فرادرسجارو برقی چطور کار می کند؟ — طرز کار جارو برقی به زبان ساده
وقتی نوشابه خود را با نی می‌نوشید، درحال بهره‌گیری از ساده‌ترین مکانیزم مکش هستید. مکیدن نوشابه باعث می‌شود بین بخش بالایی نی و بخش پایینی آن، افت فشار رخ دهد. با فشار مایع بیشتر در بالا نسبت به بخش پایینی، نوشابه به سمت دهان شما هل داده می‌شود. طرز کار جارو برقی هم به‌گونه‌ای است که دقیقا از همین مکانیزم ساده بهره می‌برد، اما روش پیاده‌سازی و به‌کارگیری آن اندکی پیچیده‌تر است.
در این مقاله قصد داریم با نگاهی به اجزای داخلی این دستگاه، بفهمیم جارو برقی چطور کار می‌کند و چطور از مکش برای تمیز کردن خانه شما از هرگونه گرد و خاک و زباله‌های خرد بهره می‌گیرد. همانطور که با مطالعه مقاله متوجه خواهید شد، جارو برقی‌های استاندارد ساختاری بسیار ساده دارند، اما در عین حال بر مجموعه‌ای از قواعد فیزیکی اتکا می‌کنند تا به شکلی بهینه و موثر قادر به تمیز کردن هر محیطی باشند.
طرز کار جارو برقی به زبان ساده
طرز کار جارو برقی شاید در نگاه نخست پیچیده به نظر برسد، اما یک جارو برقی معمولی در واقع از تنها شش قطعه بنیادین ساخته شده:
- یک درگاه ورودی که می‌تواند حاوی مجموعه‌ای از لوازم جانبی برای پاکسازی باشد
- یک درگاه اگزوز یا خروجی
- یک موتور الکتریکی
- یک فن
- یک کیسه متخلخل
- یک محفظه که تمام قطعات باقی‌مانده را در خود جای می‌دهد.
وقتی جارو برقی را به برق متصل و آن را روشن می‌کنید، چنین اتفاقی رخ می‌دهد:
1. جریان الکتریکی، موتور را به کار می‌اندازد. این موتور به یک فن متصل شده که تیغه‌هایی زاویه‌دار دارد، مثل یک ملخ هواپیما.
۲. همینطور که تیغه‌های فن می‌گردند، هوا را به سمت جلو و درگاه اگزوز می‌رانند.
۳. وقتی ذرات هوا به سمت جلو حرکت می‌کنند، تراکم ذرات (و در نتیجه، فشار هوا) در جلوی فن افزایش و در پشت آن نیز کاهش می‌یابد.
این افت فشار در پشت فن، درست مانند همان افت فشاری است که هنگام نوشیدن نوشابه در نی اتفاق می‌افتد. سطح فشار در بخش پشتی فن، از سطح فشار بیرون جارو برقی (یا فشار هوای محیط) کمتر می‌شود. این منجر به شکل‌گیری مکش و خلایی جزئی درون جارو برقی خواهد شد. فشار محیطی از طریق درگاه ورودی به درون جارو برقی راه می‌یابد، چراکه فشار هوا درون دستگاه از فشار بیرونی کمتر است.
مادامی که فن در حال گردش است و درگاه منتهی به جارو برقی باز باقی می‌ماند، شاهد حرکت جریانی مداوم از هوا درون درگاه ورودی و درگاه اگزوز خواهیم بود. اما چطور جریان هوا می‌تواند گرد و خاک و زباله‌ها را از روی فرش منزل شما جمع‌آوری کند؟ عامل کلیدی، اصطکاک است.
برس‌ها و کیسه جارو برقی
در بخش قبلی مقاله متوجه شدیم که مکش به وجود آمده از طریق فن گردان جارو برقی، منجر به شکل‌گیری جریانی از هوا می‌شود که میان درگاه ورودی و درگاه اگزوز به حرکت می‌افتد. این جریان، درست مثل جریان آب عمل می‌کند. ذرات هوا هنگام حرکت به هرگونه گرد و زباله موجود ساییده می‌شوند و اگر زباله به اندازه کافی سبک و قدرت مکش به اندازه کافی قوی باشد، اصطکاک می‌تواند مواد را به درون جارو برقی بکشد. این همان قاعده‌ای است که باعث می‌شود برگ درختان و دیگر خرده زباله‌ها، درون جریان آب شناور شوند. برخی جارو برقی‌ها هم همراه با برس‌های گردانی در درگاه ورودی طراحی شده‌اند که خاک و زباله‌ها را از فرش جدا می‌سازد تا جریان هوا بتواند آن‌ها را برداشته و با خود حمل کند.
