποιούν όλη εκείνη που τους δίνεται και σ’ αντάλλαγμα παράγουν έργο
Σε μια μηχανή μπορούμε να διακρίνουμε 3 κύρια στοιχεία:
- Τον αποδέκτη που πάνω του δρουν οι κινητήριες δυνάμεις, π.χ. για την ατμομηχανή είναι το έμβολο, για την εργαλειομηχανή είναι η τροχαλία.
- Το όργανο ή εργαλείο, που μετατρέπει το έργο που του δίνεται σε ωφέλιμο έργο, π.χ. μετακίνηση φορτίου, κατεργασία μετάλλου
- Το μηχανισμό μεταφοράς της κίνησης, που συνδέει τον κινητήρα με το εργαλείο ή το όργανο και μεταφέρει απ’ το ένα στο άλλο διαμέσου στερεών οργάνων (κοχλιών), εύκαμπτων (ελατηρίων) ή ρευστών (νερού, λαδιού) την ισχύ του κινητήρα. Φυσικά στη μεταφορά αυτή ασκούνται παθητικές αντιστάσεις απ’ την κίνηση των διάφορων μερών της μηχανής, π.χ. τα ρευστά τρίβονται στις σωληνώσεις τους, οι κοχλίες στα περικόχλιά τους. Οι αλυσίδες μεγαλώνουν και μικραίνουν και τα δόντια των οδοντωτών τροχών συγκρούονται μεταξύ τους. Όλα αυτά τα φαινόμενα απορροφούν ενέργεια που μετατρέπεται σε θερμότητα και χάνεται κι αυτή είναι το μη ωφέλιμο έργο.
Η αρχή της διατήρησης της ενέργειας είναι λοιπόν η απλή σχέση: ‘κινητήριο έργο = ωφέλιμο έργο + έργο που χάνεται σε θερμότητα.’
Ένα μόνο μικρό μέρος της ενέργειας που παράγεται πραγματικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί και λέγεται απόδοση της μηχανής είναι ο λόγος:
«ωφέλιμο έργο / κινητήριο έργο».
Η απόδοση των μηχανών είναι πάντα μικρότερη απ’ τη μονάδα. Π. χ. απόδοση ατμομηχανής 10%-15%, απόδοση κινητήρα 20%-30%, απόδοση ηλεκτροκινητήρα ή γεννήτριας 80%-95%. (Μόνο όταν το έργο που χάνεται σε θερμότητα θα ήταν μηδέν θα μπορούσε ο συντελεστής απόδοσης να γίνει ένα, αλλά αυτό δεν γίνεται ποτέ).
Ηλεκτρικές μηχανές
Αυτές έχουν σκοπό ή το μετασχηματισμό του μηχανικού έργου σε ηλεκτρική ενέργεια ή τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανικό έργο. Στην πρώτη περίπτωση οι μηχανές ονομάζονται ηλεκτρεγερτικές μηχανές ή γεννήτριες και στη δεύτερη ηλεκτρικοί κινητήρες.
Τις ηλεκτρικές μηχανές μπορούμε να τις χωρίσουμε σε δύο κατηγορίες:
- Στις ηλεκτροστατικές μηχανές, που ένας αγωγός ορισμένης χωρητικότητας δέχεται ποσότητα ηλεκτρισμού και τη μεταφέρει σ’ άλλο αγωγό μεγαλύτερου δυναμικού
- Στις μηχανές επαγωγής, που μια ηλεκτρεγερτική δύναμη αναπτύσσεται στο μήκος αγωγού που κινείται μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Εάν αυτό το μαγνητικό πεδίο προέρχεται από μόνιμους μαγνήτες, οι μηχανές ονομάζονται μαγνητο-ηλεκτρικές. Εάν το μαγνητικό πεδίο δίνεται από ηλεκτρομαγνήτες, οι μηχανές ονομάζονται δυναμοηλεκτρικές ή απλά δυναμό. Στις ηλεκτροστατικές μηχανές διακρίνουμε: τον παραγωγό, που αναπτύσσει τα ηλεκτρικό φορτία το μεταφορέα, που φορτίζεται από τον παραγωγό και τέλος τον συλλέκτη, που πάνω σ’ αυτόν ο μεταφορέας βάζει το φορτίο του.
