Μηχανές

Τι είναι μηχανή

Μηχανή  ονομάζουμε κάθε επινόηση του ανθρώπου που αυξάνει τις δυνατότητες του και διευκολύνει την εργασία του. 
Πιο ειδικά, μηχανή ονομάζουμε κάθε συσκευή που χρησιμοποιείται για την παραγωγή έργου.
Για να παράγουν έργο  οι μηχανές χρησιμοποιούν-καταναλώνουν κάποια μορφή πρωτογενούς  ενέργειας  την οποία μετατρέπουν σε μια μορφή ενέργειας χρήσιμη για τον άνθρωπο.

Οι διάφορες μηχανές του ανθρώπου για να το πετύχουν αυτό εκμεταλλεύονται  την ιδιότητα  της ενέργειας να αλλάζει μορφές και την χρησιμοποιούν ανάλογα με τις ανάγκες του κάθε φορά πχ :

• Σε ένα ανεμιστήρα καταναλώνεται  ηλεκτρική ενέργεια ,και μετατρέπεται  κυρίως σε κινητική και ως απώλεια σε θερμική
• Σε έναν ανεμόμυλο χρησιμοποιείται αιολική ενέργεια και  μετατρέπεται σε κινητική κυρίως και ως απώλεια σε θερμική
• Σε μια ανεμογεννήτρια χρησιμοποιείται  αιολική ενέργεια ,και  μετατρέπεται αρχικά  σε κινητική  και τελικά σε ηλεκτρική ,ενώ ένα μικρό ποσό σε θερμική ως απώλεια.
• κτλ.

ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΜΙΑΣ ΜΗΧΑΝΗΣ

Η ενέργεια που προσφέρεται για τη λειτουργία μιας μηχανής* είναι πάντοτε μεγαλύτερη από την ωφέλιμη ενέργεια (ή το έργο) που θα αποδώσει η μηχανή*. Η διαφορά αυτή οφείλεται στις απώλειες της μηχανής.

Το πηλίκο αυτών των δύο μας δίνει το βαθμό απόδοσης της κάθε μηχανής και ο οποίος είναι μικρότερος από τη μονάδα ή το 100%

Για παράδειγμα, σε έναν κινητήρα αυτοκινήτου οι 100 μονάδες προσφερόμενης χημικής ενέργειας του καυσίμου δεν μετατρέπονται σε 100 μονάδες κινητικής ενέργειας του οχήματος, παρά μόνο σε 30 μονάδες. Άρα ο βαθμός απόδοσης του κινητήρα είναι 0,3 ή 30%

Η εξίσωση ενέργειας ορίζει όμως, ότι η ενέργεια δε χάνεται.

Πράγματι οι υπόλοιπες 70 μονάδες ενέργειας δεν χάθηκαν αλλά αποδόθηκαν στο περιβάλλον υπό μορφή θερμότητας (λόγω τριβών, ψύξης του κινητήρα κ.λπ.) και αποτελούν το σύνολο των ενεργειακών απωλειών του συστήματος (κινητήρα).

*ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ:Υπάρχει κάποιες εξαιρέσεις όπου ο βαθμός απόδοσης είναι μεγαλύτερος από τη μονάδα ,ένα παράδειγμα είναι η αντλία θερμότητας-κλιματιστικό όπου η ωφέλιμη ενέργεια που αποδίδει , μπορεί να είναι και 4 φορές μεγαλύτερη από την προσφερόμενη .Γι' αυτό το λόγο χρησιμοποιείται σήμερα για ψύξη και θέρμανση κτιρίων

ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΜΗΧΑΝΩΝ

Οι Μηχανές από την αρχαιότητα (Αρχαία Ελλάδα, Αίγυπτος κ.α.) χωρίζονταν σε δύο μεγάλες κατηγορίες, στις απλές και στις σύνθετες μηχανές.

Απλές μηχανές  :

•  οι μοχλοί, 
• η σφήνα, 
• ο κοχλίας , 
• η τροχαλία, 
• το κεκλιμένο επίπεδο,
•  το βαρούλκο, 
• το πολύσπαστο 
• η χειροκίνητη αντλία 

Η ΠΡΏΤΗ ΑΠΛΉ  ΜΗΧΑΝΉ ΤΟΥ ΑΝΘΡΏΠΟΥ ΜΑΛΛΟΝ  ΗΤΑΝ  Η ΣΦΗΝΑ ΓΙΑΤΙ ΑΠΛΑ ΑΠΟΤΕΛΕΙΤΑΙ ΑΠΟ ΕΝΑ ΕΞΑΡΤΗΜΑ ΚΑΙ ΠΛΗΣΙΑΖΕΙ ΣΤΗ ΜΟΡΦΗ ΤΩΝ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ

Σύνθετες μηχανές ήταν την αρχαία εποχή   :

• οι  απλές υδραυλικές μηχανές,
•  οι μύλοι άλεσης και σύνθλιψης,
•  οι  ανυψωτικές όπως χειροκίνητοι γερανοί
• οι  χειροκίνητες(ανυψωτικές κυρίως) μηχανές θεάτρου και 
• οι  χειροκίνητες πολεμικές μηχανές (π.χ. καταπέλτης). 

