Mesin
Mesin adalah sistem fisik yang menggunakan tenaga untuk menerapkan gaya dan mengontrol gerakan untuk melakukan suatu tindakan. Istilah ini biasanya diterapkan pada perangkat buatan, seperti mesin atau motor, tetapi juga pada makromolekul biologis alami, seperti mesin molekuler. Mesin dapat digerakkan oleh hewan dan manusia, oleh kekuatan alam seperti angin dan air, dan oleh bahan kimia, panas, atau tenaga listrik, dan mencakup sistem mekanisme yang membentuk input aktuator untuk mencapai aplikasi kekuatan dan gerakan keluaran tertentu. Sistem ini juga dapat mencakup komputer dan sensor yang memantau kinerja dan merencanakan gerakan, yang sering disebut sistem mekanis.
Para filsuf alam Renaisans mengidentifikasi enam mesin sederhana yang merupakan perangkat dasar yang membuat beban bergerak, dan menghitung rasio gaya output terhadap gaya input, yang saat ini dikenal sebagai keunggulan mekanis.
Mesin modern adalah sistem kompleks yang terdiri dari elemen struktural, mekanisme, dan komponen kontrol, serta memiliki antarmuka agar mudah digunakan. Contohnya meliputi: berbagai macam kendaraan, seperti kereta api, mobil, kapal, dan pesawat terbang; peralatan di rumah dan kantor, termasuk komputer, sistem penanganan udara gedung dan penanganan air; serta mesin pertanian, peralatan mesin, dan sistem otomasi pabrik dan robot.
Etimologi
Kata machine dalam bahasa Inggris berasal dari bahasa Prancis Pertengahan dari bahasa Latin machina, yang pada gilirannya berasal dari bahasa Yunani (bahasa Doric μαχανά makhana, bahasa Ionic μηχανή mekhane 'alat, mesin, mesin', turunan dari μῆχος mekhos 'sarana, cara, alat'). Kata mekanik (bahasa Yunani: μηχανικός) berasal dari akar kata yang sama. Arti yang lebih luas dari 'kain, struktur' ditemukan dalam bahasa Latin klasik, tetapi tidak dalam penggunaan bahasa Yunani. Makna ini ditemukan dalam bahasa Prancis pada akhir abad pertengahan, dan diadopsi dari bahasa Prancis ke dalam bahasa Inggris pada pertengahan abad ke-16.
Pada abad ke-17, kata machine juga dapat berarti skema atau plot, sebuah makna yang sekarang diungkapkan oleh kata turunan machination. Makna modern berkembang dari aplikasi khusus istilah tersebut untuk mesin panggung yang digunakan dalam teater dan mesin pengepungan militer, baik pada akhir abad ke-16 dan awal abad ke-17. OED melacak makna formal dan modern ke Lexicon Technicum (1704) karya John Harris, yang memiliki:
Mesin, atau Mesin, dalam bahasa Inggris Mechanicks, adalah segala sesuatu yang memiliki kekuatan yang cukup untuk menaikkan atau menghentikan gerakan suatu benda. Mesin Sederhana biasanya dianggap terdiri dari enam jenis, yaitu Ballance, Leaver, Katrol, Roda, Baji, dan Sekrup. Mesin Majemuk, atau Mesin, tidak terhitung banyaknya.
Kata mesin yang digunakan sebagai sinonim (hampir) baik oleh Harris maupun dalam bahasa selanjutnya pada akhirnya berasal (melalui bahasa Prancis Kuno) dari bahasa Latin ingenium 'kecerdikan, penemuan'.
Sejarah
Kapak tangan, yang dibuat dengan cara memotong batu api untuk membentuk baji, di tangan manusia mengubah gaya dan gerakan alat menjadi gaya pembelah melintang dan gerakan benda kerja. Kapak tangan adalah contoh pertama dari baji, yang tertua dari enam mesin sederhana klasik, yang menjadi dasar sebagian besar mesin. Mesin sederhana tertua kedua adalah bidang miring (ramp), yang telah digunakan sejak zaman prasejarah untuk memindahkan benda-benda berat.
