ใบความรู้ที่ 1

ใบความรทู ่ี 1.1 รหัสวชิ า 3100-0104 ชอื่ วิชา นิวแมตกิ สและไฮดรอลกิ ส จาํ นวน 2-2-3 (ท-ป-น) สอนครั้งที่ 1 หนวยที่ 1 ชื่อหนว ย พ้ืนฐานทางฟสิกสของลม หนว ยพืน้ ฐาน การสงแรงผา นของไหล เวลา 4 ช่วั โมง ช่อื เรือ่ ง ความเปนมาและฟส กิ สเกยี่ วกบั ลมและของไหล เวลา 2 ช่วั โมง จุดประสงคการเรียนรู เพ่ือใหผ ูเรียน 1. อธบิ ายเก่ยี วกับปจจยั ส่ิงแวดลอ มทีส่ งผลกระทบตอการสงถา ยแรงผา นของไหลได 2. บอกกฎฟสกิ สเกีย่ วกบั ลมได 3. อธบิ ายความสัมพนั ธ ความดัน อุณหภมู ิ ปริมาตรได 4. คาํ นวณคา การแปลงหนวยพ้ืนฐานไดถูกตอง 5. คํานวณคาความดนั ทีส่ งผลตอการสงถายแรงได 6. คํานวณคาความดนั อณุ หภูมิ ปรมิ าตรไดถูกตอง เน้ือหา พื้นฐานทางฟสิกสของระบบนวิ แมติกส 1. บทนํา ปจจุบันกระบวนการผลิต และการอํานวยประโยชนที่มนุษยคิดสรางสรรคข้ึนนั้นมีหลากหลาย มีการนํา พลังงานในรูปแบบตางๆมาใชกับเครื่องจักรกล เพื่อตอบสนองตอความตองการและปริมาณการผลิตท่ีมากขึ้น โดยเฉพาะปจ จบุ นั มกี ารผลติ เชงิ พานิชยข นาดใหญ เกดิ ระบบคาขายกนั อยางกวางขวางทวั่ โลก ระบบนิวแมติกสคือระบบท่ีนําลมอัดมาใชในการสงถายกําลังใหเกิดเชิงกล จึงนิยมนํามาใชกันมากใน ปจจุบันเน่ืองจากสามารถประยุกตใหมีการควบคุมรวมกับระบบอ่ืนๆไดหลากหลาย ที่สําคัญมีความสะอาด แมน ยําและลดตนทุน 1.1 ประวัติความเปนมาของนิวแมติกส นิวแมติกสมาจากคําศัพทภาษากรีกวา “Pneuma” หมายถึงหายใจหรือลม แตในปจจุบันหมายถึง การนําลมอัดไปใชกับเคร่ืองจักรกลในงานอุตสาหกรรม โดยเฉพาะการนํามาใชขับเคลื่อนและควบคุมอุปกรณ หรือเครื่องจักรกลตาง ๆ ท่ีใชลมเปนตนกําเนิดกําลังใน การทํางาน โดยประวัติความเปนมาของนวิ แมติกสนั้นมีมาพอสังเขปดังน้ี - ศตวรรษที่ 8 - 9 แบลส ปาสคาล(Blasise Pascal) , ออตโต วอน เกอรริก (Otto von Guericke) และ เดนนิส พาพิน(Denis Papin) เปนผูปูทางในสาขานิวแมติกสและไฮดรอลิกส และมีผูนิยมใชกังหันนํ้ากันอยาง ใบความรทู ี่ 1 หนว ยการเรยี นที่ 1 พ้ืนฐานทางฟส ิกสของลม หนวยพ้นื ฐาน การสง แรงผา นของไหล หนา 1

