بررسی روبات مسیر یاب ربوحشره

کلمة روبات (‌Robot) اولین بار در سال 1921 در نمایشنامه ‌ای به نام « روباتهای جهانی روسام » اثر کارل چاپک ( نویسنده چک) بکار برده شد؛ این کلمه از روبوتا که در زبان چک معنای « کار شاق و اجباری » می دهد،مشتق شده است و در این نمایشنامه روباتها موجوداتی هستند که توسط داشمند زیست شناسی نابغه‌ای بنام روسام از یک خمیر مایة اسرار آمیز تولید می شوند تا جای

دسته بندی	فنی و مهندسی
فرمت فایل	doc
حجم فایل	238 کیلو بایت
تعداد صفحات فایل	118

دریافت فایل

فروشنده فایل

کد کاربری 8044

تمام فایل ها

فصل اول :

یک تاریخچة کوتاه

کلمة روبات (‌Robot) اولین بار در سال 1921 در نمایشنامه ‌ای به نام « روباتهای جهانی روسام » اثر کارل چاپک ( نویسنده چک) بکار برده شد؛ این کلمه از روبوتا که در زبان چک معنای « کار شاق و اجباری » می دهد،مشتق شده است و در این نمایشنامه روباتها موجوداتی هستند که توسط داشمند زیست شناسی نابغه‌ای بنام روسام از یک خمیر مایة اسرار آمیز تولید می شوند تا جای کارگران را بگیرند.این نمایشنامه پایانی تراژیک و ترسناک دارد ، چون روباتها به تدریج کاملتر و هوشمند تر شده ، و بعنوان موجود برتر نسل انسان را منقرض می کنند.

شکل (1-1)

شکل (1-1) تصویری تخیلی از روبات نمایشنامة «روباتهای جهانی روسام »

در اسطوره های قوم یهود موجودی افسانه ای به نام گولوم وجود دارد .که از گل ساخته شده،‌توسط نیرویی جادویی جان می گیرد. هیولای رعب انگیز داستان معروف دکتر فرانکشتین ( اثر مری شلی ) را نیز می توان یک روبات دانست. مخلوق هولناکی که از بخیه زدن قطعات بدن مرده های مختلف ساخته شده و با الکتریسیته روح حیات در آن دمیده می شود ( شکل 1-2)

چیزی که در همة این داستانها مشترک است ، پاپان غم انگیز آنهاست: روبات ، گولوم یا هیولا سرانجام خالق خود را نابود می کند. این افسانه ها حیات مصنوعی معادل وحشت و دردسر است این داستانها در واقع انسان را از پیشرفت بیش از حد منع میکند. و نسبت به عواقب وخیم آن هشدار می دهند. اما وحشت نکنید ، روباتهایی که ما می سازیم فقط ماشینهای هوشمندی هستند که دستورات مارا به طور خودکار اجرا می کنند.

اما اجازه دهید ببینیم ایدة‌موجود مصنوعی هوشمند از کجا آمده ، و انسانها در طول قرون واعصار چگونه آن را دنبال می کنند .

شکل

شکل 1-2- مخلوق ترسناک دکتر فرانکشتین، و گولوم

اتوماتون و انیماترونیک

اتوماتون (Automaton) وسیله ایست که می تواند با اتکاء به نیروی خود حرکت کند. از آنجائیکه مکانیزم جرکت اتوماتون اغلب مخفی است و به چشم نمی آید، برای افراد معمولی این تصور پیش می آید که اغلب موجوداتی خودمختار یا زنده هستند . با اینکه تعریف اتوماتیون برای اشیاء ساده‌ای مانند ساعت هم صدق می کند ، اما این اصطلاح معمولاً برای توصیف دستگاه هایی که ظاهر و حرکات موجودات زنده را تقلید می کنند بکار برده می شود .

انسانها از همان اولین روزهای خلقت دربارة‌بدن ( یا موجودات زندة دیگر) و طرز کار آن کنجکاو بوده اند ، و این شفتگی باعث شده تا آرزوی خلق موجودی شبیه آن را در سر بپروانند . اولین اقدامات برای جان بخشیدن به مجسمه ها از یونان باستان شروع شد . آنها با استفاده از نیروی بخار آب و بکار گرفتن مکانیزم های ساده ، بخشهایی از بدن مجسمه ها را به حرکت در می آوردند. بعدها مکانیزمهای پیچیده تری ساخته شد : مجسمه هایی که راه می رفتند ، پرنده هایی که اواز می خواندند ، آتشهایی که خودبخود روشن می شدند ، و مانند آنها . درایران ، مصر ، چین باستان نیز مدارکی دال بر اختراعات مشابه بدست آمده است .

این روند با سقوط امپراتوریهای یونان و روم ( وشروع عصر تاریکی ) دچار وقفه‌ای طولانی شد ، اما در دورة رنسانس اتوماتون نیز مانند سایر علوم و هنرها از پردة محاق خارج شد . داستانهای جالبی از یک عقاب پرندة آهنین که در سالهای دهة 1470 میلادی به دست یوهان مولر ساخته شد، نقل شده است . در قرون چهاردهم و پانزدهم میلادی اتوماتون بازی محبوب اشراف بود . لئوناردو داوینچی یک شیر متحرک برای لویی دوازدهم (‌پادشاه فرانسه) ساخته بود ؛ شارل پنجم تعداد زیادی اسباب بازی مکانیکی داشت ، که آنها را جیانلو دلاتور (دانشمند اهل کرمونا) برایش ساخته بود ، کریستین هویگنس (دانشمند هلندی ) نیز در دهة 1680 یک بازوی مکانیکی اختراع کرده بود .

اولین اتوماتون شبه انسانی (‌که با آدمک android- معروف است ) در اوایل قرن شانزدهم میلادی توسط هانس بالمن ساخته شد . از آن زمان به بعد آدمک ها در مرکز توجه سازندگان اتوماتون قرار دارند . در قرون بعدی آدمکهایی ساخته شدند که ساز می نواختند، نقاشی می کردند، داستان می نوشتند و حتی شطرنج بازی می کردند ( یا حداقل تظاهر به بازی می کردند )

قرن هیجدهم عصر طلایی اتوماتون بود ، و ماشینهای بسیار ظریفی در این سده ساخته شد. برای ساخت این ماشینها اغلب از چرخ دنده های ظریف ساعت ها و استوانه های کنترلی استفاده می شد . قلب ( یا بهتر است بگوئیم مغز ) این ماشینها همان استوانة کنترلی بود که روی آن صدها یا هزاران میله یا بادامک (‌با اشکال پیچیده ) تعبیه می شد. استوانة کنترلی نیروی حرکتی خود را از یک فنر (‌شبیه فنر ساعت ) می گرفت ، و بنوبة خود ( توسط بادامک ها ) اهرمها و میله های دیگری را به حرکت در می‌ورد ؛ که باعث حرکات بسیار پیچیدة ماشین می شد .

معروفترین اتوماتون قرن هیجدهم آدمکی بود بنام تورک ، که در سال 1770 توسط ولفگانگ فون کپلن ساخته شد . این آدمک (‌توسط صاحب خود ، یوهان نپوماک مالزل )‌به سرتاسر اروپا و آمریکا سفر کرد و مردم را با بازی شطرنج خود متحیر ساخت . مردم آن روزگار به اندازة‌کافی از مکانیزم داخلی اتوماتون ها اطلاع داشتند ، و میدانستند که یک وسیلة‌مکانیکی ( هر اندازه پیچیده ) نیم تواند فکر کند . اما تورک این عقیده را به چالش کشید . تورک با اغلب مشاهیر آن روزگار (‌مانند ناپلئون ، چارلز بابیج و آدگارآلن پو) بازی کرد ، و اکثر آنها را هم برد . اما راز تورک بعدها بر ملا شد، و معلوم شد که داخل این ماشین ظریف جایی برای پنهان شدن یک انسان تعبیه شده بود، که یک شطرنج باز قهار را در خود مخفی می کرده است .

اما تورک پیچیده ترین اتوماتون تاریخ نیست ، بلکه این عنوان بی تردید شایستة یک مرغابی مکانیکی است که در سال 1738 توسط ژاک و کانسو اختراع شد . این مرغابی شنا می کرد، بال می زد ، با منقار پرهایش را می آراست ، آب می خورد ، غذا می خورد ، و حتی پس ماندة غذای خودره شده را دفع میکرد! تمامی این حرکات مستلزم هزاران قطعة متحرک مکانیکی بود که در داخل بدن مرغابی و روی یک پایة‌بزرگ نصب می شود . اما اتوماتون برای وکانسو فقط جنبة سرگرمی داشت . و دغدغة اصلی وی ماشینهای خودکار بافندگی بود .، در سال 1743 ، و کانسو بازیچه‌های مکانیکی خود را فروخت و مدیریت یک کارخانة دولتی ابریشم بافی در فرانسه را بر عهده گرفت . در اینجا بود که وکانسو یک ماشین خودکار بافت نقوش بر جستة ابریشم اختراع کرد که توسط کارتهای سوراخ دار کار می کرد .و . متأسفانه این اختراع هوشمندانه در اثر عدوات بافندگان دیگر برای مدتها نادیده گرفته شد .

در سال 1804 جوزف ماری ژاکارد ابداع و کانسورا را با طرحهای خود تکمیل و افتخار اختراع ماشین بافندگی خودکار را به نام خود ثبت کرد . با اینکه ماشینهای ژاکارد هم از مخالفت کینه توزانة صاحبان کارخانجات بافندگی معاصر وی مصون نماند ( و حتی در مواردی کار به سوزاندن کارخانجات بافندگی خودکار کشید )، اما در نهایت این ماشینها کارایی فوق العاده خود را به اثبات رسانده و راه انقلاب صنعتی را هموار کردند .

در قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم ، همزمان با پیشرفت تکنیکهای ساخت و تولید ، وسایل مکانیکی خودکار به میان مردم راه یافتند که از میان آنها می توان به ساعتهای فانتزی ، اسباب بازیهای مکانیکی پیچیده و اختراعات نو ظهور دیگر اشاره کرد. امروزه موتورهای الکتریکی مینیاتوری و وسایل کنترل الکتریکی جای فنر و چرخ دنده را در اسباب بازیها گرفته است. اما همچنان می توان اتوماتون های ظریف و خوش ساخت را به ( قیمتهای مختلف ) در گوشه و کنار یافت .

بدون شک سهم بزرگی از اختراعات انقلاب صنعتی مدیون کنجکاویهای بازی گونة سازندگان اتومان در عصر رنسانس است . امروزه اتوماتون به هنر نیز راه یافته است . شرکت معظم فیلمسازی والت دیسنی در بسیاری از آثار موفق خود از ماشینهای پیچیده‌ای که نقش بازیگران حرفه‌ای را ایفا می کنند استفاده کرده است. این ماشینهای فوق العاده ظریف، که انیماترونیک (Animatronik) نامیده می شوند ، به کمک موتورهای الکتریکی و ابزارهای هیدرولیک ( و کسی به جای آنها حرف بزند ) باور حیات را بسادگی به افراد القاء میکنند .

شکل 1-3- یکی از انیماترونیک های والت دیسنی

از حقه های سادة یونانیان و مصریان باستان گرفته شده تا انیماترونیک های پیچیدة والت دیسنی (‌که به معجزة بیشتر شبیه هستند ) ، همة این ماشینها در یک اصل ساده مشترکند، آنها فقط به یک سلسله حرکات از پیش تعیین شده را باز تولید و تکرار می کنند .

ماشینهای تولید

از همان شروع انقلاب صنعتی کارخانه ها با مشکلی به نام تأمین نیروی کار ماهر روبرو شدند . با اینکه نیروی آب ، بخار ، گاز و برق به انسان کمک می کرد، اما نقش اصلی را همچنان مردان ،زنان ، و کودکانی بر عهده داشتند که در ازای مزد ناچیز در کارخانه ها روز خود را شب می کردند . در این شرایط بود که ایدة اتوماسیون بسرعت به در میان کارخانه رواج یافت . اما بزودی روشن شد که ماشینی که بتواند حتی یک کار ساده (‌مانند تبدیل مفتول فولادی به گیره های کاغذی ) را بطور کاملاً‌خودکار انجام دهد؛ ماشینی بغایت پیچیده خواهد بود. کارخانة کاملاً خودکار هنوز هم فقط یک رؤیاست ( رؤیایی که متعلق به فیلم‌های علمی – تخیلی مانند فیلم جذاب و دیدنی ادوارد دست قیچی ) و در کارخانه‌های امروزی برای هر کار خاص یک ماشین خاص وجود دارد : ماشین برش ، ماشین خمکاری ، ماشین جوشکاری و مانند آنها .

اما ورود اتوماتون ها به صنعت تا زمان امکان برنامه ریزی آنها عملی نشد ؛ روباتیکه نتواند برای موقعیتهای مختلف برنامه ریزی شود ، از ارزش عملی چندانی برخوردار نیست . اتوماتون ها ( یا روباتها ) از ماشینهای خودکار قدیمی یک گام جلوتر بودند: آنها ایمنی بیشتری برای کارگران تأمین می کردند، چون آنها ذاتاً نیازی به همراهی کارگران نداشتند و می توانستند بدون هیچگونه کمکی کار خود را به خوبی انجام دهند (‌شکل 1-4 را ببینید )

شکل 1-4- یک روبات جوشکار

مهمترین قسمت مکانیکی یک روبات کارگر بازوی آن است ( شکل 1-5) بازوی روبات یک «‌دست » مکانیکی تخصصی یافته است که برای انجام یک یا چند وظیفة خاص طراحی شده است هر بازوی روباتی می تواند بر طبق برنامه ریزی انجام شده در مغز آن کارهای مختلفی را انجام دهد علاوه بر آن این امکان نیز وجود دارد که یک روبات بتواند بازوهای مختلفی داشته باشد .

روباتها دریچة جدیدی برروی اکتشافات عملی گشوده‌اند. امروزه به کمک روباتها به جاهایی می توان سفر کرد که در گذشته تصور آن هم دشوار بود :سفر به سایر کرات منظومة شمسی مانند مریخ ، سفر به اعماق فضا یااقیانوسها ،‌یا سفر به نقاط صعب العبور مانند قطب جنوب و حتی قلة کوههای آتشفشان در شکل 1-6 روباتهای مریخ نورد ناسا بنامهای اوپورچونیتی و پت فایندر را می بینید .

روباتهای افسانه‌ای

با اینکه افسانه های زیادی دربارة روباتها و موجوداتی با حیات مصنوعی نقل شده است ، اما در این افسانه ها بروشنی معلوم نیست این هیولاها چگونه خلق شده اند . در داستانهای گولوم و فرانکشتین هیچ توصیف واقعی از نحوة خلایق هیولاوجود ندارد و حتی در داستان عملی تر کارل چاپک روباتها مخلوقاتی از جنسی سیتوپلاسم مرموز هستند ، نه موجوداتی مکانیکی . اما روباتهای واقعی ماشینهای ظریفی هستند که بر طبق یک نقشة فنی دقیق ساخته می شوند. بااین حال ، همیشه این تصور ( یا ترس ) وجود داشته است که روباتها بتوانند از خالق خود یعنی انسان پیشی بگیرند.

شکل 1-5- یک بازوی روباتی

شکل 1-6- روباتهای مریخ نورد .

روباتها همیشه در سینما حضور چشمگیر داشته اند. روباتهای دوست داشتنی نسل ما سی تری پی او (‌C3PO)و آر تودی تو (R2D2) روباتهای قهرمان سری فیلمهای جنگ ستارگان - به نوعی تداعی کنندة لورل و هاردی بودند .

شکل 1-7- روباتهای قهرمان فیلم جنگ ستارگان

اما امروزه هنر پیشه بیشتر در نقش موجودات خبیث ظاهر می شوند: سایبورگ های فیلم بلیدرانر، یا ماشینهای آدمکشی TX-T1000 در مجموعه فیلمهای ترمیناتور

شکل 1-8- روبات خبیث فیلم ترمیناتور

حضور روباتها در فیلمهای سینمایی سابقه‌آی بسیار طولانی دارد : اولین روبات در سال 1909 در فیلمی انگلیسی به نام خدمتکار الکتریکی ظاهر شد . پس از آن در فیلم معروف متروپلیس ( ساختة فریتزلانگ کارگردان آلمانی ) روباتی مؤنث بنام ماریا ایفای نقش کرد. در فیلم معروف جادوگر شهر اوز ( که در ایران به نام جادوگر شهر زمرد به نمایش درآمد ) نیز یکی از نقشهای اصلی (‌گوی آتش ، فرمانروای شهر زمرد ) بر عهدة روباتها گذاشته شد . دهة 1950 اوج فیلمهای تخیلی بود که بدون روباتها هیچوقت کامل نبودند، معروفترین این روباتها رابی قهرمان با مزة فیلم سیارة ممنوع بود ، که بدون تردید می توان آنرا الهام بخش بسیاری از روبات – هنر پیشه های بعد ازخود نامید.