Empat mesin sederhana lainnya ditemukan di Timur Dekat kuno. Roda, bersama dengan mekanisme roda dan poros, ditemukan di Mesopotamia (Irak modern) selama milenium ke-5 SM. Mekanisme tuas pertama kali muncul sekitar 5.000 tahun yang lalu di Timur Dekat, di mana tuas digunakan dalam timbangan sederhana, dan untuk memindahkan benda-benda besar dalam teknologi Mesir kuno. Tuas juga digunakan pada alat pengangkat air shadoof, mesin derek pertama, yang muncul di Mesopotamia sekitar 3000 SM, dan kemudian pada teknologi Mesir kuno sekitar 2000 SM. Bukti paling awal tentang katrol berasal dari Mesopotamia pada awal milenium ke-2 SM, dan Mesir kuno pada masa Dinasti Keduabelas (1991-1802 SM). Sekrup, mesin sederhana terakhir yang ditemukan, pertama kali muncul di Mesopotamia selama periode Neo-Assyria (911-609 SM). Piramida Mesir dibangun dengan menggunakan tiga dari enam mesin sederhana, yaitu bidang miring, baji, dan pengungkit.
Tiga dari mesin sederhana dipelajari dan dijelaskan oleh filsuf Yunani Archimedes sekitar abad ke-3 SM: tuas, katrol, dan sekrup. Archimedes menemukan prinsip keuntungan mekanis pada tuas. Para filsuf Yunani kemudian mendefinisikan lima mesin sederhana klasik (tidak termasuk bidang miring) dan dapat secara kasar menghitung keuntungan mekanisnya. Pahlawan Alexandria (sekitar 10-75 M) dalam karyanya Mechanics mencantumkan lima mekanisme yang dapat "menggerakkan beban"; tuas, mesin kerek, katrol, baji, dan sekrup, dan menjelaskan fabrikasi dan penggunaannya. Namun, pemahaman orang Yunani terbatas pada statika (keseimbangan gaya) dan tidak termasuk dinamika (pertukaran antara gaya dan jarak) atau konsep kerja.
Mesin bertenaga angin praktis yang paling awal, kincir angin dan pompa angin, pertama kali muncul di dunia Muslim pada Zaman Keemasan Islam, di tempat yang sekarang disebut Iran, Afganistan, dan Pakistan, pada abad ke-9 M. Mesin bertenaga uap yang paling awal adalah dongkrak uap yang digerakkan oleh turbin uap, yang digambarkan pada tahun 1551 oleh Taqi ad-Din Muhammad bin Ma'ruf di Mesir Utsmaniyah.
Mesin pemintal kapas ditemukan di India pada abad ke-6 Masehi, dan roda pemintalan ditemukan di dunia Islam pada awal abad ke-11, yang mana keduanya sangat penting bagi pertumbuhan industri kapas. Roda pemintalan juga merupakan pendahulu dari mesin pemintal jenny.
Mesin-mesin yang dapat diprogram paling awal dikembangkan di dunia Muslim. Sequencer musik, alat musik yang dapat diprogram, merupakan jenis mesin yang paling awal yang dapat diprogram. Sequencer musik pertama adalah pemain seruling otomatis yang ditemukan oleh Bani Musa bersaudara, yang dijelaskan dalam Buku Perangkat Cerdik mereka, pada abad ke-9. Pada tahun 1206, Al-Jazari menemukan automata/robot yang dapat diprogram. Dia menggambarkan empat musisi robot, termasuk pemain drum yang dioperasikan oleh mesin drum yang dapat diprogram, di mana mereka dapat dibuat untuk memainkan ritme yang berbeda dan pola drum yang berbeda.
Selama masa Renaisans, dinamika Kekuatan Mekanik, sebutan untuk mesin-mesin sederhana, mulai dipelajari dari sudut pandang seberapa banyak pekerjaan yang dapat mereka lakukan, yang pada akhirnya mengarah pada konsep baru tentang kerja mekanis. Pada tahun 1586, insinyur Flemish Simon Stevin memperoleh keuntungan mekanis dari bidang miring, dan itu dimasukkan ke dalam mesin-mesin sederhana lainnya. Teori dinamis lengkap tentang mesin sederhana disusun oleh ilmuwan Italia Galileo Galilei pada tahun 1600 dalam Le Meccaniche ("On Mechanics"). Dia adalah orang pertama yang memahami bahwa mesin sederhana tidak menciptakan energi, melainkan hanya mengubahnya.
