Μηχανικό σύστημα

Ένα μηχανικό σύστημα διαχειρίζεται ενέργεια για να ολοκληρώσει ένα έργο που περιλαμβάνει δυνάμεις και κίνηση. H Μηχανική προέρχεται από τη λατινική λέξη machina, η οποία με τη σειρά της προέρχεται από τη Δωρική μαχανά, την Ιωνική μηχανή "συσκευή, μηχανισμός, μηχανή" και αυτές με τη σειρά τους από την λέξη μῆχος, "μέσο, τέχνασμα, λύση".

Το Λεξικό Αγγλικών της Οξφόρδης ορίζει το επίθετο μηχανικός ως τον επιδέξιο στην πρακτική εφαρμογή μιας τέχνης ή μιας επιστήμης, μέσω μιας μηχανής ή μηχανών, και ο οποίος αφορά ή προκαλείται από κίνηση, σωματική δύναμη, ιδιοτήτες ή παραγόντες, όπως αυτό γίνεται από τη Μηχανική. Ομοίως, το Λεξικό Merriam-Webster ορίζει τη λέξη "μηχανικός", ως αυτόν που σχετίζεται με μηχανήματα ή εργαλεία.

Ένα μηχανικό σύστημα αποτελείται από (α) μια πηγή ενέργειας και τους ενεργοποιητές που δημιουργούν τις δυνάμεις και την κίνηση, (β) ένα σύστημα μηχανισμών που διαμορφώνουν  την τροφοδοσία του ενεργοποιητή για να επιτευχθεί μια συγκεκριμένη εφαρμογή των δυνάμεων παραγωγής και της κίνησης, και (γ) έναν ελεγκτή με αισθητήρες που συγκρίνει την παραγωγή μ' έναν στόχο απόδοσης και στη συνέχεια κατευθύνει την τροφοδοσία του ενεργοποιητή. Αυτό μπορούμε να το δούμε στην ατμομηχανή του Watt (βλέπε την εικόνα), στην οποία η δύναμη για να κινηθεί το έμβολο παρέχεται από τον διαστελλόμενο ατμό. Ο κινούμενος άξονας, ο συζευκτής και o στρόφαλος μετατρέπουν την γραμμική κίνηση του εμβόλου σε περιστροφή της τροχαλίας παραγωγής. Τέλος, η περιστροφή της τροχαλίας κινεί τον φυγόκεντρο ρυθμιστή, ο οποίος ελέγχει την βαλβίδα της τροφοδοσίας του ατμού στο έμβολο του κυλίνδρου.

Η ροή ενέργειας μέσα από ένα μηχανικό σύστημα μας παρέχει έναν τρόπο για να κατανοήσουμε την απόδοση των συσκευών που εκτείνονται από μοχλούς και οδοντωτούς τροχούς έως αυτοκίνητα και ρομποτικά συστήματα.

Πηγές ενέργειας 
Η προσπάθεια του ανθρώπου και των ζώων ήταν η αρχική πηγή ενέργειας για τις πρώτες μηχανές. Οι φυσικές δυνάμεις, όπως ο άνεμος και το νερό τροφοδότησαν μεγαλύτερα μηχανικά συστήματα.

Υδραυλικός Τροχός: Οι Υδραυλικοί τροχοί εμφανίστηκαν σε όλο τον κόσμο περίπου το 300 π.Χ., έτσι ώστε να χρησιμοποιηθεί το τρεχούμενο νερό για την παραγωγή περιστροφικής κίνησης, η οποία χρησιμοποιήθηκε στην άλεση σιτηρών, την μετακίνηση ξυλείας, τις κατασκευές και τις κλωστοϋφαντουργικές επεξεργασίες. Οι σύγχρονοι στρόβιλοι νερού χρησιμοποιούν νερό που ρέει μέσα από ένα φράγμα για να μεταδώσουν κίνηση σε μια ηλεκτρική γεννήτρια.

Ανεμόμυλος: Οι πρώτοι ανεμόμυλοι δέσμευαν την αιολική ενέργεια για να παραγάγουν περιστροφική κίνηση για τις διαδικασία της άλεσης . Οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες, επίσης, μεταδίδουν κίνηση σε μια γεννήτρια. Αυτή η ηλεκτρική ενέργεια με τη σειρά της χρησιμοποιείται για να δώσει κίνηση σε μηχανές που αποτελούν τους ενεργοποιητές των μηχανικών συστημάτων.

Κινητήρας: Η λέξη κινητήρας αναφέρεται αρχικά σε μηχανισμούς που μπορεί να είναι ή να μην είναι φυσικές συσκευές. Δείτε τον ορισμό του κινητήρα στο Merriam-Webster. Μια ατμομηχανή χρησιμοποιεί τη θερμότητα για να βράσει το νερό που βρίσκεται μέσα σ' ένα δοχείο πίεσης. Η διαστολή του ατμού δίνει κίνηση σ' ένα έμβολο ή στρόβιλο. Αυτή την αρχή μπορεί να τη δει κανείς στην αιολοπύλη του Ήρωνα της Αλεξάνδρειας. Ονομάζεται μηχανή εξωτερικής καύσης.