کتابخوانها نیز از روباتها دور نبوده اند ، داستانهای علمی – تخیلی همواره با این موجودات عجین بوده است.

بدون تردید معروفترین نویسنده‌ای که دربارة‌روباتها به تفصیل نوشته ، کسی نیست جزء آیزاک آسیموف .آسیموف در طی خلق دهه ها داستان علمی ، تخیلی مهیج ، قوانین سه گانة روباتیک خود را تدوین کرد. که امروزه به عنوان اصول اساسی این صنعت پذیرفته شده‌اند قوانین سه گانة روباتیک آسیموف چنینند :

1- قانون اول روباتیک : یک روبات نباید (‌از طریق اقدام یا عدم اقدام خود ) باعث صدمه دیدن یک انسان شود . یااجازه دهد به یک انسان آسیب برسد .

2- قانون دوم روباتیک: یک روبات باید دستوراتی را که انسانها به آن می دهند اجرا کند مشروط بر اینکه قانون اول نقض نشود .

3- قانون سوم روباتیک: یک روبات باید از خودش محافظت کند ، مشروط بر اینکه قانون اول یا دوم نقض نشوند .

آسیموف بعدها قانون دیگری به این قوانین سه گانه اضافه کرد ، و از آنجائیکه این قانون از همه مهمتر بود و باید در بالای لیست قرار می گرفت، نام آنرا قانون صفرم روباتیک‌( که دراین حالت قانون اول روباتیک فقط تا زمانی معتبر است که قانون صفرم را نقض نکند .)

قانون صفرم روباتیک : یک روبات نباید (‌از طریق اقدام یا عدم اقدام خود ) باعث صدمه دیدن نژاد بشر( یاکرة زمین ) شود یا اجازه دهد به این نژاد (‌یا کرة زمین ) آسیب برسد.

روباتهای خیالی کتابها و فیلمهای سینمایی در واقع شمشیری دولبه هستند ، از یک طرف آنها با تحرک قوة تخیل افراد باعث تقویت پایه های تکنولوژیک آینده به خصوص در میان جوانان و نوجوانان نسل امروز می شوند. چه بسیار از متخصصان فعلی این رشته که با دیدن دلربایی های C3Po در فیلم جنگ ستارگان ، یا کارهای محیر العقول T800در فیلم ترمیناتور مسیر آینده خود را انتخاب کرده اند . ازر سوی دیگر ، داستانها و فیلمهای علمی – تخیلی مرز انتظارات مردم از روباتها را تا حد زیادی بالا می برند . وقتی مردم با تصوری که از روباتهای فیلمهای علمی – تخیلی دارند با یک روبات امروزی روبرو می شوند بکلی سرخورده می شوند (‌البته مقایسة‌روبات تغییر شکل دهندة فیلم ترمیناتور با یک روبات جوشکار براستی دور از انصاف است !) اما وقتی خودتان با تلاش بسیار یک روبات ساده می سازید ، حداقل متوجه می شوید که چه راه درازی تا روبات نابغه‌ای مانند R2D2 در پیش است .

روباتهای آینده :

رؤیاهای آینده از دل دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی امروز بیرون می آید . ژاپنی ها سالهاست روی روباتهای انسان نما – آدمک مصنوعی – کار می کنند آسیمو(Asimo) و P5 از محصولات شرکت هوندا نوید خدمتکارهای روباتیک آینده را می دهند . (‌Aibo) از شرکت سونی طرفداران حیوانات خانگی را ذوق زده کرده است . بحثهای عمیق تر روباتیک ،‌ مانند هوش مصنوعی ، روشهای ارتباط انسان و روبات ، و روباتهای دارای رفتارهای اجتماعی ، سالهاست درمراکز مهم تحقیقاتی دنیا – مانند MIT دنبال می شود .

شکل 1-9- آیبو- سگ روباتی سونی ،‌آسیمو، روبات انسان نمای هوندا

در سالهای اخیر با ظهور تکنولوژیهای جدیدی مانند نانوتکنولوژی (Nanotechnology) ، روباتیک نیز دچار تحولات عمیقی شده است .امروزه به جای ساختن ماشینهای بزرگ و پیچیده محققان در فکر ایجاد انبوهی از ماشینهای ریز و ساده هستند که بتوانند مانند یک پیکر واحد عمل کنند ( آیا انسان نیز از تعدادزیادی سلول ساده ساخته نشده است ؟) از طرف دیگر ، محققان امروزی در پی ساختن روباتهایی هستند که بتوانند از در مواجهه با محیط خود تکامل پیدا کرده و به موجودات یشرفته تری تبدیل شوند.

شکل 1-10- نانو روبات ها

نکتة‌اصلی در این میان نحوة برخورد جامعة‌انسانی با این تحولات است . قدرت بیشتر یعنی مسئولیت بیشتر ( یا قدرت انهدام بیشتر ) شاید همین دغدغه های انسانی و اجتماعی بود که آسیموف را به تدوین چهار قانون اساسی روباتیک واداشت و این قوانین چنین در میان اهل فن محترم شمرده می شوند. هرگز فراموش نکنید که :‌روباتها در نهایت ابزارهایی ( هر چند فوق العاده پیچیده )بیش نیستند ، و مسئولیت استفاده صحیح از این ابزار بر عهدة ما انسانهاست .

فصل دوم :

مقدمه‌ای بر مکانیک

مفاهیم اساسی مکانیک

مکانیک علم مطالعة نیروهای عمل کنند ه در یک ماشین ( یا سیستم ) است نیرو (‌Force) حاصل یک عمل فیزیکی است ، و باعث انجام کار (‌work) می شود وقتی چیزی را هل می‌دهید بر آن نیرو وارد می کنید و همین باعث انجام کار ( جابجایی جسم ) می شود (شکل2-1) وقتی جسمی را حرکت می دهید در واقع در حال اضافه کردن انرژی (‌energy) آن هستید .

شکل 2-1 – نیرو

حرکت نوع حاصی از انرژی است که به آن انرژی جنبشی ((kinetic energy گفته می شود ؛ همین انرژی جنبشی است که حتی در صورت قطع اعمال نیرو باعث ادامة حرکت جسم می شود ( شکل2-2)

اگر نیرویی مخالف حرکت جسم وجود داشته باشد ، آن جسم تاابد به حرکت خود ادامه خواهد داد. اما دردنیای واقعی همیشه اصطکاک( friction) وجود دارد ، که باعث کند شدن حرکت اجسام و در نهایت تقویت آنها می شود .

در مطالعة سیستمهای مکانیک ( که موضوع این فصل است ) با دو نوع کمیت روبرو خواهیم شد که شناخت دقیق آنها ضروری است . اولین نوع از کمیت ها همان عددهایی است که در زندگی روزمره با آنها سروکار داریم : طول یک شیء چقدر است ؟ پختن یک کیک چقدر زمان می برد؟ به این نوع از کمیت ها ، کمیت بدون بعد یااسکالر ( Scalar) گفته می شود. اما کمیت های دیگری نیز وجود دارند که برای توصیف آنها به بیش از یک عدد نیاز داریم : وقتی دربارة حرکت یک جسم صحبت می کنیم ، علاوه بر مقدار حرکت باید جهت آن را نیز مشخص کنیم به این نوع از کمیت ها ، کمیت جهت دار یا بردار(‌vector) می گویند.

شکل 2-2- انرژی جنبشی

انرژی

انرژی توانایی انجام کار است . انرژی ماهیت مادی ندارد ، حتی نور و الکتریسیته نیز خود انرژی نیستند بلکه آنها دارای انرژی هستند . انرژی بر دو نوع است جنبشی ( Kinetic) و پتانسیل (Potential) انرژی جنبشی انرژی جسم در حال حرکت است . که به مقدار جرم و سرعت آن بستگی دارد انرژی پتانسیل چسم به واسطة موقعیت آن نسبت به یک نقطه مرجع است (‌انرژی جسم در ارتفاع، فنر فشرده شده ، و انرژی ذخیره شده در مواد شیمیایی همگی انرژی پتانسیل هستند ) انرژی های جنبشی و پتانسیل می توانند به یکدیگر تبدیل شوند.

قبل از اینکه بتوانیم دربارة انرژی و نحوة محاسبه آن بیشتر صحبت کنیم ، باید با چند کمیت فیزیکی دیگر ، واحدهای اندازه گیری و روشهای نمایش ریاضی آنها آشنا شویم .

واحدهای اندازه گیری

مکانیک یکی از شاخه های فیزیک است ، به همین دلیل با اندازه گیری و واحدهای اندازه گیری سروکار دارد . سیستم جهانی اندازه گیری سیستم متریک SI، است که اکنون در تمام کشورهای دنیا پذیرفته شده است ، اما در این کتاب اغلب از سیستم انگلیسی (یااینچی) استفاده کرده ایم برای آشنایی با رابطة این واحدها و ضرایب تبدیل آنها به پیوست مراجعه کنید .

مکان :

برای اینکه بتوان در مورد یک جسم صحبت کرد ، باید دانست که در چه مکانی قرار دارد . مکان (Position)یک جسم ازطریق انتخاب یک سیستم مختصات (‌که می تواند دو بعدی یا سه بعدی باشد ) بیان می شود . مکان دارای واحد خاصی نیست ، ولی اغلب کمیتهای فیزیکی دیگر دارای رابطة‌مستقیم با مکان (‌یا تغییر مکان ) جسم می باشند.

زمان :t

ثانیه: s

در تمام سیستمهای اندازه گیری رایج، واحد زمان ثانیه (‌secod) است همة ما با مفهوم ثانیه آشنا هستیم ، و بصورت رومزه با آن سروکار داریم ، اما تعریف علمی و استاندارد ثانیه در سیستم SI‌عبارت است از : زمان 770/631/ 192/9 نوسان اتم تحریک شدة سزیوم 133.

طول :I

متر :m

که بنام فاصلة distance نیز شناخته می شود . عبارت است از فاصلة‌دو نقطه در فضا در سیستم SI طول به عنون مسافتی که نور در ثانیه طی می کند تعریف شده است.

جرم :m

کیلوگرم: kg

جرم (mass) تودة ذاتی است که جسم از آن ساخته می شود وقتی جرم در یک میدان جاذبه قرار ‌گیرد، نیرویی به آن وارد می شود که به آن وزن (weigth)می گویند توجه داشته باشید که جرم ذاتی جسم است و درهیچ حالی صفر نمی شود، در حالیکه وزن تأثیر میدان جاذبه بر جسم است و می تواند در شرایط خاصی صفر شود . واحد استاندارد جرم در سیستم SI استوانه‌ای به جرم یک کیلوگرم از جنس پلاتین – ایریدیوم است . که در فرانسه نگهداری می شود ، و همة نمونه های استاندارد جرم از روی آن کپی می شوند. متوجه شده‌اید که جرم بر خلاف سایر کمیت های فیزیکی دیگر به کمک پدیه های عمومی فیزیکی ( که در تمام جهان قابل سنجش هستند ) سنجیده نمی شود؛ مدتهاست دانشمندان به دنبال راهی برای تعریف واحد جرم بصورت کمیتی قابل اندازه گیری در تمام جهان هستند ، ولی هنوز به نتیجة‌دلخواه نرسیده اند .

هر جسم دارای ابعاد فیزیکی در تمام جهات فضا است ، که جرم آن بطور یکنواخت یا غیر یکنواخت در این محدوده پخش شده است اما برای هر جسم نقطه‌ای وجود دارد که به نظر می رسد جرم آن بصورت یکنواخت در اطراف نقطة توزیع شده است به این نقطه مرکز جرم ((center of mass جسم گفته می شود . مرکز جرم یک جسم می تواند ( بسته به شکل جسم ) داخل جسم یا خارج آن قرار داشته باشد . مرکز جرم نقطه‌ای است که به نظر می رسد تمام جرم جسم در این نقطه متمرکز شده است .

سرعت: V

متر بر ثانیه :

سرعت Velocity یکی از واحدهای فرعی است که از واحدهای اصلی مشتق می شود واحدهای فرعی کمیت جدیدی را تعریف نمی کنند، بلکه رابطه بین کمیت های اصلی را نمایش می دهد سرعت عبارتست از مقدار تغییر مکان در واحد زمان ، برای مثال سرعت ، 3m/s یعنی جسم در هر ثانیه 3 متر جابجا می شود وقتی یک جسم در حال حرکت است به حرکت خود ادامه خواهد داد مگر اینکه نیروی دیگری بر آن وارد شود این قانون اول حرکت نیوتن است ، که به صورت کلی زیر بیان می شود:

وضعیت یک جسم ساکن یا در حال حرکت یکنواخت تغییر نمی کند، مگر اینکه نیرویی خارجی به آن اعمال شود .

سرعت از کمیتهای برداری است یعنی علاوه بر مقدار دارای جهت نیز هست اگر جسم بتواند فقط در یک بعد ( روی یک خط راست ) حرکت کند ، حرکت آن دو جهت بیشتر نخواهد داشت . شکل 2-3 را ببینید به خطی که جسم می تواند در امتداد آن حرکت کند محور (axis)‌می گویند ، که این محور معمولاً‌محور X‌نامیده می شود .

شکل 2-3- حرکت از روی خط راست ؛ حرکت یک بعدی

از آنجائیکه در حرکت روی خط راست ، جسم فقط روی محور X می تواند حرکت کند ، سرعت آن بصورت زیر محاسبه خواهد شد .

که در آن (‌حروف یونانی دلتا )‌نشان دهندة مقدار تغییرات است .

اگر جسم بتواند در دو بعد ( یک صفحه ) حرکت کند ، حرکت آن دارای جهت های بیشمار خواهد بود ( شکل 2-4) را ببینید ) در اینجا دو محور به نامهای x,y وجود دارد که جسم می توند د رامتداد آنها حرکت کند مکان (‌یا مختصات ) هر نقطه در صفحه بصورت زوج ( x,y) نمایش داده می شود . که x‌و y به ترتیب فاصلة‌آن نقطه از مبدأ مختصات (‌محل تقاطع محورها ) روی محورهای Y,X هستند و.

وقتی یک جسم در صفحه از نقطه‌ای به نقطه دیگر می رود جابجایی آن روی هر دو محور اتفاق خواهد افتاد شکل (2-5)

میزان جابجایی یک نقطه در صفحه ‌بر حسب جابجایی آن روی محورها ، از فرمول زیر محاسبه می‌شود

و سپس سرعت جسم مانند قبل بدست می آید:

شکل 2-4- فضای دو بعدی – صفحه

شکل 2-5- حرکت در صفحه : حرکت دو بعدی

اجسام می توانند درسه بعد (‌فضا) نیز حرکت کند ، که در این حالت هم حرکت آنها دارای جهت های بیشمار خواهد بود .شکل 2-6 را ببینید برای مشخص کردن حرکت در فضای سه بعدی به سه محور بنامهای z , y, x نیاز داریم و مختصات هر نقطه در فضا به صورت سه گانة x,y,z)) نمایش داده می شود که z,y,x به ترتیب فاصلة آن نقطه از مبدأ مختصات روی محورهای Z,Y,X هستند .

میزان جابجایی یک نقطه در فشا بر حسب جابجایی آن روی محورها ، از فرمول زیر بدست می‌آید:

و سرعت آن نیز مانند قبل محاسبه می شود :

شکل 2-6 – فضای دو بعدی – صفحه

شتاب: a

متر بر مجذور ثانیه :m/s²

شتاب ( acceleration) نیز یکی از واحدهای فرعی است شتاب عبارتست از مقدار تغییر سرعت در واحد زمان . برای مثال 3m/s² یعنی سرعت جسم در هر ثانیه 3 متر بر ثانیه افزایش می یابد . شتاب نیز کمیتی برداری است ، که علاوه بر مقدار دارای جهت نیز هست .

نیروی جاذبه در واقع نوعی شتاب است ، چون میدان جاذبه باعث می شود تا سرعت سقوط اجسام لحظه به لحظه بیشتر شود .شتاب جاذبة زمین m/s² 80665/9 است ( که معمولاً در محاسبات m/s² 8/9 در نظر گرفته می شود )‌وقتی یک جسم از حالت سکون شروع به سقوط می کند سرعت آن بعد از یک ثانیه به m/s² 8/9 می رسد .

و بعد از چهار ثانیه سرعت آن به مقدار قابل توجه 39.2m/s خواهد رسید ( و این یعنی متجاوز از 140 کیلومتر بر ساعت )

اما مسافتی که جسم در حال سقوط آزاد بر حسب زمان طی می کند ، از فرمول زیر بدست می‌آید:

جسمی که از حالت سکون سقوط آزاد می کند ، بعد از یک ثانیه مسافتی معادل 4.9m طی خواهد کرد:

و این جسم بعد از چهار ثانیه ( در حالیکه به سرعت 140 کیلومتر بر ساعت رسیده )‌مسافتی معادل 156.8m را طی کرده است .