Aturan klasik tentang gesekan geser pada mesin ditemukan oleh Leonardo da Vinci (1452-1519), namun tidak dipublikasikan dalam buku catatannya. Aturan tersebut ditemukan kembali oleh Guillaume Amontons (1699) dan dikembangkan lebih lanjut oleh Charles-Augustin de Coulomb (1785).
James Watt mematenkan hubungan gerak paralelnya pada tahun 1782, yang membuat mesin uap kerja ganda menjadi praktis. Mesin uap Boulton dan Watt serta desain selanjutnya menggerakkan lokomotif uap, kapal uap, dan pabrik.
Mesin Bonsack
Revolusi Industri adalah periode dari tahun 1750 hingga 1850 di mana perubahan di bidang pertanian, manufaktur, pertambangan, transportasi, dan teknologi memiliki pengaruh besar terhadap kondisi sosial, ekonomi, dan budaya pada masa itu. Revolusi ini dimulai di Inggris, kemudian menyebar ke seluruh Eropa Barat, Amerika Utara, Jepang, dan akhirnya ke seluruh dunia.
Dimulai pada akhir abad ke-18, mulai terjadi transisi di beberapa bagian Britania Raya yang sebelumnya menggunakan tenaga kerja manual dan ekonomi berbasis tenaga hewan ke arah manufaktur berbasis mesin. Hal ini dimulai dengan mekanisasi industri tekstil, pengembangan teknik pembuatan besi, dan peningkatan penggunaan batu bara yang dimurnikan.
Mesin-mesin sederhana
Gagasan bahwa sebuah mesin dapat diuraikan menjadi elemen-elemen sederhana yang dapat digerakkan membuat Archimedes mendefinisikan tuas, katrol, dan sekrup sebagai mesin sederhana. Pada masa Renaisans, daftar ini bertambah dengan menyertakan roda dan poros, baji, dan bidang miring. Pendekatan modern untuk mengkarakterisasi mesin berfokus pada komponen yang memungkinkan gerakan, yang dikenal sebagai sendi.
Baji (kapak tangan): Mungkin contoh pertama perangkat yang dirancang untuk mengelola daya adalah kapak tangan, yang juga disebut biface dan Olorgesailie. Kapak tangan dibuat dengan memotong batu, umumnya batu api, untuk membentuk tepi biface, atau baji. Baji adalah mesin sederhana yang mengubah gaya lateral dan gerakan pahat menjadi gaya pembelah melintang dan gerakan benda kerja. Tenaga yang tersedia dibatasi oleh upaya orang yang menggunakan alat tersebut, tetapi karena tenaga adalah hasil kali antara gaya dan gerakan, baji memperkuat gaya dengan mengurangi gerakan. Amplifikasi ini, atau keuntungan mekanis adalah rasio kecepatan input terhadap kecepatan output. Untuk baji, hal ini diberikan oleh 1/tanα, di mana α adalah sudut ujung. Permukaan baji dimodelkan sebagai garis lurus untuk membentuk sambungan geser atau prismatik.
Tuas: Tuas adalah perangkat penting dan sederhana lainnya untuk mengatur daya. Ini adalah benda yang berputar pada titik tumpu. Karena kecepatan titik yang lebih jauh dari poros lebih besar daripada kecepatan titik di dekat poros, gaya yang diterapkan jauh dari poros diperkuat di dekat poros oleh penurunan kecepatan yang terkait. Jika a adalah jarak dari poros ke titik di mana gaya input diterapkan dan b adalah jarak ke titik di mana gaya output diterapkan, maka a/b adalah keuntungan mekanis tuas. Titik tumpu tuas dimodelkan sebagai sambungan berengsel atau revolute.
Roda: Roda adalah mesin awal yang penting, seperti kereta. Roda menggunakan hukum tuas untuk mengurangi gaya yang dibutuhkan untuk mengatasi gesekan saat menarik beban. Untuk melihat hal ini, perhatikan bahwa gesekan yang terkait dengan menarik beban di tanah kurang lebih sama dengan gesekan pada bantalan sederhana yang mendukung beban pada poros roda. Namun, roda membentuk tuas yang memperbesar gaya tarikan sehingga mengatasi hambatan gesekan pada bantalan.
