Peiriant
Dyfais sy'n defnyddio egni er mwyn cyflawni rhyw weithred ydy peiriant. Defnyddir y gair i ddisgrifio dyfais sy'n cynorthwyo gydag unrhyw fath o waith. Mewn gwyddoniaeth a thechnoleg, mae peiriant yn system ffisegol sy'n defnyddio pŵer i gymhwyso grymoedd a rheoli symudiad i gyflawni gweithred. Mae'r term yn cael ei gymhwyso'n gyffredin i ddyfeisiau artiffisial, megis y rhai sy'n defnyddio injans neu foduron, a hefyd i facromoleciwlau biolegol naturiol, megis peiriannau moleciwlaidd. Gall peiriannau gael eu gyrru gan anifeiliaid a phobl, gan rymoedd naturiol fel gwynt a dŵr, a chan bŵer cemegol, thermol neu drydanol, ac maent yn cynnwys system o fecanweithiau sy'n siapio mewnbwn yr ysgogwr (actuator) i gyflawni cymhwysiad penodol o rymoedd allbwn a symudiad. Ymhlith y peiriannau eraill mae cyfrifiaduron a synwyryddion sy'n monitro perfformiad ac yn cynllunio symudiad, a elwir yn aml yn systemau mecanyddol.
 Peiriant rholio sigaréts James Albert Bonsack, a ddyfeisiwyd ym 1880 (patent yn 1881) | |
| Math | dyfais, converter  |
|---|---|
| Yn cynnwys | mecanwaith |
| Gwneuthurwr | Manufacture of machinery and equipment n.e.c. |
 Ffeiliau perthnasol ar Gomin Wicimedia | |
Nododd athronwyr naturiol y Dadeni chwe pheiriant syml sef dyfeisiau elfennol a oedd yn symud llwyth, a chyfrifo'r gymhareb o rym allbwn i rym mewnbwn, a elwir heddiw yn fantais fecanyddol.[1]
Mae peiriannau modern yn systemau cymhleth sy'n cynnwys elfennau strwythurol, mecanweithiau a chydrannau rheoli ac sy'n cynnwys rhyngwynebau ar gyfer defnydd cyfleus. Mae'r enghreifftiau'n cynnwys:
Geirdarddiad
Gall y gair 'peiriant' gyfeirio at nifer o bethau. Mae'r cofnod ysgrifenedig cyntaf yn cyfeirio at 'beiriant rhyfel', 'Wedi gosod periant wrth y ty, i'w claddu...' https://www.geiriadur.ac.uk/gpc/gpc.html a gall olygu gorchymyn, fel yn y gerdd enwog yn Llyfr Aneirin: 'Tri chant drwy beiriant yn catau...'. Ond yng nghyswllt yr erthygl hon, bonyn y gair yw'r ferf 'peri, paraf', sef gwneud i rywbeth ddigwydd neu achosi i rywbeth ddygwydd. 'Ef a bair im orffwys mewn porfa esmwyth' medd Morris Kyffin yn 1595.
Mae llawer o ieithoedd yn defnyddio amrywiad o'r gair Lladin machina, gan gynnwys y Ffrangeg gyda'r Saesneg yn benthyca@r gair o'r Ffrangeg,[2] Tarddiad y Lladin oedd y Groeg (Doric μαχανά makhana, μηχανή μηχανή mekhane 'dyfeisgarwch', sy'n deillio o μῆχος mekhos sef 'dyfais', 'mantais' [3]).Daw'r geiriau Cymraeg mecanyddol a mecaneg o'r un gwraidd Groegaidd yma hefyd.
