Nota Reka Cipta Tingkatan 5 Bab 3: Sistem
RINGKASAN
Ringkasan Mudah (Nota Reka Cipta Tingkatan 5 Bab 3: Sistem)
Dokumen ini merangkumi empat jenis sistem utama yang digunakan dalam pelbagai mesin dan produk. Memahami setiap sistem ini adalah kunci untuk menghargai cara teknologi berfungsi di sekeliling kita.
1. Sistem Mekanikal
Sistem mekanikal menggunakan kuasa atau tenaga untuk melakukan kerja yang melibatkan daya dan gerakan, selalunya untuk mengurangkan penggunaan tenaga manusia. Ia terdiri daripada beberapa jenis utama:
• Gear: Roda bergigi yang mengawal kelajuan, daya kilas, atau menukar arah gerakan. Jenisnya termasuk gear heliks, serong, belitan, taji, serta rak dan pinan.
• Takal dan Tali Sawat: Terdiri daripada dua roda berlurah yang dihubungkan dengan tali sawat untuk memindahkan gerakan. Kelajuan putaran bergantung pada nisbah diameter kedua-dua takal.
• Tuas: Sistem ringkas yang terdiri daripada fulkrum (titik sokongan), beban, dan daya. Ia digunakan untuk memindahkan beban berat dengan daya minima dan dikelaskan kepada tuas kelas pertama, kedua, dan ketiga.
• Pneumatik: Menggunakan udara termampat sebagai medium pemindahan kuasa. Komponen utamanya termasuk pemampat udara, injap kawalan, dan penggerak. Ia banyak digunakan dalam industri dan sistem automatik seperti brek bas.
• Hidraulik: Menggunakan cecair (biasanya minyak) untuk menghantar kuasa, sesuai untuk kerja berat seperti sistem brek kereta atau jek pengangkat. Komponen utamanya ialah pam, injap kawalan, dan silinder hidraulik.
2. Sistem Elektrik
Sistem elektrik ialah penggunaan tenaga yang terhasil daripada pergerakan elektron untuk menghasilkan cahaya, haba, atau gerakan. Ia melibatkan komponen-komponen berikut:
• Geganti (Relay): Suis yang dikawal secara elektromagnetik. Ia menggunakan gelungan untuk membuka atau menutup sesentuh, sama ada jenis Lazim Terbuka (Normally Open) atau Lazim Tertutup (Normally Closed).
• Transformer: Alat yang menaikkan atau menurunkan voltan. Transformer Injak Naik menaikkan voltan (lilitan sekunder lebih banyak), manakala Transformer Injak Turun menurunkan voltan (lilitan sekunder lebih sedikit).
• Motor Elektrik: Menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal (gerakan). Terdapat dua jenis utama: Motor Arus Ulang Alik (AU) yang menggunakan bekalan kuasa seperti 240V, dan Motor Arus Terus (AT) yang menggunakan bekalan kuasa seperti bateri (9V, 12V).
• Solenoid: Alat elektromagnet yang menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal dalam bentuk gerakan linear (tolak/tarik), sering digunakan sebagai suis dalam injap atau kunci pintu kereta.
3. Sistem Elektronik
Sistem elektronik adalah gabungan komponen yang mengawal operasi sesuatu produk, biasanya menggunakan bekalan kuasa arus terus (AT) yang rendah. Komponen utamanya termasuk:
• Suis: Mengawal aliran arus dalam litar.
• Perintang: Mengawal dan mengehadkan aliran arus. Nilainya diukur dalam unit Ohm (Ω).
• Diod: Membenarkan arus mengalir dalam satu arah sahaja. Diod Pemancar Cahaya (LED) adalah sejenis diod yang mengeluarkan cahaya.
• Transistor: Boleh berfungsi sebagai suis atau untuk meninggikan (menguatkan) arus, voltan, atau kuasa.
• Pemuat (Kapasitor): Menyimpan dan menyahcas cas elektrik.
• Pembaz (Buzzer): Menukarkan gelombang elektrik kepada gelombang bunyi.