แพรหลาย นอกจากน้ันยังใชขับเคล่ือนกลไกในลักษณะการหมุนแขนแบบโรตารี่ เพื่อเปนคันสงบังคับการ เคลื่อนที่ไปมาดว ย - ศตวรรษที่ 12 ในยโุ รปนิยมการใชก งั หันลมในโรงสี - ศตวรรษที่ 16 กาลิเลโอ กาลิเลอิ (Galileo Galilei) ไดศึกษาเกี่ยวกับการสรางสุญญากาศวิศวกรเหมือง แรม กี ารใชปม ที่สามารถดูดนาํ้ ไดส งู ไดป ระมาณ 10 เมตรป ค.ศ. 1643 เอวนั เยลิสตา ตอรรีเซลลี (Evangelista Torricelli) และวินเซนซิโอวิเวียนิ (Vincenzio Viviani) ไดคน พบวา ปรอทมีความหนาแนนมากกวาน้ํา 14 เทา ป ค.ศ.1663 ปาสคาลไดตีพิมพหนังสือ Traitez de l’ Eqilibre de liqueurs ในกรุงปารีส ซึ่งเปนหลักการ ของเคร่ืองไฮดรอลิกส “ก็เหมือนการเอานํ้าบรรจุภาชนะท่ีชองเปด 2 ทาง โดยชองหน่ึงใหญกวาอีกชองหน่ึง 100 เทา ชองเปดใหญน้ีมีลูกสูบที่ขนาดพอดีกับท่ีจะชักใหผานได สวนลูกสูบตัวเล็กเปนตัวท่ีใหคนดึงได ใน ลกั ษณะนผี้ ชู กั จะมแี รงเทยี บเทา กับ 100 คน” รูปที่ 1.1 แสดงกลองลมของเกอรร กิ ทใ่ี ชในการยิ่งลกู ทรงกลมดว ยลมอัดไหลผา นทอ ป ค.ศ.1672 เกอรริกเปนวิศวกรชาวเยอรมนี ไดเขียนหนังสือเก่ียวกับความรูเก่ียวกับธรรมชาติและคุณสมบัติ ของอากาศ เขาไดก ลา ววา “อากาศมีลักษณะเปน กึ่งรปู รา ง จะขยายตัวเม่ือไดรับความรอนและหดตัวเมื่อไดรับ ความเย็น ซึ่งสามารถถูกอัดได (ควบแนน) การอัดอากาศใหหนาแนนและเจือจางมีขอบเขตของมัน อากาศอัด จะออกแรงกดตอทุกส่ิงรอบ ๆ ตัว แรงกดของอากาศเทากับแรงกดของลํานํ้าท่ีสูง 20 Ellen (หนวยวัดความ ยาวของยโุ รปสมยั โบราณ = 45 นิ้ว)” ดังแสดงในรูปที่ 1.4 จากความรูน้เี ปนแนวความคดิ ในการสรางปม ลม - ศตวรรษที่ 17 มนี กั คน ควาจาํ นวนมากเร่ิมสนใจและคนควาเก่ียวกับนิวแมติกส และไฮดรอ-ลิกส เก่ียวกับ สมมุติฐานการใชลมดูดและลมอัดเชนเดียวกับการใชนํ้าอัด มีการเขียนรายงานทางวิทยาศาสตรเก่ียวกับระบบ การขนสงคนและส่ิงของดวยนิวแมติกส ยังมีการคิดคนเครื่องจักรกลที่ใชลมป ค.ศ. 1709 อัฟเฟนบาชได บรรยายเก่ยี วกับลฟิ ตใ ชง านยดื ออกไดดวยลมทห่ี อดดู าวคารล ในเมืองคาสเซลประเทศเยอรมนี - ศตวรรษที่ 19 พาพินไดบรรยายสิ่งท่ีเขาคนพบคือ เครื่องระบายอากาศดวยแรงเหวี่ยง(Centrifugal ventilator) ซงึ่ ทาํ งานคลายกบั เคร่ืองสบู นา้ํ โดยใชแ รงเหวยี่ ง (Centrifugal pump) ใบความรูที่ 1 หนวยการเรียนที่ 1 พ้นื ฐานทางฟส กิ สข องลม หนว ยพ้ืนฐาน การสง แรงผา นของไหล หนา 2