Hanes
File:Palaeolithic Handaxe (FindID 233991).jpg Bwyell law o Bowys, o Hen Oes y Cerrig Isaf
Mae'r fwyell law, a wneir trwy naddu fflint i ffurfio lletem (wedge) yn nwylo bod dynol yn trawsnewid grym a symudiad yr offeryn yn rym hollti lletraws a grym symudiad y darn gwaith. Y fwyell law yw'r enghraifft gyntaf o letem, yr hynaf o'r chwe pheiriant syml clasurol, y mae'r rhan fwyaf o beiriannau wedi'u seilio arnynt. Yr ail beiriant syml hynaf oedd yr plân ar oleddf (ramp),[4] sydd wedi cael ei defnyddio ers y cyfnod cynhanesyddol i symud gwrthrychau trwm, gan gynnwys o bosib rai o gerrig Cromlech Pentre Ifan a Chôr y Cewri.[5][6]
Dyfeisiwyd y pedwar peiriant syml arall yn y Dwyrain Agos hynafol:[7]
- Dyfeisiwyd yr olwyn, ynghyd â mecanwaith yr olwyn a'r echel, ym Mesopotamia (Irac modern) yn ystod y 5ed mileniwm CC.[8]
- Ymddangosodd y mecanwaith lifer am y tro cyntaf tua 5,000 o flynyddoedd yn ôl ac fe'i defnyddiwyd mewn tafol cydbwyso syml,[9] ac i symud gwrthrychau mawr yn nhechnoleg yr Hen Aifft.[10] Defnyddiwyd y lifer hefyd yn y ddyfais codi dŵr cysgodol, y peiriant craen cyntaf, a ymddangosodd ym Mesopotamia tua 3000 CC,[9] ac yna mewn technoleg hynafol yr Aifft tua 2000 CC.[11]
- Mae'r dystiolaeth gynharaf o bwlïau yn dyddio'n ôl i Fesopotamia yn gynnar yn yr 2il fileniwm CC,[12] a'r Aifft hynafol yn ystod y Ddeuddegfed Brenhinllin (991-1802 CC).[13]
- Ymddangosodd y sgriw, yr olaf o'r peiriannau syml i'w dyfeisio, [14] gyntaf ym Mesopotamia yn ystod y cyfnod Neo-Asyriaidd (911-609) CC. [15] Adeiladwyd pyramidau'r Aifft gan ddefnyddio tri o'r chwe pheiriant syml, yr plân, y lletem, a'r lifer.[16]
Ymddangosodd y peiriannau wedi'u pweru gan ddŵr, yr olwyn ddŵr a'r felin ddŵr, am y tro cyntaf yn Ymerodraeth Persia, yn yr hyn sydd bellach yn Irac ac Iran, erbyn dechrau'r 4g CC.[17] Ymddangosodd y peiriannau gwynt ymarferol cynharaf, y felin wynt a'r pwmp gwynt, gyntaf yn y byd Mwslemaidd yn ystod yr Oes Aur Islamaidd, yn yr hyn sydd bellach yn Iran, Affganistan a Phacistan, erbyn y 9g OC.[18][19][20] Y peiriant stêm ymarferol cynharaf oedd jac ager (steam jack) a yrrwyd gan dyrbin ager, a ddisgrifiwyd ym 1551 gan Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf yn yr Aifft Otomanaidd.[21]
Dyfeisiwyd yr injan cotwm yn India cyn y 6g OC,[22] a dyfeisiwyd yr olwyn nyddu yn y byd Islamaidd erbyn dechrau'r 11g,[23] ill dau yn sylfaenol i dwf y diwydiant cotwm. Roedd y droell hefyd yn rhagflaenydd i'r peiriant nyddu, a oedd yn ddatblygiad allweddol yn ystod y Chwyldro Diwydiannol cynnar yn y 18g.[24] Dyfeisiwyd y crancsiafft a'r camsiafft gan Al-Jazari yng Ngogledd Mesopotamia tua 1206,[25][26][27] ac yn ddiweddarach daethant yn ganolog i beiriannau modern megis yr injan stêm, injan hylosgi mewnol a rheolyddion otomatig.[28]
Datblygwyd y peiriannau rhaglenadwy cynharaf hefyd yn y byd Mwslemaidd. Y dilyniannwr cerdd (music sequencer) sef offeryn cerdd y gellid ei raglennu oedd y math cynharaf o beiriant rhaglenadwy. Chwaraewr ffliwt otomatig oedd y dilyniannwr cerdd cyntaf, a ddyfeisiwyd gan y brodyr Banu Musa, ac a ddisgrifiwyd yn eu Llyfr Dyfeisiau Dyfeisgar, yn y 9g.[29][30] Ym 1206, dyfeisiodd Al-Jazari otomata / robotiaid rhaglenadwy. Disgrifiodd bedwar cerddor otomaton, gan gynnwys peiriant drymiau rhaglenadwy, lle gellid eu gorfodi i chwarae gwahanol rythmau a gwahanol batrymau .[31]
Yn ystod y Dadeni, dechreuwyd astudio deinameg y Pwerau Mecanyddol, fel y gelwid peiriannau syml, o safbwynt faint o waith defnyddiol y gallent ei wneud, gan arwain yn y pen draw at y cysyniad newydd o waith mecanyddol. Ym 1586 cafodd y peiriannydd Ffleminaidd Simon Stevin fantais fecanyddol drwy'r plân ar oleddf. Y gwyddonydd Eidalaidd Galileo Galilei yn 1600 a gyfrifodd theori ddeinamig gyflawn peiriannau syml a hynny yn Le Meccaniche ("Ar Fecaneg").[32][33] Ef oedd y cyntaf i ddeall fod peiriannau syml yn trawsnewid ynni yn hytrach nag yn ei greu.[32]
Darganfuwyd rheolau clasurol ffrithiant llithro mewn peiriannau gan Leonardo da Vinci (1452-1519), ond arhosodd heb ei gyhoeddi yn ei lyfrau nodiadau. Cawsant eu hailddarganfod gan Guillaume Amontons (1699) a chawsant eu datblygu ymhellach gan Charles-Augustin de Coulomb yn 1785.[34] Metalegwr arall hynod weithgar oedd David Thomas a ddyfeisiodd broses o'r enw broses ‘chwyth poeth’, a drawsnewidiodd gwaith o wneud haearn, drwy gynhesu aer cyn ei bwmpio i ffwrnais chwyth. David Thomas oedd lywydd cyntaf Cymdeithas Meteleg America.
