Bài giảng nhập môn kỹ thuật cơ khí chương 3 pgs ts bùi ngọc tuyên

Các vấn đề này xuấthiện thường xuyên như là một phần của quá trình thiết kế kỹ thuật.- Giới thiệu qúa trình cơ bản các KS cơ khí sử dụng để phân tích các vấn đề kỹthuật, tạo ra giải pháp

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Chương 3 Các vấn đề kỹ thuật và phương thức trao đổi thông tin

3.1 Tổng quan

3.2 Tiếp cận chung để giải quyết một vấn đề kỹ thuật

3.3 Các hệ thống đơn vị đo và chuyển đổi

3.3.1 Đơn vị đo cơ sở

3.3.2 Hệ thống đơn vị đo quốc tế

3.3.3 Hệ thống đơn vị đo của Mỹ

3.3.4 Chuyển đổi các hệ thống đơn vị đo

3.4 Các chữ số có nghĩa

3.5 Sự thống nhất kích thước

3.6 Kỹ thuật ước lượng

3.7 Phương thức trao đổi thông tin trong kỹ thuật

3.7.1 Trao đổi bằng văn bản

3.7.2 Trao đổi bằng đồ họa

3.7.3 Trình bày vấn đề kỹ thuật

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 3.1 Tổng quan

- Giới thiệu các bước cơ bản người KS phải thực hiện khi giải quyết các vấn đề

kỹ thuật và thực hiện các tính toán trong công việc hàng ngày Các vấn đề này xuất

hiện thường xuyên như là một phần của quá trình thiết kế kỹ thuật

- Giới thiệu qúa trình cơ bản các KS cơ khí sử dụng để phân tích các vấn đề kỹ

thuật, tạo ra giải pháp và có thể kết nối, trao đổi với các thành viên khác

- Tìm hiểu các đại lượng thường gặp khi giải quyết vấn đề kỹ thuật như lực, mô

men, tính dẫn nhiệt, ứng suất trượt, độ nhớt chất lỏng, mô dun đàn hồi, động năng,

số Reynolds, nhiệt dung riêng Mỗi đại lượng này được biểu diễn gồm hai thành

phần: giá trị số và thứ nguyên

- Giới thiệu các khái niệm cơ bản về các hệ thống đơn vị, chuyển đổi giữa các

hệ thống này và trình tự kiểm tra tính đúng về thứ nguyên

- Giới thiệu kỹ thuật ước lượng

- Giới thiệu các kỹ năng trao đổi thông tin trong kỹ thuật cơ khí

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Relationship of the topics emphasized in this chapter (shaded boxes) relative to an

overall program of study in mechanical engineering

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 3.2 Tiếp cận chung để giải quyết một vấn đề kỹ thuật

1 Tiếp cận (Approach)

- Trước tiên người KS cần có kế hoạch giải quyết vấn đề ở trong đầu Sau đó hãy viết

ra mô tả ngắn gọn vấn đề, liệt kê các khái niệm chính, các giả thiết, các phương

trình, các hệ số chuyển đổi

- Đưa ra tập các giả thiết phù hợp, ảnh hưởng đến việc giải quyết chính xác vấn đề,

nhận dạng các thông tin cho trước, tổng hợp các tvaans đề đã biết và chưa biết, xác

định phạm vi vấn đề cần giải quyết

2 Giải pháp (Solution)

- Giải pháp người KS đưa ra thường thông qua các văn bản, các sơ đồ mô tả các tính

toán, các bước thực hiện Nếu có thể người KS cần có các bản vẽ mô tả đơn giản hệ

thống vật lý đang khảo sát, đặt tên cho các bộ phần chính, xác định các kích thước cơ

bản

3 Thảo luận (Discussion)

- Sử dụng trực giác xác định xem giá trị đại lượng tính toán, thiết kế có hợp lý không

- Đánh giá các giả thiết đưa ra có hợp lý không

- Nhận dạng các kết luận chính, rút ra từ giả pháp đề xuất, giải thích câu trả lời của

mình xét trên quan điểm vật lý

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 3.3 Các hệ thống đơn vị đo và chuyển đổi

Các đại lượng vật lý được quy định đơn vị trong hai hệ thống :

Hệ thống đơn vị thông dụng của Mỹ (United States Customary systems (USCS)

Hệ thống đơn vị quốc tế (International System of Units = Systeme International

d’Unites or SI)

3.3.1.Đơn vị đo cơ sở và đơn vị đo dẫn xuất (Base and Derived Units)

 Một đơn vị cơ sở là một đại lượng cơ bản không thể chia nhỏ hơn hoặc biểu diễn

qua các phần tử đơn giản hơn Các đơn vị cơ sở độc lập với nhau và tạo thành các

khối đơn vị lõi của một hệ thống đơn vị VD: đơn vị cơ sở đo chiều dài trong hệ

SI là mét (m), còn trong hệ USCS là foot (ft)