Klasifikasi mesin sederhana untuk memberikan strategi untuk desain mesin baru dikembangkan oleh Franz Reuleaux, yang mengumpulkan dan mempelajari lebih dari 800 mesin dasar. Dia mengakui bahwa mesin sederhana klasik dapat dipisahkan menjadi tuas, katrol, dan roda serta gandar yang dibentuk oleh benda yang berputar pada engsel, dan bidang miring, baji, dan sekrup yang serupa dengan balok yang meluncur di atas permukaan yang rata.
Mesin sederhana adalah contoh dasar dari rantai kinematik atau hubungan yang digunakan untuk memodelkan sistem mekanis mulai dari mesin uap hingga manipulator robot. Bantalan yang membentuk titik tumpu tuas dan yang memungkinkan roda dan gandar serta katrol berputar adalah contoh pasangan kinematik yang disebut sendi berengsel. Demikian pula, permukaan datar dari bidang miring dan baji adalah contoh pasangan kinematik yang disebut sendi geser. Sekrup biasanya diidentifikasi sebagai pasangan kinematiknya sendiri yang disebut sambungan heliks.
Kesadaran ini menunjukkan bahwa sambungan, atau koneksi yang memberikan gerakan, adalah elemen utama dari sebuah mesin. Dimulai dengan empat jenis sambungan, sambungan putar, sambungan geser, sambungan bubungan dan sambungan roda gigi, dan sambungan terkait seperti kabel dan sabuk, adalah mungkin untuk memahami mesin sebagai rakitan bagian padat yang menghubungkan sambungan-sambungan ini yang disebut mekanisme.
Dua tuas, atau engkol, digabungkan menjadi hubungan empat batang planar dengan memasang tautan yang menghubungkan output dari satu engkol ke input yang lain. Tautan tambahan dapat dipasang untuk membentuk hubungan enam batang atau secara seri untuk membentuk robot.
Sistem mekanis
Mesin Uap Boulton & Watt
Sistem mekanis mengelola daya untuk menyelesaikan tugas yang melibatkan gaya dan gerakan. Mesin modern adalah sistem yang terdiri dari (i) sumber daya dan aktuator yang menghasilkan gaya dan gerakan, (ii) sistem mekanisme yang membentuk input aktuator untuk mencapai aplikasi tertentu dari gaya dan gerakan output, (iii) pengontrol dengan sensor yang membandingkan output dengan tujuan kinerja dan kemudian mengarahkan input aktuator, dan (iv) antarmuka ke operator yang terdiri dari tuas, sakelar, dan tampilan. Hal ini dapat dilihat pada mesin uap Watt di mana tenaga disediakan oleh uap yang mengembang untuk menggerakkan piston. Balok berjalan, penggandeng, dan engkol mengubah gerakan linier piston menjadi putaran katrol keluaran. Akhirnya, putaran katrol menggerakkan flyball governor yang mengontrol katup untuk input uap ke silinder piston.
Kata sifat "mekanis" mengacu pada keterampilan dalam penerapan praktis dari suatu seni atau ilmu pengetahuan, serta berkaitan dengan atau disebabkan oleh gerakan, kekuatan fisik, sifat atau agen seperti yang ditangani oleh mekanik. Demikian pula Kamus Merriam-Webster mendefinisikan "mekanis" sebagai hal yang berkaitan dengan mesin atau alat.
Aliran daya melalui mesin memberikan cara untuk memahami kinerja perangkat mulai dari tuas dan kereta roda gigi hingga mobil dan sistem robotik. Mekanik Jerman Franz Reuleaux menulis, "mesin adalah kombinasi benda-benda yang tahan yang diatur sedemikian rupa sehingga dengan cara itu kekuatan mekanis alam dapat dipaksa untuk melakukan pekerjaan yang disertai dengan gerakan tertentu yang pasti." Perhatikan bahwa gaya dan gerakan bergabung untuk menentukan daya.
Baru-baru ini, Uicker dkk. menyatakan bahwa mesin adalah "perangkat untuk menerapkan daya atau mengubah arahnya." McCarthy dan Soh mendeskripsikan mesin sebagai sebuah sistem yang "secara umum terdiri atas sumber daya dan mekanisme untuk penggunaan daya yang terkendali."
Sumber daya
Tenaga manusia dan hewan merupakan sumber tenaga asli untuk mesin-mesin awal.