Η μηχανή του αυτοκίνητου ονομάζεται μηχανή εσωτερικής καύσης , γιατί καίει καύσιμα (μια εξώθερμη χημική αντίδραση) μέσα σε ένα κύλινδρο και χρησιμοποιεί την διαστολή αερίων για να μεταδώσει κίνηση σ'ένα έμβολο. Μια αεριωθούμενη μηχανή χρησιμοποιεί έναν στρόβιλο για να συμπιέσει τον αέρα που καίγεται μαζί με το καύσιμο, έτσι ώστε να διασταλεί μέσα από ένα ακροφύσιο και να δώσει ώθηση σ' ένα αεροσκάφος, το οποίο είναι, επίσης, μια "μηχανή εσωτερικής καύσης." 

Εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας: Η θερμότητα από την καύση άνθρακα και φυσικού αερίου σ' ένα λέβητα παράγει ατμό που δίνει κίνηση σ' έναν στρόβιλο ατμού για την περιστροφή μιας ηλεκτρικής γεννήτριας. Ένα εργοστάσιο παραγωγής πυρηνικής ενέργειας χρησιμοποιεί τη θερμότητα ενός πυρηνικού αντιδραστήρα για την παραγωγή ατμού και ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η ενέργεια είναι που διανέμεται μέσω ενός δικτύου γραμμών μεταφοράς για βιομηχανική και ιδιωτική χρήση.

Κινητήρες: Οι ηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούν είτε ΕΡ ή ΣΡ ηλεκτρικό ρεύμα για να παράγουν περιστροφική κίνηση. Οι ηλεκτρικοί σερβοκινητήρες είναι οι ενεργοποιητές για μηχανικά συστήματα που εκτείνονται από τα ρομποτικά συστήματα έως τα σύγχρονα αεροσκάφη.

Υδραυλική Ενέργεια: Τα υδραυλικά συστήματα και τα συστήματα πεπιεσμένου αέρα χρησιμοποιούν ηλεκτροκίνητες αντλίες για να μεταδώσουν κίνηση με νερό ή αέρα, αντίστοιχα, σε κυλίνδρους και να τροφοδοτήσουν μια γραμμική κίνηση.

Μηχανισμοί 
Ο μηχανισμός ενός μηχανικού συστήματος συναρμολογείται από εξαρτήματα που ονομάζονται στοιχεία μηχανών. Αυτά τα στοιχεία παρέχουν τη δομή για το σύστημα και ελέγχουν την κίνηση του.

Τα δομικά εξαρτήματα είναι, γενικά, τα μέλη του σκελετού, τα υποστηρίγματα άξονος, οι σφήνες, τα ελατήρια, τα παρεμβύσματα, οι σύνδεσμοι και τα καλύμματα. Το σχήμα, η υφή και το χρώμα των καλυμμάτων παρέχουν ένα στυλ και μια λειτουργική διασύνδεση μεταξύ του μηχανικού συστήματος και των χρηστών του.

Οι σύνδεσμοι που ελέγχουν την κίνηση ονομάζονται επίσης "μηχανισμοί."  Οι μηχανισμοί γενικά ταξινομούνται ως γρανάζια και οδοντωτοί τροχοί, οι οποίοι περιλαμβάνουν ιμάντες κίνησης και αλυσίδες κίνησης, άξονα και μηχανισμούς κίνησης ατράκτου και συνδέσμους, αν και υπάρχουν κι άλλοι ειδικοί μηχανισμοί όπως οι σφιγκτήρες, οι μηχανισμοί δεικτών, οι μηχανισμοί διαφυγής και οι συσκευές τριβής όπως τα φρένα και οι συμπλέκτες.

Ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας (ΒΕ) ή κινητικότητας ενός μηχανισμού εξαρτάται από τον αριθμό των συνδέσεων και των συνδέσμων καθώς και τα είδη των συνδέσμων που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του μηχανισμού. Η γενική κινητικότητα ενός μηχανισμού είναι η διαφορά μεταξύ της απεριόριστης ελευθερίας των συνδέσεων και ο αριθμός των περιορισμών που επιβάλλονται από τους συνδέσμους. Αυτό περιγράφεται από το κριτήριο Chebychev-Grübler-Kutzbach.

Ελεγκτές 
Οι ελεγκτές συνδυάζουν τους αισθητήρες, τη λογική, και τους ενεργοποιητές  για τη διατήρηση της απόδοσης των εξαρτημάτων μιας μηχανής. Ίσως ο πιο γνωστός είναι ο φυγόκεντρος ρυθμιστής της ατμομηχανής. Παραδείγματα αυτών των συσκευών εκτείνονται από έναν θερμοστάτη, ο οποίος καθώς ανεβαίνει η θερμοκρασία ανοίγει μια βαλβίδα στο κρύο νερό έως τους ελεγκτές επιτάχυνσης όπως το σύστημα του μηχανισμού ρύθμισης ταχύτητας κίνησης σ' ένα αυτοκίνητο. Η προγραμματιζόμενη μονάδα κεντρικού ελέγχου αντικατέστησε τους ηλεκτρονόμους και εξειδίκευσε του ελεγκτικούς μηχανισμούς μ' έναν προγραμματιζόμενο υπολογιστή. Οι σερβοκινητήρες, που τοποθετούν με ακρίβεια έναν άξονα ως αντίδραση σε μια ηλεκτρική εντολή, είναι κι αυτοί ενεργοποιητές που κάνουν τα ρομποτικά συστήματα εφικτά.

Δείτε επίσης 
 Ιστορία της τεχνολογίας
 Μηχανή (μηχανική)
 Σύνδεσμος (μηχανική)
 Μηχανισμός (μηχανική)

References 

Μηχανές
Μηχανολογία