Ενώ τους τελευταίους αιώνες έχουμε ακόμη τις παρακάτω σύνθετες μηχανές  :

• ατμομηχανές 
• Μηχανές εσωτερικής καύσης(βενζίνης-πετρελαιου,μαζούτ,κηροζίνης,φυσικου αερίου,υγραερίου,αιθανόλης-υδρογόνου)
• Γερανούς διαφόρων τύπων και μεγεθών 
• υδραυλικές μηχανές-αεροσυμπιεστές
• Ηλεκτρικές μηχανές
• Ρομπότ

Η ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΣΤΗΝ ΑΡΧΑΙΟΤΗΤΑ

Η χρήση τους στην καθημερινότητα ήταν τεράστια, μπορούσαν οι άνθρωποι να σηκώσουν εύκολα μεγάλα βάρη (τροχαλία-βαρούλκο) όπως πέτρες, ξύλα και να κατασκευάσουν τεράστια οικοδομήματα όπως ναούς, στάδια κ.α. Επίσης με τον κοχλία 

μπορούσαν να μεταφέρουν το νερό από ένα ποτάμι ή λίμνη και να το αποθηκεύσουν σε μεγάλα δοχεία

 Με τους μύλους μπορούσαν να αλέθουν το σιτάρι και το καλαμπόκι και να παράγουν αλεύρι. Οι μηχανές θεάτρου χρησιμοποιήθηκαν στο θέατρο για τα σκηνικά και για τον "από μηχανής θεό".

 Όποιος ήταν κάτοχος πολεμικών μηχανών μπορούσε εύκολα να νικήσει στις μάχες.

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ 

Ειδικά στην Αρχαία Ελλάδα και στην Αρχαία Αίγυπτο έζησαν και μεγαλούργησαν σπουδαίοι μηχανικοί όπου έφτιαξαν μηχανές και μηχανισμούς πολύ μπροστά για την εποχή τους. 

Ο Ήρων ο Αλεξανδρεύς (1ος π.Χ αιώνας) ήταν ένας μηχανικός που έφτιαξε την πρώτη ατμομηχανή (αιολόσφαιρα),τις πρώτες αυτόματες μηχανές (αυτόματο κλείσιμο θυρών ναού), υδραυλικές μηχανές και μηχανές μέτρησης αποστάσεων. Οι μηχανές αυτές δεν γνώρισαν μεγάλη απήχηση αφού δεν είχε αναπτυχθεί ακόμα η Βιομηχανία και οι άνθρωποι τότε χρησιμοποιούσαν την μυϊκή δύναμη στις εργασίες τους. 

Εκείνη την εποχή κατασκευάστηκε και ο πρώτος υπολογιστής (ο υπολογιστής των Αντικυθήρων). 

Σπουδαίος εφευρέτης και μηχανικός ήταν επίσης και ο Αρχιμήδης όπου κατασκεύασε πλήθος μηχανών (κοχλίας, πολεμικές μηχανές,μοχλοί, κ.α.).

Η ιστορία των σύγχρονων μηχανών αρχίζει με την κατασκευή της πρώτης σύγχρονης ατμομηχανής (1698) που χρησιμοποιήθηκε ως αντλία νερού. Επόμενος σημαντικός σταθμός ήταν η μηχανή του Τόμας Νιούκομεν, το 1712, την οποία βελτίωσε ο Τζέιμς Βατ. Έκτοτε οι ατμομηχανές συνέχισαν να βελτιώνονται και να εξελίσσονται συνεχώς, παίζοντας το βασικό ρόλο στην πραγματοποίηση της Βιομηχανικής επανάστασης  (1760-1860 - Μεγάλη Βρετανία) και επομένως τη μετάβαση από τον χειρωνακτικό τρόπο εργασίας και παραγωγής στον μηχανοποιημένο.

 Επίσης, έπαιξαν σπουδαίο ρόλο στην ανάπτυξη της ναυσιπλοΐας και της ναυτιλίας, με την εμφάνιση του ατμόπλοιου, που δεν εξαρτιόταν από τον άνεμο για την κίνησή του, όπως τα ιστιοφόρα, και την καθιέρωση του σιδηροδρόμου ως κύριου τρόπου χερσαίων μεταφορών στις ανεπτυγμένες χώρες. 

Η ατμομηχανή αποτέλεσε την πρώτη μηχανή κίνησης. Τον εικοστό αιώνα, οι ατμομηχανές εκτοπίστηκαν σε μεγάλο βαθμό από τους κινητήρες ντίζελ (πετρελαίου), τους βενζινοκινητήρες και τους ηλεκτροκινητήρες μια και αυτοί ήταν οι τρόποι παραγωγής ενέργειας που έκαναν την εμφάνισή τους στο προσκήνιο εκείνη την εποχή. 