Creodd y meistr haearn o Gaerfyrddin, Philip Vaughan, batent ar y peli metel a elwir yn ‘ball bearings’ yn 1794. Rhoddodd beli haearn rhwng olwyn ac echel cert gan alluogi i olwynion y cert i droelli’n rhwyddach, drwy leihau't ffrithiant rhyngddynt.
Patentiodd James Watt ei gysylltiad mudiant cyfochrog ym 1782, a wnaeth yr injan stêm act-ddwbl yn realaeth.[35] Daeth injan stêm Boulton a Watt ac yn ddiweddarach locomotifau ager a llongau ager yn boblogaidd.
Barnwr a gwyddonydd a aned yn Abertawe oedd Syr William Robert Grove (1811-1896). Ef, yn 1842, a ddyfeisiodd y gell danwydd. Roedd ei beiriant yn cyfuno hydrogen ac ocsigen i gynhyrchu trydan. David Edward Hughes (1831-1900) o’r Bala a ddyfeisiodd y microffon. Mae'n debygol iawn iddo hefyd ddarganfod tonfedd radio ddegawd cyn Heinrich Hertz yn 1888. Credai y dylai pobl y byd cyfan fanteisio o'r microffon, ac felly nid aeth ati i gymryd patent arno.
Roedd mab i weithiwr dur o Abertawe, Edward ‘Taffy’ Bowen (1911-1991) yn allweddol yn y gwaith o ddatblygu radar. ei arbenigedd oedd eu gosod mewn awyrennau er mwyn canfod awyrennau eraill a llongau tanfor yn ystod yr Ail Ryfel Byd. Ar ôl y rhyfel arloesodd ym maes astronomeg radio.
Peiriannau syml
Arweiniodd y syniad y gellir dadelfennu peiriant yn elfennau symudol Archimedes at ddiffinio'r lifer, y pwli a'r sgriw fel peiriannau syml. Erbyn cyfnod y Dadeni cynyddodd y rhestr hon i gynnwys yr olwyn a'r echel, y lletem a'r plân ar oleddf. Mae'r dull modern o nodweddu peiriannau yn canolbwyntio ar y cydrannau sy'n caniatáu symudiad, a elwir yn uniadau (joints).
Systemau mecanyddol
Mae system fecanyddol yn rheoli pŵer i gyflawni tasg sy'n cynnwys grymoedd a symudiad. Mae peiriannau modern yn systemau sy'n cynnwys (i) ffynhonnell pŵer ac actiwadyddion sy'n cynhyrchu grymoedd a symudiad, (ii) system o fecanweithiau sy'n siapio mewnbwn yr actiwadydd i gyflawni cymhwysiad penodol o rymoedd allbwn a symudiad, (iii) rheolydd gyda synwyryddion sy'n cymharu'r allbwn â nod perfformiad ac yna'n cyfeirio mewnbwn yr actiwadydd, a (iv) rhyngwyneb i weithredwr sy'n cynnwys liferi, switshis, ac arddangosiadau. Mae hyn i'w weld yn injan stêm Watt lle mae'r pŵer yn cael ei ddarparu gan stêm yn ehangu i yrru'r piston. Mae'r trawst cerdded, y cwplwr a'r crank yn trawsnewid symudiad llinellol y piston i gylchdroi'r pwli allbwn. Yn olaf, mae'r cylchdro pwli yn gyrru'r llywodraethwr pêl hedfan sy'n rheoli'r falf ar gyfer y mewnbwn stêm i'r silindr piston.
Effaith
Mecaneiddio ac awtomeiddio
Mae mecaneiddio'n darparu peiriannau i weithredwyr dynol sy'n eu cynorthwyo gyda'u gwaith neu'n disodli eu gwaith.