 Các đơn vị dẫn xuất là các tổ hợp hoặc nhóm từ một số đơn vị cơ sở VD; một

đơn vị dẫn xuất là tốc độ (chiều dài/ thời gian) là tổ hợp từ các đơn vị cơ sở đo

chiều dài và đo thời gian

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 3.3.2 Hệ thống đơn vị đo quốc tế SI

Đại lượng

(Quantity)

Đơn vị cơ sở theo tiêu chuẩn SI (SI Base Unit)

Ký hiệu viết tắt (Abbreviation)

Khối lượng (Mass) Ki lô gam (kilogram) kg

Cường độ dòng điện

(Electric current)

Lượng chất

(Amount of substance)

Cường độ chiếu sáng

(Light intensity)

Bảng 3.1: Các đơn vị cơ sở trong hệ thống đơn vị đo lường SI

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 1960: hệ thống đơn vị quốc tế (SI) được thống nhất như là một tiêu chuẩn chung

trên toàn thế giới bao gồm 7 đơn vị đo cơ sở như trình bày trong bảng 3.1 Hệ này

còn được gọi là hê mét và để thuận tiện người ta còn dùng các bội số gấp 10 hoặc

ước số chia mười cho các đơn vị trên

- Thế kỷ 18: Mét chuẩn được định nghĩa là tương đương một phần mười triệu

chiều dài của cung kinh tuyến xuất phát từ Bắc cực, qua Paris và kết thúc ở xích

đạo Sau đó được định nghĩa là chiều dài của một thanh chuẩn làm bằng hợp kim

Platinum-Iridium,…

- Thế kỷ 18: một kilogram được định nghĩa là bằng khối lượng của 1000 cm3nước

Ngày nay một kilogram được xác định bằng khối lượng của một mẫu vật lý làm

bằng hợp kim Platinum-Iridium được gọi là kilogram tiêu chuẩn…

- ……

- Các đơn vị dẫn xuất của SI được trình bày trong bảng 3.2 Newton (N) là một đơn

vị dẫn xuất đo lực được định nghĩa như là một lực tạo ra cho vật có khối lượng là

1 kg gia tốc là 1m/ s2:

1𝑁 = (1 𝑘𝑔)(1 ) = 1 .

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)

Đại lượng

(Quantity)

Đơn vị dẫn xuất SI (SI Derived Unit)

Ký hiệu viết tắt (Abbreviation)

Định nghĩa (Defination) Chiều dài (Length) micrometer /micron µm 1 µm = 10-6 m

Mô men (Torque, or

moment of a force)

Áp suất hoặc ứng suất

(Pressure or stress)

Năng lượng, công hoặc

nhiệt (Energy, work, or

heat)

Công suất

(Power)

Nhiệt độ (Temperature) degree Celsius 0C 0C = K – 273,15

Bảng 3.2: Các đơn vị dẫn xuất trong hệ thống đơn vị đo lường SI

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Bảng 3.3: Các tiền tố về độ lớn trong SI (Order-of-Magnitude Prefixes in the SI)

Tên (Name) Ký hiệu (Symbol) Hệ số nhân

(Multiplicative Factor)

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 3.3.3 Hệ thống đơn vị đo Mỹ (USCS)

 USCS có nguồn gốc từ nước Anh, tuy nhiên hiện nay chủ yếu được sử dụng tại Mỹ

 7 đơn vị cơ sở của USCS là: foot, pound, second, ampere, degree Rankine, mole,

candela

 Các khác biệt cơ bản giữa 2 hệ USCS và SI:

- Khối lượng là đơn vị cơ sở trong SI (kg), trong khi lực là đơn vị cơ sở trong USCS

(lb)

- Trong USCS có hai đơn vị khác nhau cho khối lượng là pound-mass (lbm) và slug

1 slug = 1 𝒍𝒃.𝒔𝒃𝟐

𝒇𝒕

1 lb = (1 slug)(1 𝒔𝒇𝒕𝟐) = 1𝒔𝒍𝒖𝒈 𝒇𝒕𝒔𝟐

1 lbm = 𝟑𝟐,𝟏𝟕𝟒 𝒇𝒕/𝒔𝟏 𝒍𝒃 𝟐= 3.1,081 x 10 -2𝒍𝒃.𝒔𝟐.