1.2 หนวยทางฟสิกสที่ใชใ นนิวแมติกส หนว ยวัดในระบบ System International d’ Unites (SI) ประกอบดว ยหนว ยวัดพื้นฐานดังแสดงในรปู ท่ี 1.2 รปู ท่ี 1.2 หนว ยวัดพื้นฐานของระบบ SI สาํ หรบั ระบบนิวแมตกิ สตองอาศยั หลกั ทางฟส ิกสในการผลิตลมอัดเพื่อเปน แหลงตน กาํ ลังและสงถายพลังงาน เพ่ือใหเ กิดงาน โดยมีหนว ยวัดท่สี าํ คัญๆดังน้ี - หนว ยแรง (Force) แรง (F) = มวล(m) X อตั ราเรง(a) หนว ยวัด นิวตนั (N = kgm/s2 ) ถา มวล 1 kg นํามาแทนแรงบนโลก = 1 kgf (กโิ ลกรัมแรง ) = 9.81 N (kgm/s2 ) - หนวยความดัน(pressure) ความดัน (p) = แรง (F) / พ้ืนท่ี (A) หนว ยวัด ปาสคาล ( Pa ) Pa = N/m2 = kg-m/s2.m2 Psi = pound per square inch (หนวยวดั ความดนั ของอังกฤษ) 1 psi = 7000 Pa = 0.06895 bar Bar = หนว ยวัดความดนั ของ (SI) 1 bar = 105 Pa = 14.5 psi = 1.01972 kgf/cm รปู ท่ี 1.3 แสดงแผนภูมิความดนั ( DIN 1343 Pn = 1.01325 bar) หนา 3 ใบความรูที่ 1 หนวยการเรียนที่ 1 พน้ื ฐานทางฟสกิ สข องลม หนวยพน้ื ฐาน การสงแรงผานของไหล

จากรูปที่ 1.3 - ความดนั ความดนั สัมบรู ณ (absolute pressure , Pabs) มีคา 10-10 Pa - ความดันบรรยากาศ (Pn) มีคา 1.01325 bar - หนวยงาน (work) งาน = แรง x ระยะทาง ตวั อยางเชน แรงบดิ หนวยจูล (joule) 1 j = 1 N-m = 0.102 kgf-m - หนวยพลงั งาน (Power) หนว ย Watt 1 W = 1 N-m/S = 0.001359 mhp (metric horse power) 1 mhp = 735.49875 W 1.3 คุณสมบัติทางฟสิกสและกฎของลม อากาศที่นํามาใชในระบบนิวแมติกสประกอบดวย ไนโตรเจน (nitrogen) ประมาณ 78 % โดยปริมาตร ออกซิเจน ประมาณ 21 % โดยปริมาตร และ สว นประกอบอ่ืน ๆ ดังนี้ คารบอนไดออกไซด(Carbon-dioxide), อารกอน (argon) , ไฮดรอเจน (hydrogen) , นอี อน (neon) , ฮีเลียม (helium) ,ครีพตัน (krypton) และสวนประกอบของไอนํ้า อากาศประกอบดวยอณู เล็ก ๆ มอี ะตอมเชือ่ งโยงกนั เปน คู ๆ คลา ยลูกบอล อากาศ 1 cm3 ประกอบดว ย 27 x 1018 อณู 1.3.1 กฎของปาสคาล (กฎสงผานความดัน) B. Pascal(ชาวฝรั่งเศส ระหวางป ค.ศ. 1623- 1662) ไดทําการทดลองพิสูจนกฎปาสคาลซึ่งเกี่ยวกับการสงผานความดันสถิต หรือความดันท่ีไมเคลื่อนท่ี (Static pressure) กฎน้ีกลาววา“ความดันที่กระทําตอสวนหน่ึงสวนใดของของไหลที่อยูนิ่งในภาชนะปด จะ กระทําตอ ทุกสวนของภาชนะในแนวตัง้ ฉาก” รปู ท่ี 1.4 กฎของปาสคาล จากรูปที่ 1.4 ในกรณีที่ลูกสูบมีพื้นท่ีหนาตัด A1 (cm2 ) และ A2 (cm2 ) ถามีแรง F1 หรือน้ําหนัก W1 (kgf) กระทําบนลูกสูบ A1 แลวจะเกิดแรงถายเท W2 (kgf) หรือ F2 ขึ้นท่ีลูกสูบซึ่งมีพื้นที่หนาตัด A2 ดังแสดงในรูป ที่ 1.4 1.3.2 กฎของบอยล R. Boyle (ชาวอังกฤษ ระหวางป ค.ศ. 1627-1691) เปนผูคิดคนกฎของ บอยลโดยกลาววา“ถากดลูกสูบในกระบอกซึ่งมีกาซบรรจุอยูภายใน ปริมาตรกาซจะลดลงในขณะที่ความดัน ใบความรทู ่ี 1 หนว ยการเรยี นที่ 1 พ้ืนฐานทางฟส ิกสข องลม หนวยพน้ื ฐาน การสง แรงผานของไหล หนา 4