نیرو :F

نیوتن m/s²× N=kg

نیرو (‌Force) بصورت جرم ضرب در شتاب a×F=m ، تعریف می شود واحد نیرو در سیستم SI به افتخار آیزاک نیوتن دانشمند انگلیسی که قوانین سه گانة وی در حرکت اساس فیزیک کلاسیک را تشکیل می دهند نیوتن Newton نامگذاری شده و با N‌نمایش داده می شود قانون اول نیوتن را در قسمتهای قبل دیدید ، قانون دوم حرکت نیوتن ،که رابطة نیرو و حرکت را توصیف می کند،؛ بصورت زیر بیان می شود :

تغییر حرکت ( شتاب ) در راستای اعمال نیرو صورت می گیرد، و مقدار آن با جرم جسم و نیروی وارد شده متناسب است .

قانون سوم حرکت نیوتن نیز ، که دربارة‌عمل و عکس العمل است بصورت زیر بیان شده است :

برای هر عمل یک عکس العمل وجود دارد ، مساوی و در جهت مخالف آن

اگر به جسمی به جرم یک کیلوگرم بطور پیوسته نیرویی معادل یک نیوتن وارد‌آید ، با شتاب ثابت و یکنواخت 1.0m/s² به حرکت در خواهد آمد :

اندازة حرکت:

کیلوگرم متر بر ثانیه :m/s×kg

اندازة حرکت (momentum): شباهت زیادی با نیرو دارد و بصورت جرم ضرب در سرعت v×p=m ، تعریف می شود .

انرژی :E

ژول m²/s² ×j=kg

در ابتدای همین فصل دیدید که انرژی energy‌ را بصورت نیرو ضرب در مسافت d×E=F ، تعریف کردیم . از همین جا می توان واحد اندازه گیری انرژی را به سادگی به دست آورد .

واحد انرژی در سیستم SI به افتخار دانشمند فرانسوی ژول ( Joule) نامگذاری شده و بصورت نیوتن متر (Nm) نیز بیان می شود .

انرژی جنبشی :KE

گفتیم که انرژی بر دو نوع است : جنبشی و پتانسیل

انرژی جنبشی kinetic energy انرژی جسم در حال حرکت است که به جرم و سرعت آن بستگی دارد . برای محاسبة‌انرژی جنبشی یک جسم از فرمول زیر استفاده می شود :

همانطور که می بینید ، انرژی جنبشی با مجذور سرعت متناسب است این بدان معناست که با دو برابر شدن سرعت جسم انرژی جنبشی آن چهار برابر خواهد شد. به همین دلیل است اجسام پرسرعت حتی اگر جرم کمی داشته باشد ( مانند گلولة تفنگ) بسیار خطرناک هستند.

انرژی پتانسیل :PE

انرژی پتانسیل Potential energy اانرژی نهفته در جسم به واسطة موقعیت آن نسبت به یک نقطة مرجع است وقتی یک جسم از سطح زمین بالا برده می شود ، انرژی پتانسیل در آن ذخیره می شود . این انرژی پتانسیل بصورت زیر محاسبه می شود :

RE=mgh

انرژی فنر فشرده شده ، و انرژی ذخیره شده در مواد شیمیایی از انواع دیگر انرژی پتانسیل هستند انرژی های جنبشی و پتانسیل می توانند به سادگی یکدیگر تبدیل شوند

ماشینهای ساده

بعد از شناخت مفهوم اساسی مکانیک ، یعنی نیرو، باید سراغ وسیلة اعمال نیرو برویم ، ساده ترین مکانیزم اعمال نیر ماشین ساده ( simple machine) نام دارد . یک ماشین ساده با تغییر در فاکتورهای مکانیکی ، انجام کارهای دشوار ( و گاه غیر ممکن – مانند بلند کردن یک اتومبیل با نیروی بازو ) را تسهیل می کند. اهمیت ماشینهای ساده در آن است که پیچیده ترین ماشینها(‌حتی روبات ها ) نیز از ماشینهیا ساده تشکیل می شوند . انواع مختلفی از ماشینهای ساده و جود دارد که در این بخش به آنها آشنا خواهید شد .

قدرت ساختاری :

مهندسان مکانیک ساعتها و روزهای متمادی صرف می کنند تا سازه های خود را بیشترین قدرت و استحکام ساختاری طراحی کرده و بسازند. ما در اینجا همة این تلاشها را در یک جمله‌برای شما خلاصه می کنیم : مثلث منبع قدرت و استحکام است .

اجازه دهید این موضوع را کمی بیشتر بشکافیم ، و نشان دهیم که مثلث چگونه به استحکام سازه کمک می کند .

مثلث و مربع

هر سازه مکانیکی دارای قدرت و استحکام حاصی است که از شکل سازه و نحوة اعمال نیروها به آن ناشی می شود حتی یک سازة‌کاغذی اگر نیروها از جهت مناسب به آن وارد شوند ، می تواند استحکام زیادی از خود نمایش دهد برای درک بهتر این موضوع دو سازة‌مربعی و مثلثی شکل 2-7 را ببینید .

شکل 2-7- قدرت سازه ها

در هر دو سازه میله ها به وسیله لولا به هم متصل شده اند ، و اتصالات بطور کامل قابلیت حرکت دارند اگر درست در وسط ضلع بالایی مربع یک فشار عمودی وارد کنید ، این شاخه نیروی وارده را به دو ضلع عمودی منتقل کرده و نیرو از آنجا به ضلع پایینی وارد می شود. از آنجائیکه میله ها در مقابل نیروی فشاری (Comperssion) مقاوم هستند ، سازة‌مربعی بخوبی فشار را تحمل می کند. اما اگر محل وارد کردن نیرو از نقطة‌وسط به سمت یکی از اضلاع عمودی جابجا شود (‌یا جهت آن کاملاً عمود نباشد ) ، نیرو به لولاها منتقل شده و سازة مربعی فرو می ریزد . پیداست که سازة مربعی در مقابل نیروهای جانبی پایداری ندارد.

اما در سازة مثلثی هر نیرویی از طریق اضلاع کناری به قاعدة مثلث منتقل شده و این ضلع را تحت کشش قرار می دهد از آنجائیکه میله ها در مقابل نیروی کششی ( Tersion) بسیار مقاوم هستند سازه مثلثی هر نوع نیرویی را به بخوبی تحمل خواهد کرد بخوبی دیده یم شود که سازة‌مثلثی پایداری بسیار بالایی دارد و در هیچ حالتی فرو نخواهد ریخت (‌البته تا زمانی که محور لولاها در مقابل نیرو مقاومت کنند و خرد نشوند )

برای نمونه وقتی دو تسمة فلزی را با پرچ به هم متصل می کنید ، مقاومت سازه در اثر ایجاد مثلثهای مخفی است که در آن پایدار خواهند شد . مقاومت سازه های ساختمانی که در آنها ازبادبند استفاده شده نیز در اثر وجود همین مثلثهای مخفی است شکل 2-8 را ببینید .

شکل 2-8- مثلثهای مخفی در سازه های مقاوم

یکی دیگر از سازه های مقاوم دایره است ، که نمونة‌آنرا در گنبدها ، قوسها و تخم مرغ دیده‌اید .نوع دیگری از نیرو که در اینجا فقط به آن اشاره میکنیم ، نیروی برشی (shear) است مانند نیرویی که قیچی به کاغذ وارد می کند تمامی انواع نیروها – فشاری ،‌کششی ، برشی – به جسم تنش ( Stress) وارد می کنند .

اهرم

ماشین سادة دیگری که مزیت مکانیکی ایجاد میکند، اهرم ( lever) است اهرم دارای سه بخش عمده است و بازوی محرک، بازوی مقاوم ، و تکیه گاه . در شکل 2-12 ساده ترین نوع اهرم ( که به اهرم نوع اول معروف است ) را مشاهده می کنید در این نوع اهرم تکیه گاه بین نیروی محرک و نیروی مقاوم قرار دارد .

شکل 2-12- اهرم نوع اول

با وجود پیچیدگی بیشتر ، محاسبات ریاضی اهرم از سطح شیبدار ساده تر است . بازوی محرک (d_E) فاصلة بین تکیه گاه تا نقطة‌اعمال نیروی محرک (E) ، و بازوی مقاوم (d_R) فاصلة‌بین تکیه گاه تا نقطة‌اثر نیروی مقاوم (R) است . اگر d_E بزرگتر از d_R باشد ؛ مزیت مکانیکی اهرم از یک بزرگتر است ؛ بعبارت دیگر ، مزیت مکانیکی اهرم بصورت زیر محاسبه می شود :

در شکل 2-13 یک اهرم نوع دوم را می بینید . در این نوع اهرم نیروی مقاوم بین نیروی محرک و تکیه گاه قرار دارد در این نوع اهرم مزیت مکانیکی همیشه بیشتر از یک است .

شکل 2-13- اهرم نوع دوم

شکل 2-14 یک اهرم نوع سوم را نشان می دهد . در این نوع اهرم نیروی محرک بین نیروی مقاوم و تکیه گاه قرار دارد . در این نوع اهرم مزیت مکانیکی همیشه کمتر از یک است . ساعت انسان یک اهرم نوع سوم است ، که در آن آرنج تکیه گاه ، مچ دست محل نیروی مقاوم و عضلة‌ساعد محل اهمال نیروی محرک است .

شکل 2-14- اهرم نوع سوم

چرخ و گشتاور

چرخ (Wheel) یکی از بزرگترین اختراعات بشر است . چرخ یک ماشین ساده است که برای غلبه بر اصطکاک بکار می رود . در شکل 2-15 یک چرخ و نیروهای وارد بر آن را مشاهده می کنید . نیرویی که به محور چرخ وارد شده ،‌در محل اتصال چرخ و زمین به زمین اعمال می شود فاصلة‌بین محور چرخ و محل اعمال نیروی چرخ به زمین ، شعاع چرخ(r) نامیده می شود.

شکل 2-15- چرخ

به خطی که از مرکز چرخ به محل اتصال چرخ با زمین کشیده شده ، دقت کنید ؛ این خط شباهت زیادی به یک اهرم نوع اول یا دوم دارد . اما جالب است که تکیه گاه و نقطة‌اعمال نیروی محرک روی هم منطبق هستند . با اینکه طول بازوی محرک این ماشین صفر است ، اما چرخ همچنان می چرخد . اگر نیروی محرک به محیط چرخ اعمال شود ، بازوی مقاوم صفر خواهد شد . (‌چون تکیه گاه و محل اثر نیروی مقاوم یکی می شوند ) وقتی یکی از عوامل مؤثر در حل معادلة اهرم صفر شود ، حل آن غیر ممکن خواهد شد . پس چطور باید معادلة چرخ را حل کرد؟ برای حل این مشکل نیروی جدیدی بنام گشتاور را معرفی می‌کنیم . گشتاور (torque) نیروی چرخی است که حول یک نقطه می چرخد، و با حرف یونانی نمایش داده می شود. گشتاور بصورت نیرو ( F) ضرب در طول بازوی اعمال نیرو (d) تعریف می شود:

همانطور که از فرمول بالا می توان دید ، واحد اندازه گیری گشتاور نیوتن متر ( ) است .

قرقره

قرقره(Pulley) یک ماشین ساده است که از چرخ برای تغییر دادن جهت نیرو و ایجاد مزیت مکانیکی استفاده می کند . قرقرة ساده ( که آنرا در شکل 2-16 می بینید ) دارای مزیت مکانیکی یک است ، چون مقدار جابجایی جسم (‌نیروی مقاوم ) به همان اندازه مقدار جابجایی در سمت نیروی کشنده (‌نیروی محرک )‌است .

شکل 2-16- قرقرة‌ساده

علت استفاده از قرقرة ساده تغییر دادن جهت نیرو است چون معمولاً اعمال نیرو به سمت پایین (‌کشیدن ) ساده تر از اعمال نرو به سمت بالا ( هل دادن ) است

برای اینکه قرقره دارای مزیت مکانیکی بزرگتر از یک شود ، باید میزان جابجایی نیروی محرک را بیشتر از نیروی مقاوم کنیم . برای این منظور می توان از قرقره متحرک استفاده کرد ( شکل 2-17) در قرقرة متحرک بجای ثابت بودن خود قرقره ، یکی از طنابها ثابت است ونیروی مقاوم مستقیماً به قرقره متصل می شود. در این حالت قرقره شبیه اهرم نوع دوم ( نیروی مقاوم بین تکیه گاه و نیروی محرک ) عمل می کند که مزیت مکانیکی آن همیه از یک بیشتر است . درقرقرة متحرک برای جابجا کردن جسم به میزان یک متر بایستی طناب دو متر کشیده شود ( یعنی مزیت مکانیکی آن 2 است )

شکل 2-17- قرقرة‌متحرک

با ترکیب قرقره های ثابت و متحرک می توان به مزیتهای مکانیکی بیشتر از 2 نیز دست یافت . در شکل 2-18 یک قرقرة مرکب با مزیت مکانیکی 3 نشان داده شده است .

چرخ دنده و زنجیر

چرخ دنده ( gear) چرخی است که با محیط دندانه دار که باعث می شود هنگام درگیری با چرخ دنده های دیگر نلغزد . چرخ دنده معمولاً با چرخ دنده های دیگر یا میلة دندانه دار ،درگیر می شود (شکل 2-19) چرخ دنده ها برای انتقال نیرو یا گشتاور از یک محور به محور دیگر بکار می روند .

شکل 2-18- قرقرة‌ مرکب

شکل 2-19- چرخ دنده و زنجیر

در این حالت سیستم چرخ دنده ها بصورت یک اهرم دوار عمل می کند. که مزیت مکانیکی آن از تقسیم شعاع چرخ دنده ها بدست می آید.

در عمل بجای استفاده از شعاع چرخ دنده ، در محاسبة مزیت مکانیکی یک سیستم چرخ دنده از تعداد دنده ها استفاده می شود . چون بسادگی می توان نشان داد که تعداد چرخ دنده های یک چرخ دنده با شعاع آن متناسب است .

بدین ترتیب:

که در آن B,A تعداد دنده های دو چرخ دنده هستند .‌گاهی ( بویژه در زمانی که با میلة دندانه دار سروکارداریم ) بجای تعداد دنده ها از محیط چرخ دنده ها نیز استفاده می شود :

یکی از کاربردهای مهم چرخ دنده ها تغییر دادن سرعت چرخش است . که این کار معمولاً‌توسط دو (‌یا چند ) چرخ دندة هم محور که تعداد دنده های متفاوتی دارند ، صورت می گیرد.

برای انتقال نیرو بین دو چرخ دنده که تماس فیزیکی ندارند از زنجیر (Sprocket) استفاده می شود زنجیر می تواند دندانه دار باشد ( زنجیر دو چرخه ) یا برای انتقال نیرو اصطکاک استفاده کند ( تسمه پروانه ).

مفصلهای پیچیده

با اینکه مفصلهای چرخشی ، خمشی و لغزشی کارایی و کاربردهای زیادی دارند ، اما گاهی نوع حرکت بگونه‌ای است که باید از مفصلهای پیچیده تر برای اتصال قطعات متحرک به یکدیگر استفاده کرد در این قسمت چند مفصل پیچیده را معرفی میکنیم .

توپی :

توپی (ball and socket) یکی از مهمترین مفصلهای مرکب است . در مفصلهای ساده مانند چرخشی و خمشی ، دو قطعة مفصل نسبت به یکدیگر دارای یک حرکت ثابت و ساده هستند ، اصطلاحاً گفته می شود که این مفصلها دارای یک درجة‌آزادی هستند . توپی تشکیل می شود از یک کرة صیقلی فولادی ( بخش متحرک مفصل ) که در یک حفره با همان ابعاد ( بخش ثابت مفصل ) قرار گرفته است ، و هر بازوی مفصل به یکی از این دو قطعه متصل می شود ( شکل 2-25) توپی حرکت در چند بعد را فراهم می آورد . و دارای دو درجة‌آزادی است .مفصل شانه و لگن حاضر نمونه هایی از توپی در انسان است .

شکل 2-25- انواع مفصلهای توپی

مشکل مهم توپی آن ست که اصطکاک در این مفصل بالا است چون ( برای جلوگیری از جدا شدن قطعات مفصل (‌کره و محفظه نگهدارندة آن باید کاملاً با یکدیگر بچسبند )

مفصل یونیور سال

یکی دیگر از مفصلهای مرکب – که د رواقع از ترکیب دو مفصل چرخشی ساده تشکیل شده – مفصل یونیورسال (‌universal) است ( شکل 2-26)

قطعة اصلی در مفصل یونیورسال محور صلیبی شکل آن است ، که هر بازوی این صلیب به یکی از مفصلهای چرخشی متصل شده و امکان حرکت در جهات مختلف را فراهم می آورد . مفصل یونیورسال نیز دارای دو درجة‌آزای است یکی از معروفترین کاربردهای مفصل یونیورسال در انتقال حرکت از جعبه دندة اتومبیل به دیفرانسیل است که به افتخار ریاضیدان ایتالیایی جرونیمو کاردانو – کاردان (Cardan) نامیده شده است .