𝒇𝒕

1 slug = 32,174 lbm 1 lbm = 3,1081 x 10-2slugs 1 lbm = 0,45359237 kg

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)

Đại lượng

(Quantity)

Đơn vị cơ sở theo USCS (USCS Base Unit)

Ký hiệu viết tắt (Abbreviation)

Cường độ dòng điện

(Electric current)

Nhiệt độ (Temperature) Degree Rankine 0R

Lượng chất

(Amount of substance)

Cường độ chiếu sáng

(Light intensity)

Bảng 3.4: Các đơn vị cơ sở trong hệ thống đơn vị đo lường Mỹ USCS

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)

Đại lượng

(Quantity)

Đơn vị dẫn xuất (Derived Unit)

Ký hiệu viết tắt (Abbreviation)

Định nghĩa (Defination) Chiều dài (Length) mil

inch mile

mil in

mi

1 mil = 0,001 in

1 in = 0,0833 ft

1 mi = 5280 ft

Khối lượng (Mass) slug

pound-mass

slug lbm

1 slug = 1 (lb.s2)/ft

1 lbm = 3.1081 x 10-2

(lb.s2)/ft

ton

oz ton

1 oz = 0,0625 lb

1 ton = 2000 lb

Mô men (Torque, or

moment of a force)

-Bảng 3.5 Các đơn vị dẫn xuất trong hệ thống đơn vị đo lường Mỹ USCS

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)

Đại lượng

(Quantity)

Đơn vị dẫn xuất (Derived Unit)

Ký hiệu viết tắt (Abbreviation)

Định nghĩa (Defination)

Áp suất hoặc ứng suất

(Pressure or stress)

Năng lượng, công

hoặc nhiệt (Energy,

work, or heat)

foot-pound British thermal unit

ft.lb Btu

-1 Btu = 778,2 ft.lb Công suất (Power) horsepower hp 1 hp = 550 (ft.lb)/s

Nhiệt độ

(Temperature)

degree Fahrenheit 0F 0F = 0R – 459,67 Bảng 3.5 Các đơn vị dẫn xuất trong hệ thống đơn vị đo lường Mỹ USCS (tiếp)

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 3.3.4 Chuyển đổi giữa 2 hệ thống SI và USCS

Giá trị số trong một hệ thống đơn vị có thể chuyển sang giá trị số tương đương

trong hệ thống khác thông qua các hệ số chuyển đổi đơn vị Các hệ số chuyển đổi giữa

các đại lượng về lĩnh vực kỹ thuật cơ khí trong 2 hệ SI và USCS được trình bày trong

bảng 3.6

Các bước thực hiện:

1. Viết đại lượng cần chuyển đổi gồm cả con số và thứ nguyên (có thể ở dạng thập

phân như kg/s hay N/m)

2. Xác định đơn cị cần chuyển đổi sang

3. Nếu có các đơn vị dẫn xuất như L, Pa, N, lbm, mi có mặt trong đại lượng, có thể

phân tích chúng theo định nghĩa thành các đơn vị cơ sở Ví dụ:

Pa = = ( ) ( . )= .

4. Nếu đại lượng đã cho có tiền tố không phù hợp với các hệ số chuyển đổi thì

chuyển về đơn vị cơ sở theo bảng định nghĩa các tiền tố (bảng 3.3) Ví dụ : 1 Kn =

1000 N

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)

5. Tìm hệ số chuyển đổi thích hợp trong bảng 3.6 và nhân hoặc chia đại lượng đã cho

với hệ số này

6. Áp dụng các luật đại số để loại bỏ các thứ nguyên khi tính toán để đưa thứ nguyên

của đại lượng cần chuyển đổi về đơn vị cuối cùng

 Ví dụ 1: Một động cơ gas có công suất 10 hp Hãy biểu diễn cônng suất trên theo

hệ đơn vị SI

P = (10 hp) (0,7457 ) = 7,457 Kw

 Ví dụ 2: Đặc tính kỹ thuật của một hệ thống dập lửa là lưu lượng nước cưu hỏa cosl

10 gal/phút Hãy biểu diễn lưu lượng trên trên theo hệ đơn vị SI

q = (10 ) ( ) (3,785 ) = 0,6308

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)

1 in = 0.0254 m

1 ft = 0.3048 m

1 mi = 1.609 km

1 mm = 3.9370 X 10“2in

1 m = 39.37 in

1 m = 3.2808 ft

1 km = 0.6214 mi

1 ft2= 9,2903 x 10-2m2

1 mm2 = 1,5500 x 10-3in2

1 mm2 = 10.7639 ft2

1 ft3 = 28,32 L

1 gal = 3.7854 x 10“3 m3

1 gal = 3.7854 L

1 m3 = 35.32 ft3 1L = 3.532 X 10“2ft3 1m3 = 264.2 gal 1L = 0.2642 gal

Bảng 3.6 Conversion Factors between Certain Quantities in the USCS and SI

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Bảng 3.6 Các hệ số chuyển đổi giữa USCS và SI (tiếp)