همینطور که هوای آکنده از گرد و خاک، راهش را به درگاه اگزوز باز می‌کند، از میان کیسه جارو برقی نیز عبور می‌کند. این کیسه‌ها از بافتی متخلخل (عمدتا پارچه یا کاغذ) ساخته شده‌اند و نقش نوعی فیلتر هوا را ایفا می‌کند. حفره‌های ریز تعبیه شده روی کیسه‌ها، آنقدر بزرگ هستند که امکان عبور ذرات هوا را مهیا می‌سازند و در عین حال آنقدر کوچک هستند که که اجازه عبور را به اکثر ذرات خاک نمی‌دهند. در نتیجه، وقتی جریان هوا وارد کیسه می‌شود، تمام هوا قادر به عبور از بدنه آن خواهد بود ولی گرد و خاک و خرده زباله‌ها درون کیسه جمع‌آوری می‌شوند.
کیسه جارو برقی را می‌توان در هر جایی میان لوله ورودی و درگاه اگزوز قرار داد و تنها پیش‌نیاز، حرکت جریان هوا میان این دو است. در جارو برقی‌های ایستاده، این کیسه معمولا آخرین توقفگاه در مسیر به حساب می‌آید و بعد از فیلتر شدن گرد و خاک، هوا راه خود را به بیرون باز می‌کند. در جارو برقی‌های کنیستر، کیسه ممکن است در پشت فن قرار بگیرد تا هوا به محض ورود به داخل بدنه، فیلتر شود.
با بهره‌گیری از همین ایده بنیادین، طراحان به ساخت گستره وسیعی از جارو برقی‌ها مشغول می‌شوند که هرکدام توانایی‌هایی گوناگونی از نظر مکش به نمایش می‌گذاشت. در بخش بعدی مقاله جارو برقی چطور کار می‌کند، نگاهی به برخی از فاکتورهایی خواهیم انداخت که بر قدرت مکندگی تاثیر می‌گذارند.
مطالب پیشنهادی برای مطالعه:
- خلا (Vacuum) چیست؟ — از صفر تا صد
- موتور الکتریکی – از صفر تا صد
- کنترل موتورهای الکتریکی — به زبان ساده
- محاسبه قیمت برق از روی قبض — به زبان ساده
متغیرهای بنیادین در ساختار جارو برقی
در بخش قبلی دیدیم که جارو برقی‌ها به کمک جریانی از هوا که از میان یک فیلتر هوا (کیسه) عبور داده می‌شود، زباله‌ها را جمع‌آوری می‌کنند. قدرت مکندگی جارو برقی‌ها وابسته به چندین فاکتور مختلف است. در واقع بسته به موارد زیر، مکندگی می‌تواند قدرتمندتر یا ضعیف‌تر باشد:
- قدرت فن: برای تولید یک نیروی مکش قدرتمند، موتور باید با سرعت خوبی به گردش بیفتد.
- انسداد مجرای هوا: وقتی حجم زباله‌های جمع‌آوری شده درون کیسه جارو افزایش می‌یابد، هوا در مسیر خروج با مقاومت بیشتری روبه‌رو می‌شود. هر ذره هوا با سرعت کمتری حرکت می‌کند، زیرا نیروی درگ یا پسار افزایش یافته است. به همین خاطر است که جارو برقی‌ها به محض تعویض کیسه گردآوری زباله، عملکرد بهتری نسبت به زمانی که کیسه پر شده بود از خود به نمایش می‌گذارد.