Τις μηχανές κίνησης  ανάλογα την ενέργεια που χρησιμοποιούν τις χωρίζουμε στις εξής κατηγορίες:

Θερμικές Μηχανές

Μετατρέπουν την θερμότητα από την χημική ενέργεια του καυσίμου (βενζίνη, πετρέλαιο, λιγνίτης) σε μηχανική ενέργεια (π.χ. ατμομηχανές, μηχανή αυτοκινήτου, βενζινοκινητήρες, μηχανές ντίζελ κ.λ.π). 

Διακρίνονται σε Μηχανές Εσωτερικής Καύσης (όπως στο αυτοκίνητο) και Μηχανές Εξωτερικής Καύσης(όπως οι ατμομηχανές).

Υδραυλικές μηχανές

Μετατρέπουν την ενέργεια του νερού που βρίσκεται σε κίνηση σε μηχανικό έργο (π.χ υδραυλικές τουρμπίνες στα υδροηλεκτρικά εργοστάσια)

Ηλεκτρικές μηχανές

Μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ή μετατρέπουν την μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική (γεννήτριες ρεύματος, ηλεκτροκινητήρες)

Αυτόματες μηχανές -Ρομπότ

Ο όρος ρομπότ πρωτοεμφανίζεται σε ένα θεατρικό έργο επιστημονικής φαντασίας του Τσέχου συγγραφέα Κάρελ Τσάπεκ το 1921 και προέρχεται από τη σλαβική λέξη robota που σημαίνει εργασία. Η αυτοματοποίηση της παραγωγικής διαδικασίας στις βιομηχανίες μαζικής παραγωγής αντικαθιστά τους ανθρώπους με εξειδικευμένες μηχανές που εκτελούν μια προκαθορισμένη σειρά κατεργασιών στα προϊόντα που παράγονται. 

Στόχος της αυτοματοποίησης, η οποία γίνεται εφικτή με την ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας τον 20ό αιώνα, είναι η αυξημένη παραγωγικότητα, η βελτιωμένη ποιότητα, η αύξηση του κέρδους των επιχειρήσεων αλλά και η ελεγξιμότητα των μέσων παραγωγής.

Το 1961 κατασκευάζεται και τίθεται σε λειτουργία το πρώτο βιομηχανικό ρομπότ. Σύμφωνα με έναν ευρέως αποδεκτό ορισμό, χρονολογούμενο από το 1980, ένα βιομηχανικό ρομπότ είναι μια επαναπρογραμματιζόμενη μηχανή σχεδιασμένη να μετακινεί αντικείμενα, εργαλεία ή διατάξεις μέσω μιας ποικιλίας προγραμματιζόμενων κινήσεων, για την εκτέλεση εργασιών. 

 Τυπικές εφαρμογές των ρομπότ είναι:

•  στη βιομηχανία περιλαμβάνουν τη φόρτωση - εκφόρτωση προϊόντων τη βαφή, την κοπή ,την συγκόλληση κ.τ.λ.
• κατασκευή υπολογιστών
• ιατρικές επεμβάσεις
• οικιακές εργασίες
• ξενοδοχειακές εργασίες
• αγροτικές εργασίες πχ.συλλογή καρπών
• στην υπηρεσία του πολέμου
• κτλ.

Σήμερα έχουμε την ανάπτυξη αυτόματων μηχανών  με τεχνητή νοημοσύνη (Artificial Intelligense)

Οι επιπτώσεις της ευρείας χρήσης των μηχανών ήταν και είναι τεράστιες στη ζωή των ανθρώπων:

Θετικές επιπτώσεις:

• ·        Οι μηχανές εργάζονται με περισσότερη δύναμη από τον άνθρωπο και μπορούν να κάνουν εργασίες που ο άνθρωπος δεν θα μπορούσε να κάνει.
• ·      Εργάζονται με μεγαλύτερη ακρίβεια, ταχύτητα και χωρίς διακοπή
• 
  
• ·        Συμβάλλουν στην ανάπτυξη της οικονομίας λόγω ανάπτυξης της βιομηχανίας
•      Συμβάλλουν στην καλύτερη ποιότητα ζωής του ανθρώπου (επικοινωνία, υγεία, ψυχαγωγία, εργασία, μεταφορές)

Αρνητικές επιπτώσεις:

• ·        Οι μηχανές είναι ενεργοβόρες, απαιτούν τεράστια ποσά ενέργειας π.χ. πετρέλαιο, λιγνίτη, φυσικό αέριο κ.λ.π
• ·        Συμβάλλουν στα μεγάλα περιβαλλοντικά που αντιμετωπίζει  η γη  με τις διάφορες εκπομπές ρύπων.
• ·         Η μη σωστή χρήση τους προκαλεί ατυχήματα ή και δυστυχήματα
•       Για  την κατασκευή τους και λειτουργία τους εξαντλούνται οι φυσικοί πόροι.