Kincir air: Kincir air muncul di seluruh dunia sekitar tahun 300 SM dengan menggunakan air yang mengalir untuk menghasilkan gerakan berputar, yang digunakan untuk menggiling biji-bijian, serta menggerakkan kayu, permesinan, dan operasi tekstil. Turbin air modern menggunakan air yang mengalir melalui bendungan untuk menggerakkan generator listrik.
Kincir angin: Kincir angin awal menangkap tenaga angin untuk menghasilkan gerakan berputar untuk operasi penggilingan. Turbin angin modern juga menggerakkan generator. Listrik ini pada gilirannya digunakan untuk menggerakkan motor yang membentuk aktuator sistem mekanis.
Mesin: Kata mesin berasal dari kata "kecerdikan" dan pada awalnya mengacu pada alat yang mungkin atau mungkin bukan alat fisik. Mesin uap menggunakan panas untuk mendidihkan air yang terkandung di dalam bejana bertekanan; uap yang mengembang menggerakkan piston atau turbin. Prinsip ini dapat dilihat pada aeolipile Pahlawan Alexandria. Ini disebut mesin pembakaran eksternal.
Mesin mobil disebut mesin pembakaran internal karena membakar bahan bakar (reaksi kimia eksotermik) di dalam silinder dan menggunakan gas yang mengembang untuk menggerakkan piston. Mesin jet menggunakan turbin untuk memampatkan udara yang dibakar dengan bahan bakar sehingga mengembang melalui nosel untuk memberikan daya dorong pada pesawat terbang, dan begitu juga dengan "mesin pembakaran internal".
Pembangkit listrik: Panas dari pembakaran batu bara dan gas alam dalam ketel uap menghasilkan uap yang menggerakkan turbin uap untuk memutar generator listrik. Pembangkit listrik tenaga nuklir menggunakan panas dari reaktor nuklir untuk menghasilkan uap dan tenaga listrik. Tenaga listrik ini didistribusikan melalui jaringan saluran transmisi untuk keperluan industri dan perorangan.
Motor: Motor listrik menggunakan arus listrik AC atau DC untuk menghasilkan gerakan rotasi. Servomotor listrik adalah aktuator untuk sistem mekanis mulai dari sistem robotik hingga pesawat terbang modern.
Tenaga Fluida: Sistem hidraulik dan pneumatik menggunakan pompa yang digerakkan secara elektrik untuk menggerakkan air atau udara ke dalam silinder untuk menggerakkan gerakan linier.
Elektrokimia: Bahan kimia dan material juga dapat menjadi sumber tenaga. Bahan-bahan tersebut dapat habis secara kimiawi atau perlu diisi ulang, seperti halnya baterai, atau dapat menghasilkan tenaga tanpa mengubah keadaannya, seperti halnya sel surya dan generator termoelektrik. Namun, semua itu masih membutuhkan energi yang berasal dari tempat lain. Pada baterai, sumber energinya adalah energi potensial kimia yang sudah ada di dalamnya. Pada sel surya dan termoelektrik, sumber energinya adalah cahaya dan panas.
Mekanisme
Mekanisme sistem mekanis dirakit dari komponen yang disebut elemen mesin. Elemen-elemen ini menyediakan struktur untuk sistem dan mengontrol pergerakannya.
Komponen struktural umumnya adalah anggota rangka, bantalan, splines, pegas, segel, pengencang dan penutup. Bentuk, tekstur, dan warna penutup memberikan gaya dan antarmuka operasional antara sistem mekanis dan penggunanya.
Rakitan yang mengontrol gerakan juga disebut "mekanisme." Mekanisme umumnya diklasifikasikan sebagai roda gigi dan rangkaian roda gigi, yang mencakup penggerak sabuk dan penggerak rantai, mekanisme cam dan pengikut, dan hubungan, meskipun ada mekanisme khusus lainnya seperti hubungan penjepitan, mekanisme pengindeksan, pelarian, dan perangkat gesekan seperti rem dan cengkeraman.
Jumlah derajat kebebasan suatu mekanisme, atau mobilitasnya, tergantung pada jumlah tautan dan sambungan serta jenis sambungan yang digunakan untuk membangun mekanisme. Mobilitas umum suatu mekanisme adalah perbedaan antara kebebasan yang tidak dibatasi dari tautan dan jumlah kendala yang dikenakan oleh sambungan. Hal ini dijelaskan oleh kriteria Chebychev-Grübler-Kutzbach.
Disadur dari: en.wikipedia.org