1 lbm = 0.45359 kg

1 kg = 6.38522 x 10-2slugs

1 kg = 2.2046 lbm

1 N = 0,22481 LB

1 psi l = 6,895 kPa

1 Pa = 1,450 x 10-4 psi

1 kPa = 0.1450 psi

1 Btu = 1055 J

1 J = 0.7376 ft Lb

1 J = 9,478 x 10-4Btu

1 hp = 0,7457 kW

1 W = 0,7376 (ft Lb)/s

1 kW = 1,341 hp

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)

3.4 Các chữ số có nghĩa

Chữ số có nghĩa cuối cùng sẽ cho biết độ chính xác của con số kích thước trình bày Độ

chính xác của con số kích thước trình bày sẽ bằng ½ giá trị chữ sô có nghĩa cuối cùng

The precision of a numerical value for force depends on the number of significant

digits that are reported The actual physical value lies in a range centered around the

reported value, (a) Two trailing digits, (b) Three trailing digits

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 3.5 Sự thống nhất kích thước (thứ nguyên)

Trong một phương trình về toán học, khoa học hay kỹ thuật, các tính toán phải

có sự nhất quán về kích thước Sự nhất quán về kích thước có nghĩa là các giá trị

số trong hai vế của phương trình phải phù hợp về thứ nguyên Hai đại lượng

cộng hoặc trừ cho nhau phải có cùng thứ nguyên

Nguyên tắc thống nhất kích thước đặc biệt hữu ích khi thực hiện các tính toán

liên quan đến khối lượng và lực trong hệ thống USCS

VD1: Xác định khối lượng của vật thể 1-slug

Trọng lượng: W = ( 1 slug) (32,174 ) = 32,174 . = 32,174 𝑙𝑏

 Khối lượng: m = 32,174 lbm

VD2: Xác định trọng lượng của vật thể có khối lượng 1lbm

Khối lượng: m= ( 1 lbm) (3,1081 x 10-2 ) = 3,1081 x 10-2 𝑠𝑙𝑢𝑔𝑠

Trọng lượng: m = 3,1081 x 10-2 𝑠𝑙𝑢𝑔𝑠 (32,174 ) = 1 . = 1 lb

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 3.6 Kỹ thuật ước lượng

 Trong giai đoạn đầu thiết kế, các KS cần thực hiện xấp xỉ khi giải quyết các vấn

đề kỹ thuật Các xấp xỉ này nhằm đưa hệ thống thực về dạng cơ bản với các

phần tử cần thiết nhất Xấp xỉ cũng nhằm loại bỏ các yếu tố phụ làm phức tạp

vấn đề, nhưng ít ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng

Các KS thực hiện các xấp xỉ sao cho mô hình toán của họ đơn giản nhất có thể

 Ước lượng độ lớn (Order-of-magnitude estimate): có ngụ ý là các đại lượng

được xem xét trong tính toán và cả trong kết quả cuối cùng có độ chính xác

khoảng 1/10

VD: một tính toán theo kiểu ước lượng này có thể ước lượng lực của một mối

ghép bu lông là 1000 lb, có ngụ ý lực này không nhỏ hơn 100 lb và không lớn hơn

10000 lb, nhưng nó có thể là 800 lb hay là 3000 lb

 Ưowcs lượng cung cấp một điểm khởi đầu cho các tính toán tiếp theo, khi các

thông tin được thu thập, các phân tích được cải thiện và thiết kế trơ nên tốt hơn

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 3.7 Các kỹ năng trao đổi thông tin trong kỹ thuật

3.7.1 Trao đổi bằng văn bản

- Trong khi tiếp thị, các thông tin về sản phẩm được cung cấp cho khách hàng

thông qua quảng cáo, Facebook,…

- Các KS trao đổi thông tin hàng ngày thông qua các văn bản, sổ tay, báo cáo,

hướng dẫn sử dụng, hướng dẫn lắp đặt, email,…

- Một phương pháp hiệu quả trong xây dựng các dự án kỹ thuật là sử dụng sổ tay

thiết kế (Design notebook) mô tả đầy đủ lịch sử quá trình phát triển sản phẩm

3.7.2 Trao đổi bằng đồ họa

- Một yếu tố không thể thiếu trong báo cáo kỹ thuật là các tài liệu trao đổi về đồ

họa như là các bản vẽ, đồ thị, biểu đồ, bảng biểu

- Các KS trao đổi thông tin thiết kế thông qua các bản vẽ phác thảo, bản vẽ lắp

tổng thể, bản vẽ chế tạo, bản vẽ mô hình 3D, các file CSDL CAD/CAM,…

3.7.3 Trình bày vấn đề kỹ thuật

- Các KS cần có khả năng trình bày các vấn đề kỹ thuật thông qua các buổi họp

nhóm, thảo luận, trao đổi kỹ thuật với công nhân, người quản lý,…cũng như thuyết

trình trong các hội thảo chuyên ngành