- ابعاد دهانه درگاه ورودی: از آن‌جایی که فن جارو برقی با سرعتی پایدار به گردش درمی‌آید، مقدار هوایی که در هر لحظه از داخل جارو برقی عبور می‌کند نیز یکسان و پایدار است. مهم نیست درگاه ورودی را با چه ابعادی طراحی می کنید، در هر ثانیه مقدار یکسانی از ذرات هوا راه خود را به درون بدنه باز خواهند کرد. اگر درگاه را کوچک‌تر بسازید، هر ذره هوا باید سریع‌تر حرکت کند تا ذرات بیشتری در همان مدت‌زمان عبور داده شوند. با توجه به معادله برنولی، افت فشار، سبب نیروی مکش بیشتر در ورودی می‌شود. نازل‌های باریک‌تر به خاطر نیروی مکش قدرتمندتری که به وجود می‌آورند، هنگام جمع کردن ذرات سنگین‌تر خاک، عملکردی بهتر از نازل‌های عریض از خود به نمایش می‌گذارند.
در بنیادین‌ترین سطح ممکن، طرز کار جارو برقی چیزی فراتر از این نیست. از آن‌جایی که جارو برقی‌های الکتریکی یک سده پیش اختراع شدند، بسیاری از طراحان و نوآورانه توانسته‌اند ایده‌های پشت کار را بسط داده و گستره وسیعی از سیستم‌های مکنده را خلق کرده‌اند.
تا به این لحظه، رایج‌ترین انواع جارو برقی‌ها را از نظر رده کرده‌ایم: جارو برقی‌های ایستاده و کنیستر که هردو، خاک را درون کیسه‌ای متخلخل جمع‌آوری می‌کنند. در تاریخچه نسبتا طولانی جارو برقی‌ها، این مدل‌ها از بیشترین میزان محبوبیت برخوردار بوده‌اند. اما طبیعتا انبوهی از پیکربندی‌های دیگر را نیز در سیستم‌های مکنده شاهد هستیم. در بخش بعدی، نیم‌نگاهی به برخی از این سیستم‌ها می‌اندازیم.
سیستم مکنده مرکزی یا جاروبرقی مرکزی
نخستین جاروها که ریشه‌های آن‌ها به اواسط سال‌های ۱۸۰۰ میلادی بازمی‌گردد، از دمنده‌های دستی برای مکش بهره می‌بردند. این جاروها در هر شکل و ابعادی از راه می‌رسیدند و نقشی کمرنگ در نظافت روزانه ایفا می‌کردند. نخستین جاروهای الکتریکی در اوایل سال‌های ۱۹۰۰ میلادی از راه رسیدند و به موفقیتی آنی دست یافتند (هرچند که تا چند دهه، محصولی لوکس به حساب می‌آمدند).
یک طراحی بسیار محبوب که در همین دوران سر بر آورد، این روزها نیز به محبوبیتی دوباره دست یافته است. این طراحی، سیستم مکنده مرکزی نام دارد و تمام خانه شما را تبدیل به جارو می‌کند. یک فن مجهز به موتور در زیرزمین با بخش بیرونی خانه قرار می‌گیرد و به کمک مجموعه‌ای از لوله‌های متصل به یکدیگر در دیوارها، مکش ایجاد می‌کند. برای استفاده از این سیستم، موتور فن را روشن و نازلی را به هر یک از خروجی‌های لوله در سراسر خانه متصل می‌کنید. سپس خاک به درون لوله‌ها کشیده شده و درون محفظه‌ای بزرگ ذخیره می‌شود. سپس لازم است چند نوبت در سال، این محفظه را خالی کنید.
معرفی مجموعه فیلم‌های آموزش فیزیک فرادرس
فرادرس در مجموعه دوره‌های آموزش فیزیک، به تهیه بیش از ۶۰ عنوان آموزشی پرداخته که بهره‌گیری از آن‌ها می‌تواند برای تمام علاقه‌مندان به مباحث فیزیک و همینطور دانشجویان رشته‌های فنی مهندسی ارزشمند به حساب آید. در این مجموعه آموزش غنی، عناوینی نظیر آموزش الکترومغناطیس مهندسی، فیزیک پایه، آموزش ترمودینامیک، آموزش فیزیک عمومی، آموزش نورشناسی، آموزش مکانیک کوانتوم و موارد مشابه را خواهید یافت.
- برای مشاهده مجموعه فیلم‌های آموزش فیزیک فرادرس + اینجا کلیک کنید.