Οι ηλεκτροστατικές μηχανές τριβής είναι οι αρχαιότερες του είδους. Η πρώτη απ’ αυτές, πολύ απλή, χρονολογείται στο τέλος του ΙΣΤ’ αιώνα. Αυτή ήταν ένας γυάλινος σωλήνας, που τριβόταν πάνω σε μάλλινο ύφασμα. Έπειτα, το 1662, ο Όττο φον Γκαίρικε έφτιαξε μια σφαίρα από θείο, που γύριζε γύρω από μία σιδερένια βέργα στο κέντρο της και τριβόταν πάνω σε μάλλινο ύφασμα. Αργότερα ο Ράμσντεν έφτιαξε μια μηχανή, που ο μεταφορέας ήταν ένας γυάλινος δίσκος και, καθώς στρεφόταν, τριβόταν πάνω σε τέσσερα ειδικά τριβεία, που κατασκευάζονταν από δέρμα που το κάλυπτε στρώμα χρυσού. Τα τέσσερα αυτά τριβεία αποτελούσαν τον παραγωγό κι ήταν ενωμένα ηλεκτρικά με τον αρνητικό πόλο της μηχανής.
Τα θετικά φορτία αναπτύσσονταν πάνω στο μεταφορέα και μεταφέρονταν με τη βοήθεια των κτενίων στο συλλέκτη, που ο συλλέκτης ήταν δύο κύλινδροι μεγάλης χωρητικότητας. Οι κύλινδροι αποτελούσαν το θετικό πόλο πηγής. Πολύ αργότερα, ο Άγγλος μηχανικός Άρμστρονγκ έφτιαξε την υδροηλεκτρική μηχανή. Η μηχανή του Τέμπλερ χρησιμοποιεί μεταφορέα από αγωγό ύλης. Η μηχανή του Βίμσουρστ είναι μεικτή.
Στις σύγχρονες μηχανές ο παραγωγός αποτελείται από μια βοηθητική γεννήτρια. Στη μηχανή του Βαν ντε Γκράαφ (1933), που χρησιμοποιείται στην πυρηνική φυσική για την επιτάχυνση των σωματιδίων και στη θεραπευτική πολύ σκληρών ακτίνων Χ η βοηθητική πηγή τάσης 10Kν δίνει ηλεκτρικά φορτία σε ιμάντα που έχει επάλειψη από καουτσούκ.
Στη μηχανή του Πωτενιέ (1939) η μεταφορά των φορτίων πραγματοποιείται διαμέσου άμμου από μονωτική ουσία. Η άμμος φορτίζεται ηλεκτρικά κι έπειτα αρχίζει να κινείται με φυσητήρα. Η μηχανή του Φελισί (1947) χρησιμοποιεί γενικό μεταλλικό μεταφορέα και προέρχεται απ’ τη μηχανή του Τέμπλερ. Το δυναμικό των ηλεκτροστατικών μηχανών δεν μπορεί ν’ αυξάνεται συνέχεια, γιατί περιορίζεται απ’ τις δυσχέρειες μόνωσης. Εξάλλου η παροχή τους σε ηλεκτρικό ρεύμα είναι πάντοτε μικρή (λίγα μικροαμπέρ), τόσο μικρή ώστε η ισχύς τους μένει μικρή, της τάξης λίγων κιλοβάτ.
Ακόμη, έχουμε και τις πολεμικές μηχανές, που ήταν βαριά και πολύπλοκα όπλα και χρησιμοποιούνταν για την καταστροφή των τειχών και για την εξακόντιση βλημάτων. Η ανακάλυψή τους οφείλεται στους Ασσύριους. Οι Ρωμαίοι τελειοποίησαν τις πολεμικές μηχανές, που τις έφτιαχναν επί τόπου στα στρατεύματα πολιορκίας, έτσι ώστε να χρησιμοποιούνται με τις συνθήκες που υπήρχαν. Παράδειγμα πολεμικής μηχανής είναι το πυροβόλο (κανόνι), που ανακαλύφτηκε το 14ο αι. για την εξακόντιση πέτρινων σφαιρών εναντίον των τειχών.