4. Sistem Kawalan
Sistem kawalan adalah satu set peranti yang mengawal pergerakan dan fungsi sesebuah mesin. Prinsip asasnya ialah:
• Input-Process-Output: Input (masukan seperti suis) diterima dan diproses, lalu menghasilkan Output (keluaran seperti motor berputar).
• Sistem Kawalan Terbuka: Bahagian keluaran (output) tidak memberi kesan kepada sistem kawalan. Contohnya, lampu isyarat akan terus beroperasi mengikut litar tetap walaupun satu mentol terbakar.
• Sistem Kawalan Tertutup: Bahagian keluaran diukur dan dibandingkan dengan masukan (suapbalik atau feedback), membolehkan sistem membuat pelarasan. Contohnya, CCTV di mana kamera (input) boleh digerakkan dari bilik kawalan berdasarkan imej yang dipaparkan (output).
Operasi sistem kawalan boleh dibahagikan kepada tiga kaedah: Manual (sepenuhnya dikawal manusia), Semi-automatik (gabungan manual dan automatik), dan Automatik (berfungsi sendiri mengikut program).
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Aci | Komponen yang memegang gear dan digunakan untuk penghantaran kuasa. |
| Arus Terus (AT) | Sejenis tenaga elektrik di mana elektron bergerak dalam satu arah, biasanya daripada sumber seperti bateri. |
| Arus Ulang Alik (AU) | Sejenis tenaga elektrik di mana arah pergerakan elektron berubah secara berterusan, seperti bekalan kuasa domestik (240V). |
| Bendalir | Cecair (biasanya minyak) yang digunakan sebagai medium penghantaran kuasa dalam sistem hidraulik. |
| Daya | Tindakan yang dikenakan untuk mengangkat atau mengalihkan beban dalam sistem tuas. |
| Diod | Komponen elektronik aktif yang membenarkan arus elektrik mengalir melaluinya dalam satu arah sahaja. |
| Fulkrum | Titik sokongan tetap dalam sistem tuas di mana batang tuas bergerak bebas. |
| Gear | Roda bulat yang bergigi di sekelilingnya, digunakan untuk mengawal kelajuan, daya kilas, atau arah gerakan. |
| Geganti (Relay) | Komponen elektrik yang berfungsi sebagai suis yang dikawal oleh konsep aruhan elektromagnet. |
| Hidraulik | Sistem yang menggunakan cecair atau bendalir sebagai medium penghantaran kuasa. |
| Injap Kawalan Arah | Komponen yang berfungsi untuk mengawal atau menentukan arah gerakan bendalir (dalam sistem hidraulik) atau udara (dalam sistem pneumatik). |
| Litar Bersepadu (IC) | Gabungan beberapa komponen elektronik (transistor, perintang, dll.) yang dibina menjadi satu cip. |
| Motor Elektrik | Komponen yang menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal (pergerakan). |
| Pemampat Udara | Komponen dalam sistem pneumatik yang berfungsi untuk mengumpulkan dan memampatkan udara. |
| Pemasar (Timer) | Komponen yang digunakan untuk melewatkan gerakan atau kefungsian sesuatu sistem berdasarkan pelarasan masa. |
| Pemuat (Kapasitor) | Komponen elektronik yang berfungsi untuk menyimpan dan menyahcas cas elektrik. |
| Penderia (Sensor) | Komponen yang mengesan perubahan fizikal (seperti sentuhan, cahaya, atau pergerakan) dan menukarkannya kepada isyarat elektrik. |
| Pengawal Logik Aturcara (PLC) | Alat kawalan digital komputer yang direka khas untuk melaksanakan proses automasi elektromekanikal yang kompleks. |
| Penggerak (Actuator) | Komponen terakhir dalam sistem pneumatik atau hidraulik yang melakukan kerja yang dikehendaki, seperti silinder. |
| Perintang (Resistor) | Komponen pasif yang digunakan untuk mengawal dan mengehadkan aliran arus elektrik. |
| Pneumatik | Sistem yang digerakkan oleh kuasa angin atau udara termampat. |
| Silinder Hidraulik | Komponen dalam sistem hidraulik yang menukar tenaga cecair kepada tenaga mekanikal (gerakan linear). |