جارو برقی‌های آب و خاک
برای فرایندهای نظافت دشوارتر، بسیاری از مردم به سراغ جارو برقی‌های آب و خاک می‌روند که هم قادر به جمع‌آوری مواد جامد و هم مایعات هستند. مواد مایع باعث خیس شدن فیلترهای کاغذی و پارچه‌ای می‌شوند، بنابراین چنین جاروهایی نیازمند یک سیستم جمع‌آوری متفاوت خواهند بود.
طراحی این جاروها در بنیادین‌ترین حالت ساده است: در مسیر ورود به بدنه جارو، جریان هوا از محیطی عریض عبور می‌کند که بر فراز یک سطل قرار گرفته. هنگام رسیدن به این فضای بزرگ، جریان هوا سرعتی کمتر می‌یابد، به همان شکلی که سرعت هوا هنگام جریان یافتن در نازل‌های باریک‌تر بیشتر می‌شود. این کاهش سرعت اساسا از اصطکاک هوا می‌کاهد و بنابراین قطعات مایع و ذرات سنگین‌تر خاک می‌توانند از جریان هوا جدا شده و درون سطل بیفتند. بعد از اینکه کار نظافت به پایان می‌رسد نیز خیلی ساده می‌توانید سطل را خالی کنید.
در بخش بعدی مقاله طرز کار جارو برقی، نگاهی به دو ابداع دیگر در این حوزه نیز می‌اندازیم: جارو برقی‌های سیکلون و جارو برقی‌های رباتیک.
جارو برقی‌های سیکلون
یکی از انواع جدیدتر جارو برقی‌ها تحت عنوان «جارو برقی سیکلون» شناخته می‌شود. این ماشین در دهه ۱۹۸۰ میلادی توسط جیمز دایسون ساخته شد و هیچ‌گونه کیسه یا سیستم فیلتر کردن سنتی را در خود جای نمی‌دهد. در عوض، این جاروها جریان هوا را از درون یک یا چند سیلندر و همینطور یک مسیر مارپیچی عبور می‌دهند. این باعث می‌شود شاهد کارکرد و ساخت شبیه به یک خشک‌کن لباس، یک رولر کوستر یا یک چرخ‌وفلک باشیم. همینطور که هوا در پیرامون مسیر مارپیچ شلیک می‌شود، تمام ذرات هوا یک نیروی گریز از مرکز قدرتمند را تجربه می‌کنند: این ذرات به سمت بیرون و دور از جریان هوا پرتاب می‌شوند. به این ترتیب، خاک از هوا جدا می‌شود و نیاز به هیچ‌گونه فیلتری هم نیست. زباله‌ها خیلی ساده در پایین سیلندر جمع می‌شوند.
سیستم سیکلون یک بهبود قابل توجه نسبت به جارو برقی‌های سنتی به حساب می‌آید، زیرا هیچ کیسه‌ای برای تعویض وجود ندارد و قدرت مکندگی نیز با مکش زباله‌ها و گرد و خاک‌های هرچه بیشتر کاهش نمی‌یابد.
جارو برقی‌های رباتیک
تا همین اواخر، مهم نبود جارویی تا چه میزان قدرتمند در اختیار داشتید، در نهایت یک نفر باید لوله مکنده را به دست می‌گرفت و با آن در فضای نیازمند پاکسازی حرکت می‌کرد. اما اکنون چند سالی است که جارو برقی‌های رباتیک از راه رسیده و شرایط را دگرگون کرده‌اند. این دستگاه‌های کوچک قادر به پاکسازی خودکار محیط هستند و برای تحقق این مهم از مجموعه‌ای از موتورها، سنسورها و یک سیستم ناوبری بهره می‌برند.
در آینده نه‌چندان دور، به طور یقین شاهد بهبودهای گسترده‌تر در ساختار جارو برقی‌های ساده خواهیم بود و مکانیزم‌های مکش و سیستم‌های جمع‌آوری گرد و خاک پیشرفته‌تر نیز از راه خواهند رسید. اما ایده بنیادین در طرز کار جارو برقی، یعنی استفاده از جریان در حرکت هوا برای بلند کردن گرد و خاک از روی زمین، احتمالا تا مدتی طولانی دست‌نخورده باقی بماند.