شکل 2-26- مفصل یونیورسال

مشکل اصلی مفصل یونیورسال ارتعاش آن در سرعتهای بالا ست اگر دو قطعة مفصل یونیورسال در یک امتداد باشند ؛ مشکلی پیش نمی آید .اما از انجائیکه مفصل یونیورسال اساساً برای انتقال حرکت در دو صفحة مختلف بکار می رود ، چنین موقعیتی کمتر پیش می آید در این حالت مفصل منحنی های پیچیده‌ای در فضا رسم میکند. که در سرعتهای بالا باعث ارتعاش آن خواهد شد . برای حذف ارتعاش در سرعتهای بالا نوع ویژه‌ای از مفصل یونیورسال طراحی شده است که به مفصل سرعت ثابت Constant velocity) معروف است

مفصل فنری

یکی از مفصلهای خاصی که می تواند حرکات پیچیده‌ای در فضا تولید کند ( و دارای درجات آزادی متفاوت باشد )‌مفصل فنری ( Spring) است مفصل فنری ساختمان نسبتاً ساده‌ای دارد که در آن دو بازوی مفصل توسط یک فنر به یکدیگر متصل شده اند .(شکل2-27)

شکل 2-27- مفصل فنری

تغییر شکل حرکت

اغلب منابع تولید قدرت مکانیکی ( مانند موتورها ) حرکت دورانی تولید می کنند ولی بسیاری پیش می آید که به انواع دیگری از حرکت نیاز داریم که باید آنرا از طریق مکانیزمهای خاص تویلد کنیم در این بخش می خواهیم دربارة مکانیزمهای تغییر دهندة شکل حرکت صحبت کنیم .

شکل 2-48- ضامن باعث جلوگیری از حرکت معکوس می شود

مکانیزمهای با یک نقطه اتصال

مکانیزمهای با یک نقطة‌اتصال ماشینهای ساده‌ای هستند که بسادگی جهت حرکت را عوض می کنند مثلا، اهرم می‌تواند حرکت رو به پایین را در جهت مقابل به حرکت رو به بالا تبدیل کند و بالعکس

بررسی روبـات مسیر یاب ربوحشرهمخلوق ترسناک دکتر فرانکشتین و گولومتصویری تخیلی از روبات نمایشنامه روباتهای جهانی روسام

بررسی روان کاری هیدرواستاتیکی

در روان کاری هیدرودینامیکی ، سطح یاتاقان کاملاً توسط یک فیلم سیال از یکدیگر جدا می شوند با استفاده از عمل لغزندگی جدایی فیلم به دست آمد تا با مکانیزم تولید فشار گوه فیزیکی ، فشار داخل یاتاقان توسعه یابد چنین یاتاقانهایی علاوه بر داشتتن نیروی بازدارنده از حرکت، اصطکاکی پایین و نیز افت قدرت پایین ،از امتیاز بسیار خوب ساده بودن ،برخوردارندلذا قابل اع

دسته بندی	مکانیک
فرمت فایل	doc
حجم فایل	1058 کیلو بایت
تعداد صفحات فایل	31

دریافت فایل

فروشنده فایل

کد کاربری 8044

تمام فایل ها

روان کاری هیدرواستاتیکی

1-2 مقدمه

در روان کاری هیدرودینامیکی ، سطح یاتاقان کاملاً توسط یک فیلم سیال از یکدیگر جدا می شوند. با استفاده از عمل لغزندگی جدایی فیلم به دست آمد تا با مکانیزم تولید فشار گوه فیزیکی ، فشار داخل یاتاقان توسعه یابد. چنین یاتاقانهایی علاوه بر داشتتن نیروی بازدارنده از حرکت، اصطکاکی پایین و نیز افت قدرت پایین ،از امتیاز بسیار خوب ساده بودن ،برخوردارند.لذا قابل اعتماد و ارزان بوده و نگهداری آنها راحت است ،یاتاقانهای کشویی روان کاری شونده به صورت هیدرودینامیکی خود عمل کننده هستند ،اگر چه که از معایب مهم و به خصوص زیر ، برخوردارند:

1-اگر سرعت طراحی پایین باشد ،ممکن است تولید فشار هیدرودینامیکی لازم ، مکان پذیر نباشد.

2- روان کاری فیلم سیال ممکن است در زمان شروع ،تغییر جهت داده و یا قطع شود

3- در یاتاقان ژورنال در نظر گرفته شده در فصلهای گذشته ، محور به طور هم مرکزی کار کرده و موقعیت یاتاقان با بار تغییر می کند؛ بنابر این دلالت بر شقی پایین دارد.

در یاتاقانهای روان کاری شونده هیدرواستاتیکی (همچنین «تحت فشار از خارج» نامیده می شود) ، سطوح یاتاقان توسط یک فیلم سیال نگه داشته شده توسط یک منبع فشار در خارج این یاتاقان جدا می شوند . یاتاقانهای هیدرواستاتیکی معایب 1 و 2 را نداشته و تغییرات موقعیت یاتاقان با بار ذکر شده در معایب 3 را تقلیل می دهند . مشخصه های یاتاقانهای روان کاری شونده به صورت هیدرواستاتیکی عبارتند از :

1- اصطکاک خیلی خیلی پایین .

2- ظرفیت حمل بار بسیار بالا در سرعتهای پایین.

3- دقت جایگذاری خیلی بالا در سرعت بالا و کاربرد بار سبک.

بنابر این یاتاقانهای روان کاری شونده هیدرواستاتیکی زمانی مورد استفاده قرار می گیرند ، که نیاز مبرمی به آنها باشد؛ مثل تلسکوپهای بزرگ و واحدهای جستجو کننده رادار ، که در آنها بار های خیلی خیلی سنگین و سرعتهای خیلی خیلی پایین استفاده می شوند ، یا در ماشین ابزارها و ژیروسکوپها ،که در آنها سرعتهای خیلی بالا ، بارهای سبک و روان کننده های گازی استفاده می شوند .

2-2 تشکیل فیلم سیال

در یک سیستم یاتاقان ساده بدون فشار قسمت چرخنده که تحت تأثیر بار است، روی کفشک یاتاقان قرار داده می شود . ضمن افزایش فشار منبع فشار در تورفتگی کفشک نیز افزایش می یابد . فشار قسمت تورفتگی تا نقطه ای افزایش می یابد که فشار روی قسمت چرخنده بر روی مساحتی برابر با مساحت تورفتگی کفشک به اندازه کافی برای بلند کردن بار باشد . این ، به طو ر متداول (بالابری فشار ) p₁ نامیده می شود . درست بعد از این که قسمت چرخنده از کفشک یاتاقان جدا می شود ، فشار تورفتگی کمتر از مقدار لازم برای بلند کردن چرخنده یاتاقان است (p_rl) . پس از بلند شدن ، جریان به داخل سیستم وارد می شود . بنابر این یک افت فشار بین منبع فشار و یاتاقان و از (در عرض محدودکننده ) تورفتگی تا خروجی یاتاقان وجود دارد . اگر بار بیشتری به یاتاقان اضافه شود ، ضخامت فیلم کاهش یافته و فشار تورفتگی بالا خواهد رفت تا فشار انتگرال گرفته شده در عرض زمین با بار برابر شود . اگر بار سپس به کمتر از مقدار اولیه تقلیل یابد ضخامت فیلم تا مقدار بالاتری افزایش خواهد یافت و فشار تورفتگی مطابق با آن کاهش می یابد . بار بیشینه که می تواند توسط کفشک حمایت شود ، از لحاظ تئوری ، وقتی که فشار تورفتگی برابر با فشار منبع است ، به دست خواهد آمد اگر باری بزرگتر از این به کار گرفته شود ، یاتاقان خواهد نشست ، و همان طور نشسته باقی می ماند تا بار تقلیل یابد و دوباره توسط فشار منبع حمایت می شود.

شکل 1-2 تشکیل فیلم سیال در یاتاقان هیدرواستاتیک.(الف)پمپ خاموش

(ب)فشار در حال افزایش،(ج)فشار ضرب در مساحت تو رفتگی برابر با

بار عمودی اعمال شده،(د)یاتاقان در حال عمل،(ه) بار افزوده شده،(و)بار

کاهش داده شده

3-2 بررسی جریان روغن از میان دو صفحه موازی

	v

Y

y

V

F3

f3

h f2 f1

f4

x

فرضها: شکل 2-2

1- سیال نیوتنی و غیر قابل تراکم است.

2- جریان آرام و یکنواخت است .

3- نیروهای اینرسی ناچیز و نیروهای جسمی نیز کوچک هستند و در مقایسه با نیروهای فشار

4- فرض شود هیچ لغزشی بین روان کار و سطوح مرزی وجود ندارد.

5- ویسکوزیته ثابت است.

6- جریان فقط در امتداد محور x است و نتیجتاً فشار p فقط تابع x و T تابع y است.

اگر عرض المان در امتداد b,z فرض گردد داریم:

(1-2)

(2-2)

(3-2)

برای سیال نیوتنی داریم:

(4-2)

شرایط مرزی :

1- با فرض اینکه هیچ لغزشی بین روان کار و سطوح مرزی وجود نداشته باشد داریم:

@ ,

@ ,

جا گذاری در معادله بالا :

(5-2)

هنگامی که فشار حداکثر است:

و

اگر Q حجم روان کار که در جهت x جریان دارد ، تعریف شود ، با استفاده از پهنای b در

جهت z ، حجم روان کار را می توان به دست آورد:

(6-2)

اگر در شعاع r ، المانی با عرض dr و به طول 2πr در نظر بگیریم ، از فرمولی که قبلاً برای محاسبه حجم روان کار بین دو صفحه موازی به دست آمده استفاده کنیم، به جای dx مقدار dr و به جای b ، 2πr را قرار دهیم و برای فیلم روان

شکل3-2-یاتاقان هیدرواستاتیکی

کار مقدار ثابت h ₀ در نظر بگیریم و سرعت سطح متحرک را صفر در نظر بگیریم ، (v=0) داریم:

(7-2)

و برای مقدار ثابت Q داریم:

(8-2)

شرایط مرزی:

در سطح حوضچه تا سطح R₀ فشار برابر فشار ورودی P₀ فرض گردد.

(9-2) (10-2)

2-3-2 محاسبه ظرفیت تحمل بار:

(11-2)

بهینه سازی قطر حوضچه: 4-3-2

(12-2) 2) (13-

(E_1P) توان لازم برای پمپ کردن روان کار (قدرت پمپ) : 5-3-2

(14-2)

اگر رابطه توان پمپ را برای h₀ ،w ،A ، معین بررسی کنیم می توان حداقل قدرت پمپ را نسبت به قطر حوضچه به دست آوریم. دیده می شود که قدرت پمپ وقتی حداقل است که ضریب k_pq حداقل باشد . اگر برای مقادیر مختلف تغییرات ضریب k_pq را بررسی کنیم ، می توانیم نسبت حدی جهت حداقل کردن قدرت پمپ را مشخص کنیم .

شکل 4-2

وقتی نسبت برابر 0/5 است ، مقدار k_pq حداقل می باشد . برای حالت هندسی خاص مزبور، قدرت پمپ حداقل است .

6-3-2بهینه سازی ضخامت فیلم :

نیروی اصطکاکی متعلق به المان سطح 2πrdr

(15-2)

u=rw

گشتاوردر اصطکاکی کل ، عمدتاً به ناحیه خارج از سطح حوضچه می شود:

(h=h₀)

(16-2)

4-3-2قدرت اصطکاکی : E _1f

(17-2)

کل توان لازم : با جمع کردن توان پمپ و توان اصطکاکی داریم:

(18-2)

اگر مشتق E _1t را نسبت به h₀ برابر صفر قرار دهیم h₀=0/004167 in ، به دست می آید. لازم به ذکر است که عملاً ضخامت فیلم در حدود 0/006 in نگه داشته می شود . در این صورت ازدیاد دما در فیلم کمتر است.

5-3-2 ازدیاد دمای روغن

برای تخمین بالا رفتن دمای روغن فرض میکنیم کل توان اصطکاکی به گرما تبدیل می شود:

(19-2)

6-2 تنظیم کننده های جریان

در یک سیستم روانکاری اکثراً چندین یاتاقان از یک پمپ تغذیه می کنند . همچنین حوضچه های متعدد روغن اکثراً از یک پمپ تغذیه می کنند ، زیرا استفاده از پمپ مستقل برای هر یاتاقان و یا هر حوضچه مستلزم هزینه زیادی می باشد . البته در این صورت لازم است نسبت به توزیع روغن تدابیر فنی لازم به عمل آید تا به هر قسمت به اندازه کافی روغن برسد . برای این منظور محدود کننده جریان در انشعابات فرعی نصب می شود که ساده ترین نوع آنها شامل عبور و یا پاشش از سوراخ و یا از یک لوله کم قطر ظریف (کاپیلاری) می باشد . در این دو نوع محدود کننده افت فشار با مقداردبی متناسب است . وقتی بار یاتاقان افزایش پیدا کند ضخامت فیلم کاهش می یابد و در نتیجه مقدار دبی پایین می آید و این افت فشار کمتری را در تنظیم کننده به دنبال خواهد داشت . در نتیجه فشار فیلم در یاتاقان بالا خواهد رفت (فشار انشعاب اصلی p _s یعنی فشار ورودی تنظیم کننده ثابت می باشد ) این عمل نقش یک تنظیم کننده را در جبران فشار نشان می دهد. هر گاه به فرض جریان روغن در یاتاقان متوقف باشد ، فشار فیلم با فشار p _s برابر خواهد بود ، زیرا که در تنظیم کننده افت فشار نداریم . پس در این حالت فرضی هم فشار روغن در حوضچه وضع خوبی خواهد داشت .برای سیستم نشان داده شده در شکل (4-2) یک پمپ برای چندین یاتاقان فعالیت می کند . شیر اطمینان B فشار ثابت p_s تأمین می کند . وقتی فشار پمپ بیش از اندازه بالا باشد ، بدیهی است که مقدازی از روغن خروجی پمپ به منبع برمی گردد که با Q_R نشان داده شده است . در بیشتر اوقات Q_R صفر است . همان طور که قبلاً گفته شد محدود کننده های جریان برای توزیع سهم هر یاتاقان به کار می رود و اگر فقط یک یاتاقان داشته باشیم دیگر این وسیله لازم نخواهد بود . در این حالت معمولاً از شیر کنترل جریان استفاده می شود . یکی از امتیازات محدودکننده جریان از نوع سوراخ و یا کاپیلاری است که ذرات معلق روغن آزادانه از آن عبور می کنند و گرفتگی پیش نمی آید ، در صورتی که در مورد شیر کنترل جریان وضع چنین نیست . این وسیله به ذرات معلق روغن حساسیت داشته و در صورت استفاده از آن وجود یک فیلتر مناسب ضروری است .

شکل 4-2-سیستم یاتاقان هیدرواستاتیکی با خوضچه متعدد روغن

شکل 5-2-محدود کننده جریان از نوع کاپیلاری قابل تنظیم

یک نوع محدود کننده کاپیلاری قابل تنظیم در شکل (5-2) ملاحظه می شود . در این وسیله از پیچ با رزوه مستطیلی استفاده شده است و فضای ایجاد شده بین استوانه و پیچ یک کاپیلاری مارپیچی ایجاد می کند . با پیچاندن این پیچ طول کاپیلاری تغییر می کند . از این وسیله می توان در مواردی که با یک پمپ به چندین محل روغن فرستاده می شود استفاده کرد .

بررسی روان کاری هیدرواستاتیکیسیستم یاتاقان هیدرواستاتیکی با خوضچه متعدد روغنمحدود کننده جریان از نوع کاپیلاری قابل تنظیم

بررسی جنس های فریم دو چرخه با تمرکز به روش های ساخت فیبر (الیاف)

20 سال قبل انتخاب فریم دوچرخه جاده ایی ساده و محدود بود برای سبکی وزن و راندن روان جنس هایی از قبیل (Cclumbus sL) فولاد ورق نازک استفاده می شد دوچرخه سواران سنگین وزن که استحکام بیشتری برای فریم دوچرخه طلب می کردند، سنگینی و سواری تنوانستند با در آمیختن لوله ها (‌در مثال های مورد نیاز از لوله های مستحکم ما بقی مکان ها لوله های سلبته را احساس دوچر

دسته بندی	مکانیک
فرمت فایل	doc
حجم فایل	23 کیلو بایت
تعداد صفحات فایل	33

دریافت فایل

فروشنده فایل

کد کاربری 8044

تمام فایل ها

جنس های فریم دو چرخه با تمرکز به روش های ساخت فیبر (الیاف )

کربن‌:‌Teehnical white paper

مقدمه :

20 سال قبل انتخاب فریم دوچرخه جاده ایی ساده و محدود بود. برای سبکی وزن و راندن روان جنس هایی از قبیل (Cclumbus sL) فولاد ورق نازک استفاده می شد. دوچرخه سواران سنگین وزن که استحکام بیشتری برای فریم دوچرخه طلب می کردند، سنگینی و سواری تنوانستند با در آمیختن لوله ها (‌در مثال های مورد نیاز از لوله های مستحکم ما بقی مکان ها لوله های سلبته را احساس دوچرخه سواری را متوازی کنند.