กาซเพิม่ ข้นึ ” กลาวอกี นัยหนงึ่ วา “ ณ อณุ หภูมิคงท่ี ปรมิ าณกาซจะเปล่ยี นแปลงเปนอัตราสวนผกผันกับความ ดันกาซน้นั ดงั แสดงในรปู ท่ี 1.5 รูปที่ 1.5 กฎของบอยล 1.3.3 กฎของชารลส กฎของชารลสกลาววา “คาความดันอากาศคงที่คาหนึ่ง ปริมาตรของ อากาศจํานวนหนึ่งจะแปรผันเปนสัดสวนกับอุณหภูมิสัมบูรณของอากาศ” หมายความวา เม่ืออากาศจํานวน หนึ่งซง่ึ มีปริมาตร V1 และอุณหภมู ิ T1 ถูกทาํ ใหร อ นขึน้ หรอื ถูกทําใหเย็นลงที่อุณหภูมิ T2 ภายใตความดันคงท่ี ปริมาตรอากาศจะเปล่ยี นแปลงเปน V2 ตามความสมั พันธด งั แสดงในรปู ที่ 1.6 รปู ที่ 1.6 กฎของชารล ส ใบความรทู ่ี 1 หนวยการเรยี นท่ี 1 พ้นื ฐานทางฟสกิ สข องลม หนว ยพืน้ ฐาน การสงแรงผานของไหล หนา 5

1.4 การเปลี่ยนแปลงของอากาศจากผลของความรอ นและความดัน ความดนั (p) มีคาแปรผนั ตามปริมาตร(V) และอุณหภูมิสมั บูรณ( T) ดงั แสดงในรูปท่ี 1.7 อุณหภูมิภายในขวดทดลองและ อณุ หภมู ิภายในขวดทดลองรอน อุณหภูมภิ ายนอกเทากัน ขึ้นและกาซภายในขยายตัวดนั รปู ที่ 1.7 แสดงการเปลย่ี นแปลงปริมาณอากาศ เมื่ออุณหภูมเิ พม่ิ ขน้ึ (T2 > T1) รปู ท่ี 1.8 แสดงความดนั ท่ีจดุ ตาง ๆ ของทอ ที่มีความเร็วไมเทา กนั 1.5 ความดันอากาศและการเปลี่ยนแปลงความเร็ว ความเร็วและความดันมีความสัมพันธกันอยางใกลชิด สามารถแสดงใหเห็นไดจากการทดลองดังน้ี คือ เมื่อ อากาศไหลผานหลอดแกวท่ีมีลักษณะปากรูปกรวยทรงกลมเรียวและคอดท่ีก่ึงกลางดังรูปที่ 1.8 นําหลอดแกว รปู ตวั ยูติดเขากบั สวนตา ง ๆ ของหลอดแกวทดลอง ความดนั นอยทีส่ ุดจะเกิดข้นึ ทีบ่ ริเวณคอคอดทีเ่ ลก็ ทส่ี ดุ พลังงานความดนั (pressure energy) แฝงอยูในรปู ของความดนั สัมบรู ณ (Pabs) พลังงานจลน (kinetic energy) แฝงอยูใ นรปู ของความเร็ว (V) ดังน้ัน พลงั งานความดัน + พลงั งานจลน = คงท่ี ใบความรทู ่ี 1 หนวยการเรยี นที่ 1 พ้นื ฐานทางฟส ิกสของลม หนว ยพื้นฐาน การสง แรงผานของไหล หนา 6

เอกสารอางองิ /เอกสารคนควา เพม่ิ เตมิ https://sites.google.com/site/krukanit01/wi-cha-thi-s/wi-cha-niwmae-tik-s-laea-hi-dr-x-liks https://sites.google.com/site/krulnw59/ https://www.facebook.com/uttc.learn/posts/2297441023609283 ใบความรูที่ 1 หนวยการเรียนที่ 1 พน้ื ฐานทางฟส กิ สของลม หนวยพน้ื ฐาน การสงแรงผา นของไหล หนา 7