| Solenoid | Alat elektromagnet yang menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal dalam bentuk gerakan linear. |
| Suapbalik (Feedback) | Proses dalam sistem kawalan tertutup di mana maklumat dari bahagian keluaran dihantar semula ke bahagian masukan untuk perbandingan dan pelarasan. |
| Takal | Roda berlurah yang digunakan bersama tali sawat untuk memindahkan gerakan. |
| Transformer | Alat pegun yang berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan voltan bekalan elektrik. |
| Transistor | Komponen semikonduktor yang digunakan untuk meninggikan arus/voltan/kuasa atau berfungsi sebagai suis. |
| Tuas | Sistem ringkas yang terdiri daripada batang tegar, fulkrum, beban, dan daya untuk memudahkan kerja. |
| Udara Termampat | Udara sekeliling yang telah dimampatkan dengan menggunakan pemampat udara. |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)
1. Soalan: Mengapakah gear heliks lebih diutamakan berbanding gear taji dalam kotak gear kereta moden? Jawapan: Gear heliks diutamakan kerana ia direka khusus untuk mengurangkan bunyi bising dan beroperasi dengan lebih licin berbanding gear taji. Ciri ini amat penting dalam aplikasi yang memerlukan mekanisma kelajuan tinggi seperti kotak gear kereta, di mana penukaran kelajuan yang lancar dan operasi yang senyap meningkatkan keselesaan pemanduan.
2. Soalan: Sebuah lori pengangkut tanah menggunakan sistem hidraulik untuk mengangkat gandar belakangnya yang berat. Jelaskan mengapa sistem hidraulik lebih sesuai untuk tugas ini berbanding sistem pneumatik. Jawapan: Sistem hidraulik lebih sesuai kerana ia menggunakan bendalir (minyak) yang tidak boleh dimampatkan, membolehkannya menjana daya yang sangat tinggi dan stabil untuk mengangkat beban yang amat berat seperti gandar lori yang dipenuhi muatan. Sistem hidraulik juga dinyatakan sebagai tahan lasak dan sesuai untuk kerja berat. Sebaliknya, sistem pneumatik menggunakan udara termampat. Udara boleh dimampatkan, menjadikannya kurang efisien dan kurang stabil untuk aplikasi yang memerlukan daya angkat yang konsisten dan tinggi.
3. Soalan: Dalam sistem takal dan tali sawat, bagaimanakah diameter takal pemacu dan takal dipacu mempengaruhi kelajuan putaran dan daya kilas? Berikan contoh aplikasi untuk kelajuan tinggi dan kelajuan rendah. Jawapan: Hubungan antara diameter takal, kelajuan, dan daya kilas adalah songsang.
• Untuk Kelajuan Tinggi: Jika diameter takal pemacu lebih besar daripada takal dipacu, kelajuan takal dipacu akan meningkat, tetapi daya kilasnya menjadi rendah.
• Untuk Kelajuan Rendah: Jika tali sawat pada takal dipacu dipasang pada takal berdiameter besar (dan takal pemacu lebih kecil), kelajuan akan berkurangan tetapi ia akan menghasilkan daya kilas yang tinggi. Contoh aplikasi kelajuan tinggi ialah pada mesin gerudi meja di mana kelajuan tinggi diperlukan untuk menebuk lubang. Contoh aplikasi kelajuan rendah dengan daya kilas tinggi ialah pada mesin pembancuh industri yang memerlukan kuasa putaran yang kuat.
4. Soalan: Sebuah sistem lampu halaman rumah direka untuk menyala secara automatik apabila seseorang berjalan mendekatinya pada waktu malam. Kenal pasti komponen elektronik utama yang membolehkan fungsi ini dan jelaskan prinsip sistem kawalan yang terlibat. Jawapan: Komponen utama yang diperlukan ialah penderia gerakan seperti Passive Infrared Sensor (PIR). Sistem kawalan yang terlibat ialah sistem kawalan automatik tertutup.
• Masukan (Input): Penderia PIR mengesan gerakan (haba badan) manusia.