برای آلومینیوم انتخاب در بین (limber Alan) یا (Vitusc) یا یک (Klein) سفارش فوق سنگین و بسیار گران بود. چند ماده بیگانه مانند فیبر کربین (Graftek) و (tele dyne titanium) باعث سواری با شکوهی می شد حس کنجکاوری گران قیمت و زارای سابقاتی طولانی در شکستن فریم و فرمان پذیری ناموزون بودند.

3- اکتشاف مواد و بازار در حال رشد تکنولوژی پیشرفته برای محصولات دوچرخه سازی تکامل فریم های دوچرخه را در دهه 1980 شتاب داد. Cannondale وTrek اجازه همه گیرشدن فریم های آلومینیومی را به صنعت دادند که تا حدی کم قیمت تراز تیتانیوم بود و فیبر کربن به معنوان جرقه ایی در موادر مهندس این دوره قلمداد گردید. لذا زندگان فولاد با آلیاژ های مقاوم تر و دارای عملیات حرارتی و اشکال پیچیده و قطرلوله های غیر استاندادر به عرص همبارزه بازگشتند تا بتوانند وزن را بر خلاف راحتی و بازده دهی کاهش دهند.

4- امرزوه قدرت انتخاب بیشتر طبیعتاً پیچیدگی و سرگیجه گی بیشتر وجود دارد. اگر کسی بخواهد بهترین ماده برای فریم دوچرخه را سوال کند، یک جواب حساب شده نیاز دارد زیرا چگونه استفاده کردن ماده داده شده می تواند مهمتر از نوع ماده استفاده شده باشد.

5- فریم دوچرخه ایده آل برای یک دوچرخه سواری باید متناسب با ابعاد وی و همچنین سبک باشد. این فریم باید به خوبی تکان های مسیر را جذب کند اما باید به حضور موج دار فرمان پذیر تا حد 1: ( به خاطر سفتی کناری) و نیروئی نقصان نیافته برای پدال رانندگی مهیامی کند ضربه ها و پیچش های غیر منتظره که خود مستلزم پرداخت جذاب بوده ومقاوم در برابر خوردگی یا المان های نفوذی است

واقعیات ماده : اسیکل ، آلومینیوم،‌تیتانیوم و فیبر کربن همه برای بدست آوردن حد بالای مقیاس به کار می روند ولی در استحکام سختی وزن مقاومت به شکست خوردگی و غیره متفاوت هستند برای مثال استفاده از آلومینیوم یا تیتانیوم در ابعاد لوله مشابه در قالب یک فریم استیل سنتی باعث کاهش وزن شده اما تولید انعطاف پذیری بیش از اندازه می کند. بنا به این فریم های فلزی غیر آهنی معمولاً قطر لوله ایی بیشتر از استیل دادند که برای بیشتر کردن صلیب میباشد.

2) فریم های فلزی معمولاً با یک بار فوق سنگین تکی دچار شکست نمی شوند اما به خاطر تنش های کم اندازه اما تکرار پذیر ( که معروف به خستگی است) استیل و تیتانیوم دارای تعریفی به عنوان کمترین حد خستگی هستند که اگر تنش ها کمتر از این حدود باشد این نیروهای کوچک عموماً طول عمر خستگی فریم را کوتاه نمی کنند. آلومینیوم دارای چنین حد مشخص شده پایه ای نیست بنابراین هر دوره تنش هر چه قدر هم که کم ماده را به شکست ناشی از خستگی نزدیک تر می کند

- طراحان این محدودیت را تشخیص دادند و مبادرت به “زیاده سازی” فریم هایشان برای استفاده مادام العمر کردند.

3- استحکام بالای تیتانیوم وزن سبک، قابلیت ارتجاعی و مقاومت در برابر خوردگی باعث گزینش آن به عنوان ماده مناسب فریم شد. با این وجود به خاطر فلزی بودن آن بیشتر خواص مشابه مکانییک که باعث محدودیت استیل و آلومینیوم می شد، تیتانیوم را بی نگذاشت. فلزات در تمام جهات به طور مساوی مستحکم و سخت هستند( خاصیتی که “ایزوتروپی” نامیده می شود) زمانی که هندسه یک برش عرضی از لوله ای فلزی برای ازیابی استحکام یا سفتی مورد نیاز در یک صفحه تعیین گردید، یک مهندس آزادی خود را برای ارزیابی مطالبات مختلف برای استحکام یا سفتی در دیگر صفحات از دست می دهد. در لوله های فلزی با تنظیم قطر و ضخامت دیواره برای مواجه با استانداردهای خمش،‌به طور خودکار سفتی خمشی جانبی و پیچی تعیین می گردد.

4- فیم های ف لزی در مقایسه با کامپوزیت ها فقط در یک موضوع متفاوت هستند کامپوزیت ها شامل الیاف تقویت کننده هستند که شبکه مواد جاسازی شده اند. معروفترین کامپوزیت، شیشه که به معنی رزین پلی استر( به عنوان ماتریس یا زمینه) تقویت شده با پشم شیشه ((fiberglass است. کامپوزیت های پیشرفته شامل فیبرهای مهندسی شده نظیر کربن ، پلی مر،‌فلز یا سرامیک می باشند معمولاً این فیبرها با رزین های ترموست مانند اپوکسی بارور شده اند. دیگر مواد ماتریسی حاوی ترموپلاستیک، فلزات و حتی سرامی کها می باشند. این کامپوزیت های پیشرفته ساختارها را مستحکم تر و صلب تر از فلزات هم اندازه می کنند اما با وزنی بسیار کمتر!

از این گذشته اگر مواد ماتریس با یک واکنش شیمیایی یا حرارت سخت کاری می شوند، فیبرهای رزینی خیس خورده می توانند واقعاً به هر شکلی فرم دهی و ق الب ریزی شوند.

5- به خلاف فلزات این تروپیک، کامپوزیت ها ناهمسانگرد ((anisatrapic هستند. استحکام و سفتی آنها تنها در جهت محور فیبرها تحقق یافتنی است که با هر الگویی می تواند آراسته شود. بنا به این برای جذب تنش های متعینیه و متفاوت از یک فریم دوچرخه، کامپوزیت ها می توانند به صورت چند لایه با زوایای مختلف برای هر کدام استفاده شوند. این می توانند استحکام را در جائی که نیاز است قرار دهد همچنان که وزن را حداقل می کند.

6- در امتداد لوله های گرد سنتی و طراحی فریم های قالبی (lug frame) فریم های کامپوزیت قابلیت قالب ریزی با استفاده از کیسه های داخلی (internal bladder) و فوم به صورت تک قطعه ایی و ساختمانی (Monocoqne) یا فریم های چند مقطعی را دارند. همچنین این مواد میتوانند در فشار بالا و به صورت فرآیند تورمی، لوله های فریم را با قطعه کامل ترکیب کنند.

Industryparallel : (توازن های صنعت ) نظیه دیگر صنایع ورزشی در آینده صنعت دوچرخه سازی از فلزات جدا میشود. ادامه پیشرفت ها در صنعت و فضا به صنایع اتومبیل سازی و صنایع قایق سازی، تقریباً نقش کامپوزیت ها را به عنوان ماده ای بنیادی در آینده تضمین کرده اند. دیگر صنایع کالاهای ورزشی جائی که مواد جدید به جای گزین ماد قدیمی شده اند. شامل تنیس تیراندازی با تیرو کمان اسکی، قایق سواری، گلف و ماهی گیری می باشند. کامپوزیت ها جایگزین مواد قبلی شده و عاقبت به کاهش قیمت تا سطوحی قابل خرید برای همه انجامیده است.

مواد جدید به دلایل متعددی جایگزین موادی که قبلا برقرار بوده شده اند، در کالاهای ورزشی، جانشینی مواد نو به خاطر افزونی بازدهی در عملکرد می باشد برای نمونه راکت تنیس که تنها و تنها از چوب ساخته می شد دارای جذب ارتعاش ممتاز و اما مکان تورم و چروکیدگی به خاطر آب و هوا و انحراف قلب تیغه مقدار کشیده گی زه آن وجود داشت. چونب که طبق ضوابط به اندازه کافی مستحکم بود دارای وزن سنگینی بود. راکت هائی از جنس استیل لوله ایی و تALT و اوایل دهه 1970 متداول شدند. که از چوب شبکه بدون تأثیر از آب وهوا و دارای قدرت پتانسیلی بیشتر به هنگام ضربه بودند.

با این وجود، احساس فلز برای استفاده کننده گان دلچسب نبود و تعدادی از ضربه ناگهانی این راکتها به دست و بازویشان انتقال میداد ناراحتی بودند.

4- راکت های کامپیوزیتی در اواخر دهه 70 به بازار آمد و همه چیز را نتیجه داد. این راکت ها دارای حالت ارتجاعی، و جذب شوک مثل چوب و مصونیت آب و هوایی بودند و البته سبک، ظرف فاسال، راکت های کامپیوزیتی در همه چا در دسترس قرار گرفتند که دارای قیمتها پایینی بودن دو چوب به طور کامل بلااستفاده شد هم اکنون %95 راکت های تنیش ساختاری کامپوزیتی دارند.

5- فریم دوچرخه کامپوزیتی تبدیل به یک پدیده آمریکایی شده است، چون تکنولوژی از صنایع هواپیماسازی و قایق سازی پدیدار گشت. ساخت و تولید کامپوزیت ها نیازمند کارشناسی فنی و سرمایه برای توسعه محصول این محصولات معمولا باید با آخرین تکنولوژی وارد بازار شوند. از این رو تعداد کمی کمپانی دوچرخه سازی توسعه یافته راغب به دست یابی تکنولوژی برای توسعه ابتکاری فریم های کامپوزیتی وجود دارند.

6- بسیاری از مهندسین دوچرخه ساز رواپرداز در کامپوزیت ها از حالتی مناسب برای خلق محصول های قابل فروش در بازار بی بهره بودند. با متقاعد شدن افرادی بیشتر که کامپوزیت ها حتی می توانند عملکرد دوچرخه را افزایش دهند، این طرح ها بالاخره به عنوان انتخابی ممتاز شناخته شد.

مزایای کربن

فریم دوچرخه به طور قابل توجهی ساختاری پیچیده با مشخصه های اجرایی که شامل نسبی، صلبیت ، دوام و جذب ضربه ناگهانی می باشد. فریم های Al و ‏Ti به خاطر به چالش کشیدن فریم های استیل در حداقل 2 بخش اجرائی : دیسکی و مقاومت به خوردگی مرسوم شدند. اما در خرین سطوح تکنولوژی صنعتی ، کامپوزیت ها تقریباً تمامی فریم های فلزی در تمامی بخش های اجرایی تحت الشعاع قرار دادند.

2- ترکیب متالورژیکی یک tube فلزی نمی تواند در طول لوله تغییر کند. در مقابل کامپوزیتها میتوانند به طور نامحدودی در طول لوله متغییر و گوناگون باشند. مانند تغییر در زوایای الیاف، تفاوت در لایه ها و ضخامتشان و تفاوت در آمیزش مواد. بنابراین خواص نهایی محصول ساخته شده از کامپوزیت ها می تواند متناسب با مشخصاتی دقیق باشد. همچنین ساخت لوله کامپوزیتی با درجات مختلفی از سفتی آسانتر از ساخت نوع فلزی آن می‌باشد. ضمناً هزینه ماشین کاری برای تولید لوله فلزی به مراتب بیشتر از ساخت نوع کامپوزیتی می باشد.

3- لوله های کامپوزیتی معمولا با یک میله (یا ‌فلزی معمولا از جنس فولاد سردکاری شده) توسط رشته مارپیچ (که بافت آن در زوایای مختلف می تواند باشد) فرم دهی میشوند. این فرآیند لفاف نوردی (roll wrapping) یا قیطان دوزی (braiding) نامیده می شود. روش دیگری که کشش رانی (pultrusion) نامیده می شود الیاف ها را از میان یک قالب گرم شده که ماتریس ترموپلاستیک را ذوب می کند کشیده می شود. هر سازنده ساختار مخصوص به خود شامل تعداد لایه ها و جهات الیاف متفاوت را دارد که برای خلق ترکیبی مطلوب از استحکام، وزن و سفتی است. این از محاسن فوق العاده فیبر کربن است. در فلزات قدرت انتخاب بسیار محدود اما در فیبر کردن تقریبا نامحدود می باشد.

4- بافت بدنه دوچرخه کار جدیدی نیست، برای سالها این عمل با نام فرآیند ضربه زنی (butting) انجام می شده است که لوله ها در اتصالات برای تحمل تنش ضخیم تر و در محدوده مرکزی طول لوله برای کاهش وزن نازکتر می شده اند.

آیا می توانستند اندازه و شکل هر لوله را به طور دقیق متناسب با بارهای پیش بینی شده در پدال زدن و تکان های وارده ‌در نظر بگیرند آیا ماده بدنه می توانست به طور دقیق در هر جا که لازم می بود توزیع شود

چه می شد اگر صلبیت هر لوله، در خلال فرآیندهای شکل دهی و یا فرزکاری از یک سطح خمشی تا دیگری یا از انتهای یکی تا بعدی تغییر کند. فریم برای بارهای جانبی ناشی از پدال زدن می توانست صلب ساخته شود. اما برای تحمل تکان های مسیر، در سطح عمود تنظیم می شد. شکل دهی یا براده برداری یک فریم به این روش تقریباً غیر ممکن می‌باشد. اما کامپوزیت ها به سادگی می توانند به عضوهای ساختاری و اصلی با مقاطع عرضی پیچپدیه قالب ریزی شوند.

5- تصویر 1 نشان دهنده‌ی سفتی ویژه 4 ماده اصلی استفاده شده در فریم دوچرخه است. سفتی ویژه در قالب مدول کشی شامل چگالی یا به طور ساده تر، نسبت سفتی به وزن ، تعریف می شود. ممکن است پرسیده شود که اگر فیبر کربن دارای چنان نسبت سفتی به وزن بالایی است، چرا از حالت فعلی سبکتر نیستند جواب این است که فیبر کربن دارای جنس عظیمی در کشش است اما در عمل هدایت تمامی تنش های تحمیلی بر روی یک ساختار مشکل است. این بستگی به طراح دارد که چقدر آن را مورد توجه قرار می دهد و حداکثر تلاشش را برای بارگذاری فیبرها در کشش انجام دهد.

6- کامپوزیت ها می توانند به عضوهایی ساختاری و اصلی با مقاطع عرضی پیچیده و با سهولتی نسبی قالب ریزی شوند. همچنین دارای بعضی خواص مکانیکی بسیار مؤثر می باشد. آلومینیوم 6061 و سری 7000 که در فریم های دوچرخه استفاده می شود تقریبا یک سوم سنگینی فولاد، یک سوم سفتی آن و در بهترین شرایط حدود 80% استحکام آلیاژ crmp 4130 استفاده شده در بیشتر فریم های دوچرخه را داراست. تیتانیوم تقریباً دو سوم وزن فولاد ، نیمی از سفتی آن و حدود 60% استحکام فولاد را داراست. کامپوزیت فیبر کربن که بیشتر توسط سازندگان دوچرخه استفاده می شود کمتر از یک چهارم وزن فولاد را دارد و در رابطه با سفتی حدود چهاربرابر سفت تر (بر پایه وزن به وزن) و تقریباً چهار برابر مستحکم تر در کشش می باشد. فیبرکربن همچنین عمر خستگی بیشتر از فولاد، تیتانیوم و یا آلومینیوم دارد و رزین معمول که برای مقید کردن رشته ها استفاده می شود هم خاصیت میرا کردن ارتعاشات خوبی دارد.

تصویر 2

7- دمپ ارزش و تکان ، دو فاکتور مهم است که دوچرخه سواری را متأثر می کند. با این وجود این دو از موضوعاتی همبسته که در علم مواد کمتر فهمیده شده و به آن توجه شده است که متغیرهای زیادی در آن دخیل هستند مثل : چگونگی جذب و پخشاندن انرژی لرزشی توسط اتمها، چگونگی ساخت ساختار، نوع رنگ کاری و پوشش دهی سطح اعمال شده؛ که پیش بینی چگونگی واکنش ساختار به لرزش وارد آمده مشکل است جذب ارتعاش کامپوزیت ها ممتاز در بین انواع فلزات است که دلیل ترجیح انتخاب این ماده برای فنرهای اتومبیل مسابقه و هواپیماهای پیشرفته همین است. کیفیت راندن روان از اولین نکاتی است که مردم در مورد فریم های دوچرخه مورد توجه قرار می دهند.