Mae dyfeisiau sy'n achosi newidiad mewn cyflymder neu newidiad i cilyddol i fudiant cylchdro, fel arfer yn cael eu hystyried yn beiriannau. Ar ôl trydaneiddio, pan nad oedd y rhan fwyaf o beiriannau bach bellach yn cael eu pweru â llaw, roedd mecaneiddio yn gyfystyr â pheiriannau modur.[37]
Otomatiaeth yw'r defnydd o systemau rheoli a thechnolegau gwybodaeth i leihau'r angen am waith dynol (er mwyn lleihau'r costau) wrth gynhyrchu nwyddau a gwasanaethau. O fewn diwydiant, mae otomeiddio yn gam y tu hwnt i fecaneiddio. Tra bod mecaneiddio'n darparu peiriannau i weithredwyr dynol i'w cynorthwyo gyda gofynion cyhyrol gwaith, mae otomeiddio'n lleihau'n sylweddol y defnydd o'r synhwyrau a'r broses feddyliol, dynol hefyd. Mae otomeiddio'n chwarae rhan gynyddol bwysig yn economi'r byd.
Mecaneg
Mae Usher yn adrodd bod traethawd Arwr Alecsandria ar Fecaneg yn canolbwyntio ar yr astudiaeth o godi pwysau trwm. Heddiw mae mecaneg yn cyfeirio at ddadansoddiad mathemategol grymoedd a symudiad system fecanyddol, ac mae'n cynnwys astudiaeth o sinemateg a dynameg y systemau hyn.
Dynameg peiriannau
Mae dadansoddiad deinamig o beiriannau'n dechrau gyda model anhyblyg i bennu adweithiau, ac ar yr adeg honno mae'r effeithiau elastigedd yn cael eu cynnwys. Mae dynameg corff anhyblyg yn astudio symudiad systemau cyrff cydgysylltiedig o dan weithrediad grymoedd allanol. Mae'r rhagdybiaeth bod y cyrff yn anhyblyg, sy'n golygu nad ydynt yn anffurfio o dan weithred grymoedd cymhwysol, yn symleiddio'r dadansoddiad trwy leihau'r paramedrau sy'n disgrifio cyfluniad y system i gyfieithu a chylchdroi fframiau cyfeirio sydd ynghlwm wrth bob corff.[38][39]
Diffinnir deinameg system gorff anhyblyg gan ei hafaliadau mudiant, sy'n deillio o ddefnyddio naill ai deddfau mudiant Newton neu fecaneg Lagrancian. Mae datrysiad yr hafaliadau mudiant hyn yn diffinio sut mae cyfluniad y system o gyrff anhyblyg yn newid fel swyddogaeth amser. Mae ffurfio a datrysiad deinameg corff anhyblyg yn arf pwysig yn efelychiad cyfrifiadurol systemau mecanyddol.
Cinemateg peiriannau
Mae dadansoddiad deinamig o beiriant yn gofyn am bennu symudiad, a elwir hefyd yn cinemateg, o'i gydrannau, a elwir yn ddadansoddiad cinematig. Caniateir i leoliad, cyflymder a chyflymiad pob pwynt mewn cydran gael eu pennu o'r priodweddau hyn ar gyfer pwynt cyfeirio, a lleoliad onglog, cyflymder onglog a chyflymiad onglog y gydran.
Dylunio peiriannau
Mae dylunio peiriant yn cyfeirio at y gweithdrefnau a'r technegau a ddefnyddir i fynd i'r afael â thri cham yng nghylch bywyd peiriant:
- dyfeisio, sy'n cynnwys nodi angen, datblygu gofynion, cynhyrchu cysyniadau, datblygu prototeip, gweithgynhyrchu, a phrofi'r broses o ddilysu;
- mae peirianneg perfformiad yn cynnwys gwella effeithlonrwydd gweithgynhyrchu, lleihau gofynion gwasanaeth a chynnal a chadw, ychwanegu nodweddion a gwella effeithiolrwydd, a phrofion dilysu;
- ailgylchu yw'r cam datgomisiynu a gwaredu ac mae'n cynnwys adfer ac ailddefnyddio deunyddiau a chydrannau.
Darllen pellach
- Oberg, Erik; Franklin D. Jones; Holbrook L. Horton; Henry H. Ryffel (2000). Christopher J. McCauley; Riccardo Heald; Muhammed Iqbal Hussain (gol.). Machinery's Handbook (arg. 26th). New York: Industrial Press Inc. ISBN 978-0-8311-2635-3.
- Reuleaux, Franz (1876). The Kinematics of Machinery. Trans. and annotated by A. B. W. Kennedy. New York: reprinted by Dover (1963).
- Uicker, J. J.; G. R. Pennock; J. E. Shigley (2003). Theory of Machines and Mechanisms. New York: Oxford University Press.
- Oberg, Erik; Franklin D. Jones; Holbrook L. Horton; Henry H. Ryffel (2000). Christopher J. McCauley; Riccardo Heald; Muhammed Iqbal Hussain (gol.). Machinery's Handbook (arg. 30th). New York: Industrial Press Inc. ISBN 9780831130992.