• Proses (Process): Isyarat daripada penderia dihantar ke litar kawalan (mungkin melibatkan geganti lewat masa) untuk diproses.
• Keluaran (Output): Litar akan menghidupkan lampu LED atau mentol. Ia adalah sistem kawalan automatik kerana ia beroperasi tanpa campur tangan manusia selepas diaktifkan. Ia juga boleh dianggap sistem kawalan tertutup di mana keluarannya (lampu menyala) memberi kesan kepada tindakan kawalan (penderia terus mengesan kehadiran untuk memastikan lampu kekal menyala dan mematikannya apabila tiada lagi gerakan dikesan selepas satu tempoh masa).
5. Soalan: Merujuk kepada reka bentuk “Alat Pembuka Buah Durian” dalam kajian kes, sistem mekanikal apakah yang digunakan dan bagaimanakah ia membantu menyelesaikan masalah peniaga? Jawapan: Sistem mekanikal utama yang digunakan ialah tuas. Berdasarkan lakaran, alat ini berfungsi sebagai tuas kelas pertama.
• Fulkrum: Titik di mana tangkai boleh laras disambungkan pada bingkai penyokong.
• Daya: Dikenakan oleh pengguna pada bahagian pemegang.
• Beban: Rintangan daripada kulit durian yang ditekan oleh mata pemotong. Sistem tuas ini membantu menyelesaikan masalah peniaga dengan memberikan kelebihan mekanikal. Ia membolehkan pengguna mengenakan daya yang minima pada pemegang untuk menghasilkan daya yang lebih besar pada mata pemotong, sekaligus memudahkan proses membuka kulit durian yang keras. Ini menjadikan kerja lebih cepat, selamat (mengurangkan risiko luka terkena pisau atau duri), dan kurang memenatkan.
SOALAN LAZIM (FAQ)
Soalan Lazim (FAQ)
1. Apakah yang dimaksudkan dengan sistem dan apakah tujuan utamanya? Sistem ialah gabungan beberapa elemen atau komponen yang beroperasi mengikut fungsi yang diprogramkan untuk melakukan kerja. Tujuan utamanya adalah untuk meningkatkan hasil kerja dengan mengoptimumkan operasi di samping mengurangkan tenaga kerja manusia.
2. Apakah empat bahagian utama sistem yang dibincangkan? Empat bahagian utama sistem yang dibincangkan ialah:
• Sistem Mekanikal
• Sistem Elektrik
• Sistem Elektronik
• Sistem Kawalan
3. Apakah perbezaan asas antara sistem pneumatik dan sistem hidraulik? Perbezaan asas terletak pada medium pemindahan kuasa. Sistem pneumatik menggunakan udara termampat sebagai medium, manakala sistem hidraulik menggunakan cecair atau bendalir (biasanya minyak) sebagai medium penghantaran kuasa. Sistem hidraulik lebih tahan lasak dan sesuai untuk kerja berat.
4. Apakah tiga kelas tuas dan bagaimana ia dibezakan? Tiga kelas tuas ialah Tuas Kelas Pertama, Tuas Kelas Kedua, dan Tuas Kelas Ketiga. Perbezaan antara kelas-kelas ini adalah berdasarkan kedudukan relatif bagi beban, daya, dan fulkrum.
• Kelas Pertama: Fulkrum berada di antara beban dan daya (Contoh: gunting).
• Kelas Kedua: Beban berada di antara fulkrum dan daya (Contoh: kereta sorong).
• Kelas Ketiga: Daya berada di antara fulkrum dan beban (Contoh: joran pancing).
5. Apakah fungsi motor elektrik dan apakah dua jenis utamanya? Motor elektrik berfungsi untuk menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal. Ia terbahagi kepada dua jenis utama:
• Motor Arus Ulang Alik (AU): Menggunakan bekalan kuasa AU (cth: 240V atau 415V) dan biasanya digunakan dalam perkakasan domestik dan industri.
• Motor Arus Terus (AT): Menggunakan bekalan kuasa AT (cth: 9V, 12V) daripada sumber seperti bateri. Arah putarannya bergantung pada kekutuban sambungan dawai.