4- برنامه های تحلیلی پیچیده «المان محدود» و تئوری سطح لایه لایه شده (Laminate – plate theory) برای تعریف خواص ساختار کامپوزیت ها کمک کننده هسته تفاوت ذاتی بین کامپوزیت ها و فلزات این است که تولید کامپوزیت ها به صورت ورقه ای یا لایه ای و به طور جهتی می باشد. اتصال دو رویه و قدرت لایه لایه شدن (delamination) یا انفکاک (separation) در برابر بارهای فشاری و برشی از مواردی است که هنگام طراحی کامپوزیت پیشرفته باید مورد توجه قرار گیرد. اطلاعات برای نمایاندن احتیاجات گوناگون دوچرخه ضروری است. کامپوزیت ها متفاوت با فلزات هستند بدین صورت که بارهای مساوی را در تمام جهات تحمل نمی کنند. اما در تحمل بار کششی ممتاز هستند. کامپوزیت چیزی شبیه بسته ای از رشته ها ، غوطه ور در لایه ای از چسب یا رزین است. این بسته تحمل وزن بیشتر، خمش کمتر، را در صورتی که از دو سر کشیده شود یا به صورت تخته دایو (تخت، شیرجه) خم شود نسبت به بارگذاری فشاری یا معکوس دارا می باشد. تغییر حالت بسته اتفاق می افتد زیرا استحکام واقعی بسته به خاطر رشته هاست نه رزین. اولین کارکرد رزین تثبیت و استقرار الیاف در محل انتقال بارها در میان الیاف، محافظت از الیاف در برابر نیروهای محیطی و اعطای مقاومت به ضربه به ساختار است. قدرت تحمل بار سمتی طبیعی الیاف، قوانین طراحی ساختاری را تغییر داده است.

مقایسه مواد استفاده شده در دوچرخه ها

تاریخچه فریم های فیبر کربن

خواص چشمگیر کامپوزیت ها راه خود را به صنعت دوچرخه سازی هموار نمود. فریم های فیبر کربن اولین بار در اواسط دهه 1970 ظهور کرد در دهه 1980 در قالب فریم های فیبر کربن و تعداد کمی از قطعات بر تعداد آنها افزوده شد و وارد بازار معاملات پیشرفته و کاتالوگ های قطعات شد. اما این تلاشها اکثراً تقلاهایی محدود برای صرفه جویی در وزن بوده و اغلب دچار فقدان مهندسی دقیق و تعهد سازندگان می شدند آخرین ذهنیت اغلب تولیدات فیبر کربنی به صورت غیر قابل قبول، انعطاف پذیر ترد وخیلی گران بود.

در پنجاه سال گذشته فریم های فیبر کربنی ابتکاری زیادی وارد بازار شده است. این فریم ها به طور موفقیت آمیزی در انواع فلزی مشابه را در دو زمینه به چالش گرفتند، یکی وزن و دیگری راحتی سواری. اما حتی بعضی نسخه های قبلی تعدادی از بدنه دارای پیشینه صنعتی در قابلیت اعتماد بودند.

3- با این دلایل قشر وسیعی از صنعت گران بزرگ بررسی فیبر کربن را به عنوان یک پدیده نوظهور ادامه داند.

بعضی از سازندگان با استاندارد قدیم راضی شده بودند‌: دوچرخه بدون فلز. دیگران هم نه تحریک شدند و نه شاید قادر به صرف زمان، انرژی و پول برای یادگیری تکنولوژی کامپوزیت ها و توسعه تکنیک های ساخت کامپوزیت ها بودند شرکتهای مختلفی در کامپوزیت ها با اتصال لوله های کربنی (اکثراً در محدوده زیرزمین) فریم های آلومینیومی و تیتانیومی به نوعی سرسری کاری انجام دادند. تا زمانی که مقدار کمی بهبود در دمپ ارتعاش این نوع فریم ها حاصل شد هم این شرکتها حاضر به استفاده از مزایای یک فریم تمام کربن نشدند.

4- به هر حال کامپوزیت ها از اواسط دهه 1980 پیشرفت های زیادی کردند. رزین ها،‌الیافها و اپوکسی ها قوی تر شدند چیزی که اهمیت بیشتری داشت، تفهیم چگونگی استفاده از این مواد که به طور شگفت انگیزی افزایش یافته بودند در قالب قطعات برای توسعه برنامه های تحلیلی پیچیده بود. کامپوزیت ها بیش از یک تکنولوژی پیشرفته برای صرفه جویی در وزن می باشد اینها مواد ساختاری ممتازی هستند که طرز ساخت دوچرخه را دگرگون ساختند. یک ست فریم کامپوزیتی عملکردی بهتر از نوع فلزی دارد. بعد از طی مراحلی آزمایشی یک ماده ماندگار در این صنعت تبدیل گشت. تعداد کمی از سازندگان مراحل مورد نیاز را گذرانده و تسلطی نسبتاً استوار بر توانایی، پتانسیل ها، و محدودیت های کامپوزیت یافته اند. یکی از اصلی ترین عوامل محرک در پیشرفت کامپوزیت ها با دوچرخه سواری، استفاده دوچرخه های کربنی توسط اشخاص حرفه ای و با تجربه است. برنده 3 دوره مسابقات تور دوفرانس و قهرمان حرفه ای مسابقات جهانی، گرگ لموند (greg lemond) در جستجوی مداوم خود برای عملکردهای بالاتر ، با استفاده از پیشرفته ترین تکنولوژی های موجود کمک شایانی را پیش از هر دوچرخه سوار به این موضوع کرده است جستجوی وی شامل استفاده از دوچرخه های کربنی در اکثر مسابقات حرفه ای پراعتبار جهانی می گردید. گرگ در براب استفاده از فیبر کربن ها با درجه بالاتر که فیبر مدول بالا خوانده می شود بسیار مفید بود. وی همچنین کارهای نامعمولی از قبیل حمایت دوچرخه ها برای تیم خودش را انجام می داد بطوریکه معمولا سوراندها مجبور به راندن هر آنچه که اسپانسیر یا حامی برایشان فراهم کرد بودند. البته تبلیغات حامی که این جمله بود حقیقتاً واقعیت داشت:

“so and so selected our product”

تکنولوژی هر چه بالاتر :

فیبر مدول بالا به سادگی همان فیبر کربنی است که بیشتر تصفیه شده. واژه مدول همان مدول یانگ یا معیاری برای سفتی (stiffness) است. هر چقدر عدد آن بالاتر، الیاف قوی‌تر. پروسه ساخت فیبر مدول بالا شامل برهنه سازی لایه بیرونی الیاف به صورت تکی و باقی گذرادن هسته مستحکم تر. شرکتهای نادری در حال استفاده از مقداری محدودی از الیاف مدول بالا می باشند. گران بوده و مصرف آن ناچیز. بیشتر فریم های پیشرفته دوچرخه که در این مقاله نام برده شدند از کربن مدول بالا که با الیاف بور (Boron) آمیخته شده ساخته شده‌اند.

الیاف بور جالب توجه است چون سفتی فوق العاده ای در فشار از خود نشان می دهد. که اگر با کربن فوق سفت در کشش ترکیب شود یک اثر هم افزا بدست خواهد آمد که سفتی کلی و نهایی لوله بیشتر از مقدار پیش بینی شده توسط خواص الیاف به صورت انفرادی می‌باشد. فیبر بور فوق چقرمه همچنین از الیاف کربن مدول بالا که شکنندگی و تردی بیشتری دارد محافظت می کند. این خواص پیشرفته کم کم راه خود را به چرخ دنده فرود جت های جنگنده همانند فریم های مدرن دوچرخه به خوبی پیدا کرد.

ساخت فریم یا کربن :

یک مسری که دوچرخه های فیبر کربنی پیموده اند تقلیدی است از گونه های لوله فلزی سنتی. اینها ضرورتاً شبیه دوچرخه های آلومینیومی مقید شده بوده فقط لوله های فیبر کربنی جانشین یک جزء یا تمام لوله های آلومینیومی شده اند. ایده‌ی اتصال لوله ها با ساختاری 3 گوش نوعی آشنا از این گونه هاست که برای شروع یک طراح، انتخابی منطقی است که تعداد مجهولات را کاهش می دهد چون اجازه می دهد فریم فیبر کربن بعداز یک طراحی موفق، قالب ریزی شود. همچنین امکان تولید اندازه های مختلف و زوایای گوناگون را به سادگی با میله های جدید (lug) برای اتصال به لوله های فیبر کربنی فراهم می کند. رانندگان سنتی این خط مشی به خوبی هستند. مادامی که به اجبار با بیگانگی فیبر کربن سر و کار داشتند از ایشان برای قبول ایده جدید به طور کامل درخواست نشد. با این وجود گنجاندن صلبیت و راحتی راندن در فریم های فلزی نوری مشکل همیشه نتیجه ای توافقی داشت.

فریم نوری شکل (Diamond) نوعی ساختار 3 گوش است که استحکام عمودی در بر دارد. این در حالی است که تلاش ها برای استحکام دهی جانبی می باشد. در هر صورتی که فیبر کربن استفاده شود این خواص در خلال طراحی خوب قابل شناخت است چون این خواص جزء ذات ماده فیبر کرن است. سؤال اینست که تا چه درجه ای این خواص شناخته شده اند.

رویکردهای مختلف دیگری که کمتر سنتی هستند برای ساخت فریم از فیبر کربن وجود دارد.

فوم هسته (Foam – cary) و فریم قالب بادکنکی (bladder – Molded frame) بعضا به ساختارهای قالب ریزی شده “‌یک تکه ” مشهورند. یک تکه یعنی فریم به صورت یک واحد کامل تکی قالب ریزی شود. بعضی هم اگر به صورت چند تکه قالب ریزی شوند به هم چسبانده می شوند و ظاهری یک تکه خواهند داشت. این فرآیندها می تواند پیچیده باشد اما عموماً به مهندسین آزادی می دهد که میتوانند فیبر کربن را هر جا که بخواهند قرار دهند. درزهای پهناور که نتیجه لب به لب شدن مواد مورد نیاز توسط فرایند قالب ریزی است میتوانند بعضا مناطقی ضعیف تر را در فریم به وجود آورند. توجه فوق العاده قوی باید صرف طراحی و ساخت این فریم ها شود تا اطمینان از کنترل کیفیت شایسته حاصل شود.

روش دیگری است وجود دارد که استفاده از فرآیند پرفشار تورق یا لایه لایه شدن (Lamination) نام دارد. این جا یک فریم کم میله (lug-less) ساخته شده که اعضای بنیادین شکل دهنده فریم لوله های فیبر کربن هستند که توسط اپوکسی بارور شده با فیبر کربن به هم متصل (Melding) شده اند. مرغک یا پشبند (Gussets) به صورت کامل به طور همزمان با اتصال لوله ها فرم دهی می شود. همراه با افزایش آزادی، حذف وابستگی به میله (Lug) ، ضعف ذاتی دیده شده در لوله و اتصالات میله دیگر طرح ها نیز حذف گردید. در عوض میزان سازی مشخصه های رانندگی فریم انجام گردیده و این به خاطر استفاده از ماده مشابه در لوله ها در قسمتهای بحرانی لوله است. روانی فیبرها بین لوله ها مداوم است که پراکنش یا واپاچش تنش گردان در فریم را حاصل می شود که نتیجتاً حذف مجازی پدیده های خستگی را در بر دارد.

بررسی جنس های فریم دو چرخه با تمرکز به روش های ساخت فیبر (الیاف )مزایای کربنتاریخچه فریم های فیبر کربن

بررسی سیستم های نانوالکترومکانیک (NEMS)

سیستم های نانوالکترومکانیک (NEMS) در جوامع علمی و تکنیکی مورد توجه زیادی بوده اند این دسته از سیستم ها که بسیار شبیه به سیستم های میکروالکترومکانیک هستند در انواع حالات تشدید شده خود با ابعادی در سابمیکرون عمیق عمل می کنند سیستم در این محدوده، دارای فرکانس های رزونانس بسیار، توده های فعال تحلیل یافته و ثبات نیروی پایداری باشند؛ ضریب کیفیت تشدید ای

دسته بندی	مکانیک
فرمت فایل	doc
حجم فایل	1123 کیلو بایت
تعداد صفحات فایل	106

دریافت فایل

فروشنده فایل

کد کاربری 8044

تمام فایل ها

سیستم های نانوالکترومکانیک (NEMS)

سیستم های نانوالکترومکانیک (NEMS) در جوامع علمی و تکنیکی مورد توجه زیادی بوده اند. این دسته از سیستم ها که بسیار شبیه به سیستم های میکروالکترومکانیک هستند در انواع حالات تشدید شده خود با ابعادی در سابمیکرون عمیق عمل می کنند. سیستم در این محدوده، دارای فرکانس های رزونانس بسیار، توده های فعال تحلیل یافته و ثبات نیروی پایداری باشند؛ ضریب کیفیت تشدید این سیستم در رنج Q  lo³-10⁵ بسیار بالاتر از دسته دیگر مدارهای تشدیدی الکتریکی می باشند. این سیستم در NEMS برای دسته بسیاری از کاربردهای تکنولوژی مانند سنسور فراسریع، دستگاه راه اندازی، و اجزای پردازش سیگنال مهیا می سازد.

به طور آزمایشی از NEMS انتظار می رود که امکان تحقیق بر فرآیندهای مکانیکی متعادل فونون و واکنش کوانتوم سیستم های مکانیکی مزوسکوپیک را فراهم آورد. با وجود این، هنوز چالش های ریشه ای و تکنولوژیکی برای بهینه سازی NEMS وجود دارد. در این بررسی ما باید مروری بر چشم اندازها و چالش ها در این زمینه یک معرفی متعادل از NEMS را ارائه داده و کاربردهای جالب و آشکارسازی الکترومکانیک را به تصویر می کشیم.

سیستم های نانو الکترومکانیکی (NEMS)، تشدید گرهای مکانیکی با مقیاس نانو – به – میکرو متر می باشند که به ابزار الکترونیکی دارای ابعاد مشابه وصل می شوند. NEMS نوید میکروسکوپ نیروی فراحساس سریع و عمیق شدن فهم ما از چگونگی پیدایش دینامیک کلاسیک با نزدیک شدن به دینامیک کوانتوم می باشد. این پژوهش با یک بررسی از NEMS شروع شده و پس از جنبه های خاص دینامیک کلاسیک آنها را توصیف می کند. مخصوصاً، نشان می دهیم که برای اتصال ضعیف، عمل ابزار الکترونیکی روی تشدیدگرمکانیکی می تواند به طور مؤثر، یک حمام حرارتی باشد در حالیکه ابزار، یک محرک خارج از تعادل سیستم باشد.

1- مقدمه:

محققان با استفاده از مواد و فرآیندهای میکروالکترونیک مدت هاست که کنترل پرتوها، چرخ دنده ها و پوسته های ماشین های میکروسکوپی را انجام داده اند که این عناصر مکانیکی و مدارهای میکروالکترونیکی که آن ها را کنترل می کنند را به طور کل سیستم های میکروالکترومکانیک یا MEMS خوانده اند. در تکنولوژی امروزی MEMS برای انجام اموری در تکنولوژی مدرن مانند باز و بسته کردن دریچه ها، ( سوپاپ ها) چرخاندن آینه ها و تنظیم جریان الکتریسیته و یا جریان نور بکار گرفته می شود. امروزه کمپانی های متعددی از غول های نیمه هادی گرفته تا راه اندازی های کوچک می خواهند ابزار MEMS را برای طیف گسترده ای از مشتریان تولید کنند. با تکنولوژی میکروالکترونیک که هم اکنون تا حد ریز میکرون پیش رفته است زمان آن رسیده که کشفیات متمرکز NEMS را آغاز کنیم.

شکل 1 خانوادة NEMS نیمه رسانا را نشان داده و مراحل تولید ساخت کلی آن را مطرح می کند. این فرآیند برای طراحی آزادانه ساختارهای نیمه رسانای نانومتر به عنوان نانوماشین سطحی می باشدکه نقطة مخالف میکروماشین بالک MEMS می باشد این تکنیک ها برای سیلکون بر ساختارهای عایق، گالیوم آرسناید روی سیستم های آلومینیوم گالیوم، کاربید سیلکون برسیلیکون، نیترید آلومینوم بر سیلیکون، لایه های الماس نانو بلوری و لایه های نیترید سیلکون نامنظم بکار گرفته می شود. اکثر این مواد با درجه خلوص زیاد وجود دارد که با کنترل دقیق ضخامت لایه ای رشد کرده اند.

این قسمت دوم (کیفیت کنترل لایه ای) کنترل ابعادی در بعد عمودی در سطح تک لایه ای را کنترل می کند. این مقوله کاملا منطبق با دقت ابعادی جانبی لیتوگرافی پرتوالکترونی است که به مقیاس اتمی نزدیک می شود.

NEMS دارای ویژگی های چشمگیری می باشد. آن ها دسترسی به فضای پارامتری را که غیر پیش بینی است را فراهم می کنند؛ فرکانس های مقاومت تشدیدی در میکرویو، ضریب کیفیت مکانیکی در دهها هزار، توده های فعال در femtogram، ظرفیت گرمایی پایین تر از یوکتوکالری و ...

این ویژگی ها تصورات و سیل افکار برای تجربیات و آزمایشات هیجان انگیز را بوجود می آورد و در عین حال تعداد زیادی سؤالات غیرقابل پیش بینی و نگرهایی های بیشماری را نیز بدنبال دارد از جمله این سؤالات: چگونه مبدل ها در مقیاس نانو مشخص می شوند؟ چگونه ویژگی های سطحی کنترل می گردد؟ ویژگی های پارامتر NEMS با هر اندازه و مقیاسی گسترده می باشند. کسانی که می خواهند نسل بعدی NEMS را توسعه دهند باید به سمت آخرین کشفیات فیزیک و علوم مهندسی در جهات مختلف سوق بیابند. این بازنگری در چهار قسمت اصلی ذکر شده است. در دو بخش بعدی ما سعی می کنیم یک معرفی متعادل از NEMS را ارائه دهیم. ما نه تنها ویژگی های جالب و مورد توجه NEMS را مورد بحث و بررسی قرار می دهیم بلکه یک مرور کلی بر چالش های اساسی و تکنولوژیکی را ارائه خواهیم داد.

همچنان که به بخش های بعدی نزدیک می شویم، معلوم می شود که کدام یک از این چالش ها از طریق مهندسی سیستماتیک قابل بحث و بررسی است. در بخش چهارم این تحقیق، یکی از کاربردهای ضروری NEMS را که آشکارسازی نانوالکترومکانیک فراحسی می باشد تحت مطالعه قرار می دهیم. در بخش پنجم پروژه ها را ارائه خواهیم داد.

یک سیستم نانو الکترومکانیک (NEMS) از یک تشدیدگر مکانیکی با درجه بندی نانومتر –به- میکرومتر تشکیل می شود که به یک ابزار الکترونیک دارای ابعاد قابل قیاس مزدوج می شود ، تشدیدگر مکانیکی می تواند یک شکل هندسی ساده داشته باشد مثل یک طرّه یا یک پل و از موادی مثل سیلیکون با استفاده از تکنیک های لیتوگرافی مشابه به نمونه های به کار رفته برای ساختن مدارهای ترکیبی ساخته می شوند. به خاطر اندازه میکروشان، تشدیدگرهای مکانیکی می توانند با فرکانس هایی در محدوده چند مگاهرتز تا حدود یک گیگا هرتز نوسان داشته باشند. ما به طور نرمال، به ایده نوسان سیستم های مکانیکی در چنین فرکانس های رادیویی – به- میکروویو، عادت نمی کنیم.

اتصال به ابزار الکترونیک به شیوه الکترو استاتیکی بومی با بکار گیری یک ولتا‍ژ به یک لایه فلزی گذاشته شده روی سطح تشدیدگر مکانیکی انجام می شود. یک نمونه از یک ابزار الکترونیک تزویجی، یک ترانزیستورتک الکترونی (SET) است که در شکل 1 نشان داده شده است. کوانتوم الکترون ها، هر کدام در یک زمان از عرض ترانزیستور از الکترود درین به الکترود سورس که توسط یک ولتاژ درین- سورس Vds تحریک می شود تشکیل کانال می دهند.

بزرگی کانال دردرین به ولتاژ اعمال شده به الکترود گیت سوم (ولتاژ گیت ) بستگی دارد. چون تشدیدگر مکانیکی بخشی از الکترود گیت را تشکیل می دهد، حرکت تشدیدگر ولتاژ گیت را تغییر می دهد و از این رو جریان کانال درین سورس بعد از تقویت آشکار می گردد؟

با فرکانس های بالا و جرم های اینرسی کوچک تشدیدگرهای نانومکانیکی همراه با قابلیت های شناسایی جابجایی مکانیکی فراحساس ابزارهای الکترونیک مکانیکی،به نظر می رسد NEMS گرایش زیادی به مترولوژی نشان می دهد.

یک زمینه کاربرد ممکن، میکروسکوپ نیرو است که در آن نوک پایه روی یک سطح را جاروب می کند و جابجایی های پایه با حرکت نوک پایه روی سطح اندازه گیری می شوند و یک نقشه توپوگرافی نیرو را ایجاد می کنند. میکروسکوپ نیروی تشدید مغناطیسی (MRFM) مزیت خاصی دارد که یک نوک پایه فرومغناطیسی را بکار برده و نقشه برداری از الکترون جفت نشده و چگالی های چرخش هسته ای در سطح و زیر سطح انجام می شود. اخیراًٌ ، حساسیت های آشکار سازی چرخش تک الکترون بدست آمده است [12و11]، کاربردهای بالقوه در تعیین خصوصیات در سطح تک مولکولی یا اتمی، زیاد هستند و با کاربرد ابزارهای MRFM و NEMS طراحی شده مناسب کوچکتر، فرکانس های مکانیکی بالاتر ممکن است منجر به زمان های بازخوانی سریعتر در میزان حساسیت های معادل یا بهتر شوند.

کاربرد دیگر، حس کننده جرم است که در آن ذرات کوچک جرم مستقل به تشدیدگر نانومکانیکی از تغییر فرکانس ارتعاشی، تعیین می شوند. اخیراً، میزان حساسیت شناسایی اتوگرام ( 10=اتو ) به دست آمده است[14و13].

با کاربرد فرکانس طراحی شده مناسب بالاتر NEMS ، شناسایی مولکولهای انفرادی در حساسیت های تک دالتونی ممکن است.( یک دالتون برابراست با و 12/1 ماده در یک c¹² اتم)

NEMS در جای خود به عنوان سیستم های دینامیک مهم جالب است. به خاطر جرم اینرسی تشدیدگر نانو مکانیکی و اتصال الکترو استاتیکی قوی به ابزار الکترونیک ترکیبی دقیق حاصل شده، الکترون های انفرادی که در ابزار الکترونیک حرکت می کنند می توانند نیروهای جابجایی بزرگی به تشدیدگر مکانیکی وارد کنند.

شکل a .1) تصویری که عملیات آشکار ساز جابجایی SET را نشان می دهد. سطوح انرژی باردار مشخص هزینه انرژی ناشی از تغییردرانرژی میدان الکتریکی ذخیره شده به صورت یک یا چند الکترون را نشان می دهد که برسطح داخلی تونل سازی می شود و گسستگی سطوح اثر کوانتومی نیست بلکه هزینه افزایش انرژی در قراردادن فزاینده تعداد الکترون های روی سطح در همان زمان استb) ریزنگار میکروسکوپ الکترون پویشی (SEM) رنگی کاذب دو پرتو کنار هممعلق و SEM را نشان می دهد. ماده اصلی و پرتو از G_aAs (مناطق آبی) می باشد و الکترودهای گیت پرتو و SET لایه های نازک آلومینیوم (منطقه زرد) با اکسید آلومینیم است که مانع های تونل را تشکیل می دهد. پرتو 0/25 µm دور از سطح الکترود قرار دارد . فرکانس موجی بنیادی سنجیده شده برای حرکت در سطحMHZ 116 است.

در عوض، حرکت تشدیدگر روی جریان الکترون و ... تأثیر می گذارد. در دماهای بالا، ابزار الکترونیکی خاص می توانند به یک شیوه منطقی کوانتومی رفتار کنند که دریک مکان کوانتومی دارای موقعیت های متفاوت، هنگامی که الکترونها از طریق قطعه انتقال می یابند، موجود هستند. تأثیر متقابل چنین ابزاری، مرکز جرم تشدیدگر مکانیکی ممکن است به یک حالت کوانتوم [6] کشیده شود، مثل یک موقعیت حالات مکان مجزا. ذات کوانتومی سیستم الکترومکانیکی مزدوج درموارد خاص جریان اندازه گیری شده آشکار می شود. تشدیدگرهای نانومکانیکی از حدود ده بیلیون اتم تشکیل می شوند، طوری که از طریق اکثر استانداردها، چنین تغییرات کوانتومی، میکروسکوپی فرض می شوند. این مهم است که درک کنیم که در اینجا ما به تأثیرات کوانتوم در ابزار "واقعی کدر" اشاره کنیم که دارای درجات آزادی مکانیکی و الکترونیکی بوده به شدت با محیط اطراف که از فوتون و فونون تشکیل شده تعامل داشته و معایب تشدیدگر مکانیکی و ابزار الکترونیکی را تغییر می دهند. بررسی آزمایشی و نظریه ای چنین سیستم هایی منجر به یک فهم عمیق تر از چگونگی تبدیل دینامیک کلاسیک با تقریب به دینامیک کوانتوم می شود. NEMS دنیای کوانتوم میکروسکوپی و کلاسیک ماکروسکوپی ایجاد می کنند.

در اولین آزمایشات به بازبینی دینامیک NEMS، می پردازیم که نتیجه می گیریم اجزاء تشدیدگر مکانیکی همانطور که انتظار می رفت، به شیوه کلاسیک عمل می کنند، آزمایشات به اندازه ی کافی خالص نیستند تا تأثیرات دخالت کوانتوم را که توسط محیط تشدیدگر از بین می روند را قابل مشاهده کنند. به رغم این، دینامیک نیمه کلاسیک NEMS مهم بوده و ارزش بررسی دارد. یک بعد از بررسی این است که ویژگی های مشترک دینامیک کلاسیک ابزار متفاوت NEMS را شناسایی کنیم تا به میزان ارتباط و وابستگی رشته ای دست یابیم. تحت شرایط خاص تزویج ضعیف و همچنین جدایی وسیع مقیاس زمانی دینامیکی الکترونیک و مکانیکی، ابزار الکترونیک به طور مؤثر به صورت یک حمام حرارتی عمل می کند. تشدیدگر مکانیکی حرکت براونی حرارتی را که توسط یک ثابت میرایی و دمای مؤثر شناسایی می شود و توسط پارامترهای الکترونیک وسیله مشخص می شود را تحمل می کند [23 و22]. این واقعیت که ابزار الکترونیک می تواند به طور مؤثر توسط یک حمام حرارتی جایگزین شود، در اولین نگاه با دانستن اینکه جریان الکترون تحریک شده توسط ولتاژ در ابزار، یک حالت الکترون دور از تعادل است، حیرت انگیز می باشد. کاربرد مدل های اصول شناخته شده پایداری در ساختار مدل های تئوریک سیستم های غیرتعادلی نه چندان شناخته شده برای یافتن کاربرد وسیع به دوران اولیه مکانیک آماری بر می گردد. خلاصه این فصل به این شکل است: بخش2 نمونه هایی از ابزار گوناگون معرف NEM را نشان می دهد که در حال بررسی هستند. بخش 3، دینامیک کلاسیک سیستم تشدیدگر SET- مکانیکی را با تمرکز روی توصیف موازنه مؤثر در رژیم اتصال ضعیف بررسی می کند. بخش 4، دینامیک موازنه مؤثر برخی دیگر از NEMS معرفی می شده دربخش2 را توصیف می کند. بخش 5 نتیجه گیری می باشد.

2– ویژگی های NEMS:

1-2 NEMS به عنوان ابزارات الکترومکانیک چند قطبی.

تصویر شماره 2 وسیله الکترومکانیکی چندقطبی کلی را نشان می دهد که در آن مبدل های الکترومکانیکی محرک مکانیک ورودی را برای سیستم فراهم کرده و پاسخ مکانیکی اش را مورد مطالعه قرار می دهند. در قطب های کنترل اضافی، سیگنال های الکتریکی، به ظاهر استاتیک و متغیر زمانی می تواند بکار گرفته شود و نتیجتا با کنترل مبدل ها به نیروهایی برای برهم زدن ویژگی های عنصر مکانیکی تبدیل می شود.

ابزارات NEMS تصاویر کلی توصیف شده در بالا را ارائه می دهد. ما بعدا می توانیم NEMS های موجود را به دو دسته تشدیدشده و ظاهرا استاتیک تقسیم کنیم.

شکل 3- نمودار معرفی وسایل الکترومکانیکی چند ترمینالی

تصویر 2 a) تقطیق ریز نگار الکترون از Sic NEMS . این اولین خانواده از ریز میکرون دو پرتو کنارهم که فرکانس های تشدیدی موجی بنیادین آن از دو تا 134 مگاهرتز نمایش داده می شود. آنها با الگوها در تکنولوژی کالری از C-Sic 3 بودند که لایه های epi به حالت دانشگاه غربی اختصاص داده شد. b) سطح نانو ماشین NEMS ساخت آن به غیر از ساختمان نیمه هادی شروع شد. از چنین واحد نشان داده شده در I) با ساختمانی (بلند) از دست دادن (وسط) لایه های روی سر یک زیر لایه (پائین). II) ابتدا ماسک از طریق پرتو لیتوگرافی الکترون تعیین می شود. III) سپس به طور نمونه در لایه از دست داده با استفاده از سیاه کردن یک ناهمسانگر مانند سیاه کردن پلاسما IV) سرانجام لایه از دست داده شده تحت ساختمان با استفاده از سیاه انتخابی رفع می شود. ساختمان می تواند بعد یا در مدت فرایند وابسته به نیازمندیهای سنجش مخصوص فلز کاری شود.

در این بازنگری توجه ما در ابتدا بر ابزارات تشدید به عنوان ابتدایی ترین کاربردهای NEMS می باشد مبدل های ورودی در NEMS های تشدیدی، انرژی الکتریکی را با تحریک کردن حالت های تشدیدی عنصر مکانیکی به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. پاسخ مکانیکی که جابه جایی عنصر نامیده می شود به سینگنال های الکتریکی بازگردانده می شود. در این حالت تشدید عملیات اختلالات خارجی می تواند به عنوان سینگنال های کنترلی مورد نظر قرار گیرد چرا که آن ها ویژگی های ارتعاشی چون شدت فرکانس π ωo/2 یا Q عنصر ارتعاشی را توصیف می کنند. ماباید مکانیسم های تبدیل های الکترومکانیکی در NEMS را مورد بحث و بررسی قرار داده وبرای اندازه گیری اختلال خارجی که در بخش چهار مورد مطالعه قرار می گیرد مثال بیاوریم.

2-2 فرکانس

در تصویر شماره 4، ما فرکانس های بدست آمده به طور تجربی را برای حالت های متغیر بنیادین پرتوهای نازک طراحی کرده و برای ابعاد مختلف دامنه را از MEMS به عمق NEMS ادامه می دهیم. تخمین ها مکانیکی زنجیره ای برشمرده می شود، در واقع این بدین مفهوم است که عبارت شدت تغییر فرکانس های نازک پرتوهای NEMS را که به طور مضاعف گیر افتاده اند را تعیین می کند. در اینجا، w×t×l ابعاد موجود هستند، E ضریب یانگ می باشد و P برابر با چگالی حجم پرتو است (تصویر4). قابل توجه است که برای ساختارهای با ابعاد مشابه، si فرکانس های ضریب 2 را بوجود آورده و sic چیزی است که 3 برابر میزان بدست آمده از ابزارات GaAs می باشد. این افزایش ولوسیته فاز افزایش یافته را در مواد سفت تر نشان می دهد.

البته ، حتی اگر در سایز کوچکتر از این نیز قرار داشته باشد هنوز ملموس است به خصوص برای نانووایر و نانوتیوپ NEMS این مسئله دقیقا صدق می کند. ممکن است بپرسید که در چه مقیاسی مکانیک زنجیره وار شکسته شده و تصحیح رفتار اتمی صورت می گیرد؟ شبیه سازی دینامیک ملکولی برای ساختارهای ایده آل و آزمایش های اولیه نشان می دهد که این فقط برای ساختارهای بر روی نظم ده شبکه لتیس در برش عرضی آشکار می گردد. بنابراین برای بیشتر کارهای اخیر در NEMS، تخمین های زنجیره ای موجود کافی به نظر می رسد.

در اکثر NEMS ها به خصوص در ساختارهای دو یا چند لایه ای، فشارهای داخلی باید هنگامی که فرکانس های شدت تخمین زده می شود در نظر گرفته شود. تصویر 5 تلاش اولیه ما را برای مشخص کردن چنین تأثیراتی در NEMS های نیمه رسانا با لایه های رویی فلزی نشان می دهد. در این اندازه گیری ها نیروهای ایستایی کوچک برای شدت های پرتو نانومکانیکی گرفته شده بکار بسته می شود و فرکانس های تشدیدشان تحت عنوان تابع نیروی اعمالی بکار گرفته شده ارزیابی می شود. تغییرات فرکانس تحریک شده به خصوص هدایت ظاهری آن که با تغییر همراه شده است توسط وجود فشار داخلی مقاوم ثابت می گردد.

شکل 4: طرح فرکانس در مقابل هندسه موثر برای دودسته پرتو کنارهم که از تک کریستالSi , Sic G_aAs , ساخته می شودی دودسته پرتو کنارهم با طول L عرض w و ضخامت t نشان می دهد. فرکانس تشدیدی انعطافی خارج از سطح بنیادی این ساختار با این عبارت معین شده است در طرح مقادیر t/L² برای رفع اثر سختی اضافی و بارگیری جرمی به خاطر فلز سازی الکترود غیرعادی می شود.

3-2 ضریب کیفیت (Q)

ضریب Q که در نیمه رساناهای NEMS بدست آمده اند در رنج 10⁵- 10³ وجود دارند. این از لحاظ نوسانگر الکتریکی از بقیه دسته های موجود فراتر می رود. این مقدارناچیز اتلاف انرژی داخلی، سطوح قدرت اجرایی پایین و حساسیت بالا را چنانکه در بخش بعد به طور دقیق توضیح خواهیم داد به NEMS منتقل خواهد کرد.

برای ابزار پردازشگر سیگنال، Q بالا به طور مستقیم به کاهش ضمیمه زیر بر می گردد. باید توجه باشیم که Q بزرگی کاهش پهنای باند را نتیجه می دهد در حالی که این به دو دلیل برای اجرا از میان بخش نمی باشد. اولین دلیل کنترل بازخورد است که می تواند بدون معرفی و سروصدای اضافی بکار بسته شود و ممکن است برای افزایش پهنای باند تا حد دلخواه مناسب باشد. دوم اینکه، برای عملکرد مبدل در GHZ 1 ~ حتی در مورد Q با میزان بالا 10 ~ ، عرض های معادل KHZ 10 ~ نیز می تواند بدست آید؛ این برای کاربردهای مختلف باندهای باریک نیز کافی می باشد.

4-2 مشخصه عملکرد توان عملیاتی

درک حداقل قدرت اجرای P min برای وسیله NEMS تشدیدی می تواند توسط درک اینکه مبدل به طور ساده یک وسیله ذخیره انرژی از دست رفته است بدست آید. انرژی که به وسیله منتقل میگردد و در فواصل زمانی Q/ω0 ~ T اتلاف می شود فرمان شروع و پایان مبدل خوانده می شود. حداقل توان عملیاتی برای سیستم به عنوان انرژی که سیستم را در دانه های قابل مقایسه با آن دسته از نوسانات گرمایی،تحریک می کندبا تعیین K_BT نوسانات گرمایی حداقل قدرت ورودی می تواند توسط فرمول زیر تخمین زده شود.

(1) P min ~kBTΩo/Q

برای وسیله NEMS که امروزه از طریق لیتوگرافی پرتو در دسترس می باشد، ویژگی سطح قدرت پایین در ردیف(10^17w)10aw قرار دارد. حتی اگر ما این مقدار را در ضریب 1000000 ضرب کنیم وبعد از آن عملکرد یک میلیون از چنین ابزاری برای درک بعضی از سیستم های محاسبه یا پردازشگر مکانیکی بر اساس NEMS که در آینده بکار می رود را مشاهده کنیم، سطوح قدرت سیستم کلی هنوز بر اساس µw 1 قرار دارد. این 6 مرتبه مقدار پیچیدگی کمتری از اتلاف قدرت در سیستم های جریان مشابه مبنی بر ابزارات دیجیتالی است که در محدوده الکترونیکی به تنهایی کار می کنند.

5-2 پاسخ گویی ( واکنش پذیری)

این امکان وجود دارد که تکنولوژی MEMS با مقیاس کوچک را برای بدست آوردن فرکانس های بالا به کار بگیریم . این شیوه ، با این وجود دارای مضرات جدی و قابل ملاحظه ای می باشد که درک محدوده کامل توانایی هایی که توسط تکنولوژی NEMS ارائه شده است را محدود می کند. برای تشریح این مقوله ما باید مجددا بحث مان را بر روی پرتوهای گرفته شده به طور مضاعفL/t,L/W معطوف کنیم. دستیابی به فرکانس بالا با ساختارهای با مقیاس میکرون فقط با نسبت های کوچک واحد ترتیبی اتفاق می افتد. چنین هندسه هایی مقدار ثابت نیروی بالایی keff را به وجود می آورند.

تصویر 5) اندازه گیری فشار و کشش داخلی در مبدل های پرتو نانوالکترونیک در اینجا پرتو در معرض نیروی F_dcو همچنین نیروی تحریک کوچک در اطراف فرکانس شدت قرار دارد. تأثیر شبکه تغییر ω δ در ω_o می باشد. F_dcتوسط عبور جریان dc در طول پرتو در رشته مغناطیسی ایستا تولید می شود. تغییر فرکانس داده های Sω/ωo در مقابل F_dcدر طول واحد پرتو IdcB برای سه مقاومت مغناطیسی مختلف B به وجود می آید. انحنای واضحی که در پایین ترین قسمت قرار دارد و دارای ارزش می باشد می تواند به تأثیر گرمایی نسبت داده شود چرا که برای بدست آوردن F_dc مشابه، J_dcبزرگتر در B پایین تر مورد نیاز است. آنالیز ساده با استفاده از تئوری الاستیکی نشان می دهد که ω δ مثبت است و در اطراف F_∂c═0 در مبدل پرتو بدون فشار به طور متقارن وجود دارد. یک مبدل با فشار داخلی، با وجود این، یک تغییر را در ω/ωo δ به وجود می آورد که با داده های ارائه شده ثابت می گردد.

Keff بزرگ می تواند به ترتیب بر موارد زیر تأثیر بگذارد : الف) دامنه دینامیک قابل دسترسی ب) توانایی هماهنگی ابزار با استفاده از سیگنال های کنترل پ) کسب حداکثر Q (از طریق به حداقل رساندن اشعه های صوتی به پشتیبانی یعنی محار کردن تلفات) و ت) سطوح تحریک شده مورد نیاز برای القای پاسخ های غیرخطی. تمام این ویژگی ها در بعد و متغیر ساختارهای نسبی بهینه سازی می شود یعنی ساختارهای با هندسه هایی که اخیرا در MEMS مورد استفاده قرار می گیرد اما در تمام جهات ابعاد مقیاس نانوNEMS را کاهش می دهد: Keff محاسبه شده و سایر پارامترهای حائز اهمیت برای NEMS های مختلف در طول ابعاد شان در جدول شماره 1 آورده شده است.

جدول 1: ویژگی های مهم برای خانواده ای از پرتوهای δi باگیر کردن مضاعف با p=10000 در T=300K مقدار ثابت نیروی موثر K_eff= 23 Et³ w/L³ برای بارگیری نقطه ای در مرکز پرتو تعیین می شود. دامنه غیر خطی C> با استفاده از معیار توصیف شده در متن مشخص شده است. دامنه دینامیکی خطی محدود ترمومکانیکی برای عرض نواراصلی پرتو محاسبه­می شود­جائیکه جرم موثر برای حالت اساسی است که M_tot کل جرم پرتو است.

بررسی سیستم های نانوالکترومکانیک (NEMS)فرکانسویژگی های NEMS

بررسی انکدر دوار که انکدور محور (‌Shaft encoder)

انکدر دوار که انکدور محور (‌Shaft encoder) نیز نامیده می شود عبارتست از یک دست الکترومکانیکی که برای تبدیل موقعیت زاویه‌ای (θ) یک محور انتقال به یک کمیت آنالوگ و یا یک کد دیجیتال استفاده می شود این وسیله که در واقع نوعی ترانزیستور( مبدل ) به شمار می آید در جاهایی چون رباتیک ،‌در بالای لنزهای عکاسی ، در دستگاه های ورودی کامپیوتر ( از قبیل موس های

دسته بندی	مکانیک
فرمت فایل	doc
حجم فایل	22 کیلو بایت
تعداد صفحات فایل	21

دریافت فایل

فروشنده فایل

کد کاربری 8044

تمام فایل ها

انکدر دوار :

انکدر دوار که انکدور محور (‌Shaft encoder) نیز نامیده می شود عبارتست از یک دست الکترومکانیکی که برای تبدیل موقعیت زاویه‌ای (θ) یک محور انتقال به یک کمیت آنالوگ و یا یک کد دیجیتال استفاده می شود این وسیله که در واقع نوعی ترانزیستور( مبدل ) به شمار می آید : در جاهایی چون رباتیک ،‌در بالای لنزهای عکاسی ، در دستگاه های ورودی کامپیوتر ( از قبیل موس های اپتومکانیکی و...) و در ایستگاه های رادار دوار استفاده می گردند .

این دستگاه ها دو نوع عمده دارند : نوع مطلق (absolute type) و نوع افزایشی (Ineremental)

انکدر دوار مطلق :

ساختمان انکدر

نوع دیجیتال آن به ازای هر زاویة‌مشخص از محور (θ) یک کد دیجیتال منحصر به فرد ایجاد می کند . یک ورق فلزی ( برش یافته با مکانیسمی پیچیده ) به یک دیسک جدا کننده که کاملاً‌با محور درگیر می باشد چسبیده شده است .

یک سری کنتالتهای لغزان بر روی یک هستة ساکن فیکس شده اند . به طوری که هر کنتاکت در مقابل ورقة‌فلزی در فواصل مختلف از محور جاروب می شود. هنگامی که دیسک به همراه محور می چرخد تعدادی از کنتاکت ها با ورق فلزی در تماس قرار می گیرند . درحالی که بقیه در درون gap قرار می گیرند جایی که ورقه دارای شیار (‌بریدگی ) است این ورقة‌ فلزی به یک منبع جریان الکتریکی وهر کنتاکت به یک سنسور الکتریکی مجزا متصل است . ورقه فلزی طوری طراحی شده است که هر موقعیت زاویه‌ای ممکن برای محول تولید یک کد باینری منحصر به فرد می کند که در آن برخی کنتاکت ها به منبع جریان متصل می شوند . و دیگر کنتاکتها در حالت Off باقی می مانند. این کد را می توان توسط قطعات کنترلی از قبیل میکروپروسسور ، برای مشخص کردن زاویة محور ( Shaft) دیگر کرد .

آنکدر آنالوگ مطلق یک کد آنالوگ دوتایی منحصر به فرد تولید می کند که می تواند با استفاده از الگوریتم های خاص به صورت موقعیت زاویه‌ای مطلق محور دیگر شود .

انکدینگ باینری استاندارد :

انکدر دوار برای دستگاه های اندازه گیری زاویه ، 3 بیتی هستند . درونی ترین حلقه معادل کنتاکت 1 در جدول است سکتورهای سیاه On هستند درجه های صفر در سمت راست و افزایش زاویه در جهت پادساعتگرد است . مثالی از کد باینری در یک انکدر بسیار ساده با سه کنتاکت در زیر نشان داده شده است .

Angle	Contact3	Contact2	Contact1	Sectore

در حالت کلی ، اگر n‌، کنتاکت وجود داشته باشد، تعداد موقعیت های مجزای محور برابر 2ⁿ خواهد بود در این مثال n‌برابر 3 و لذا 2³=8 موقعیت مختلف می توان برای محور در نظر گرفت .

در انکدر ارائه شده در مثال فوق ، کنتاکتها یک شمارش باینری استاندارد به عنوان چرخش های محور تولید می کنند . البته یک مشکل وجود دارد و آن اینکه چنانچه دیسک در بین دو سکتورمجاور قرار گیرد و یا به عبارت دیگر کنتاکتها به طور کامل در یک خط قرار نگیرند‌، امکان تعیین زاویة محور وجود نخواهد داشت . برای روشن شدن این مسئله ، حالتی را در نظر بگیرید که زاویة‌محور از 179.9º به 180.1º تغییر میکند (‌تغییر حالت از سکتور 3 به سکتور 5) در این حالت چه اتفاقی می افتد ؟

در چند لحظه طبق جدول فوق ، طرح کنتاکتها از حالت OFF-ON-ON به حالت ON- OFF- OFF تغییر می یابد . اما در واقع این اتفاق نمی افتد در یک سیستم عملی ، کنتاکتها هرگز کاملاً در یک خط قرار نمی گیرند .

و بنابراین هر کدام در یک لحظه متفاوت سوئیچ می شوند نه به طور همزمان . چنانچه ابتدا کنتاکت 1 سوئیچ شود به دنبال آن کنتاکت 3 و سپس کنتاکت 2 سوئیچ می شود .

برای مثال ترتیب واقعی کدها به صورت زیر خواهد بود :

در حالت ابتدایی	OFF-ON- ON
حالت اول :‌کنتاکت ON1 می شود	ON- ON - ON
حالت دوم : کنتاکت OFF3 می شود	ON – ON – OFF
حالت سوم : کنتاکت OFF2 می شود	ON- OFF- OFF

حال به سکتورهای متناظر با این کدها در جدول دقت کنید . به ترتیب داریم 7.8.4 و سپس 5.

بنابراین با توجه به ترتیب کدهای تولید شده ، به نظر می رسد که محور از سکتور 4 به سکتور 8 پرش کرده است و سپس به عقب برگشته (‌به سکتور 7) ودر نهایت باز هم به عقب بر می گردد ( سکتور 5) و این جایی است که انتظار می رفت محور در آنجا یافت شود . در بسیاری از مواقع ، این رفتار نامطلوب است و می تواند منجر به خرابی سیستم گردد. برای مثال ، چنانچه انکدر در بازوی یک ربات استفاده شود ، کنترلر ممکن است فکر کند که بازو در موقعیت اشتباه قرار گرفته است و در نتیجه با چرخش آن حول و حوش 180º سعی در تصحیح خطای مذکور نماید که این امر ممکن است منجر به آسیب دیدن بازوی ربات گردد.

گری انکدینگ Gary en coding

انکدر دوار برای دستگاه های اندازه گیری زاویه توسط 3 بیت کدگری منعکس شدة باینری مشخص می شوند دورنی ترین حلقه متناظر با کنتاکت 1 در جدول است سکتورهای سیاه on هستند درجه های صفر در سمت راست و افزایش زاویه در جهت پادساعتگرد است.

برای رفع مشکل موجود در انکدر ارائه شدة قبلی از گری انکدینگ استفاده شده است.

این یک سیستک باینری شمارش است که در آن دو کد مجاور تنها در یک مکان اختلاف دارند برای مثال سه کنتاکت ارائه شده قبلی ، نسخة کد شده باکری چنین خواهد بود :

Angle	Contact3	Contact2	Contact1	Sectore

در این مثال انتقال از سکتور 4 به سکتور 5، مانند دیگر انتقالها ، شامل تغییر حالت یک کنتاکت از حالت on‌به off و یا برعکس می باشد این بدان معناست که ترتیب کدهای اشتباه نشان داده شده در مثال قبل در این حالت نمی تواند رخ دهد .

انکدر دوار افزایشی incremental rotary encoder

انکدرهای دوار افزایشی ، به عنوان انکدر های ربعی quadrature encoder نیز شناخته می شوند . این نوع انکدرها (‌که انکدرهای دوار اضافی relative rotary encodery نیز نامیده می شوند. دارای دو خروجی هستند که خروجی های ربعی نام دارند. آنها می توانند به دو صورت مکانیکی یا نوری باشند . در نوع نوری دو track کد شده باگری وجود دارد ، در حالی گرانکدرهای از نوع مکانیکی دارای دو کنتاکت هستند که توسط بادامک های روی محور گردان تحریک می شوند . این نوع انکدرها نیاز به debouance دارند و نوعاً به عنوان پتانسیومترهای دیجیتال روی تجهیزات شامل دستگاه های مصرف کننده استفاده می شوند. امروزه اغلب برای استریوهای جدید خانگی و یا اتومبیل از انکدرهای دوار مکانیکی جهت صوت استفاده می کنند. به خاطر این واقعیت که سوئیچ های مکانیکی به debouncing نیاز دارند‌، انواع مکانیکی آنها تنها به حرکت های دورانی محدود شده اند.

انکدرهای دوار افزایشی به سبب پایین بودن قیمت شان ( فقط به دو سنسور نیاز دارند ) نسبت به سایر انکدرها‌، بسیار بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. این واقعیت که انکدرهای افزایشی تنها از دو سنسور استفاده می کنند، خللی در دقت آنهاایجاد نمی کند. طوری که هم اکنون می توان انکدرهای افزایشی با بیش از 000/10 شمارش در هر دور چرخش در بازار یافت .

این انکدر می تواند دارای سه خروجی دلخواه باشد . خروجی مرجع که به ازای هر چرخش یک بار رخ می دهد و در مواردی کاربرد دارد که نیاز به یک مرجع مطلق باشد ، به طور مثال سیستم های موقعیت سنج .

نوع اپتیکال (‌نوری ) انکدرها در مواردی کاربرد دارند که با RPM های بالاتر (سرعت‌های بالا) مواجه باشیم و یا در مواردی که درجة دقت بسیار بالا مورد نیاز باشد.

انکدرهای افزایشی به منظور دنبال نمودن حرکت به کار می رود . به علاوه آنها می توانند برای تعیین موقعیت وسرعت نیز به کار روند که این سرعت می تواند سرعت خطی و یا چرخشی باشد. توانایی تشخیص جهت این انکدرها امکان اندازه گیری های بسیار دقیق درموارد مختلف را به وجود می آورد .

بررسی انکدر دوار که انکدور محور (‌Shaft encoder)ساختمان انکدرانکدینگ باینری استاندارد