КАРТОЧКИ
ТРЕНАЖЁРЫ
КУРСЫ
Гидравлический пресс
Насос — это не единственное устройство, принцип работы которого построен на явлении давления жидкости и газов. Большое количество гидравлических машин повсеместно используется человеком.
На данном уроке вы узнаете, что представляет из себя гидравлическая машина и гидравлический пресс, узнаете об их устройстве и принципе работы.
Гидравлическая машина
Чтобы рассмотреть устройство гидравлического пресса, сначала дадим определение гидравлической машины.
Определение
Гидравлическая машина (от греческого «гидравликос» — «водяной») — это машина, действие которой основано на законах движения и равновесия жидкостей и объясняется законом Паскаля.
Устройство
Гидравлическая машина в основе представляет собой два цилиндра разного диаметра, в каждом из которых имеется поршень (рисунок 1). Цилиндры соединены между собой трубкой и заполнены жидкостью (чаще всего минеральным маслом).
Принцип работы
Цилиндры представляют собой сообщающиеся сосуды, высота столба жидкости в них будет одинакова, пока поршни находятся в состоянии покоя.
Теперь рассмотрим ситуацию, когда на поршни действуют некоторые силы $F_1$ и $F_2$. При этом $S_1$ и $S_2$ — площади поршней. По определению давления мы уже знаем, что $p = \frac{F}{S}$.
Тогда давление, оказываемое меньшим поршнем, определяется по формуле:
$p_1 = \frac{F_1}{S_1}$.
А давление, оказываемое большим поршнем:
$p_2 = \frac{F_2}{S_2}$.
Эти сосуды соединены между собой. Значит, по закону Паскаля:
$p_1 = p_2$ или
$\frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2}$.
Разделим каждую часть равенства на $F_1$ и умножим на $S_2$, чтобы получить необходимую формулу.
Сила $F_2$ больше силы $F_1$ во столько раз, во сколько раз площадь большего поршня $S_2$ больше площади меньшего $S_1$:
$\frac{F_2}{F_1} = \frac{S_2}{S_1}$.
Например, если площадь большого поршня $300 \space см^2$, а маленького $3 \space см^2$ и на него действует сила $100 \space Н$, то на большой поршень будет действовать сила $10 \space 000 \spaceН$:
$\frac{10 \space 000 \space Н}{100 \space Н}=\frac{300 \space см^2}{3 \space см^2}$.
Показательное отношение $\frac{F_2}{F_1}$ называют выигрышем в силе. Другими словами, с помощью гидравлической машины можно малой силой уравновесить большую силу.
Гидравлический пресс
Определение
Гидравлический пресс — это гидравлическая машина, служащая для сдавливания (прессования).
Гидравлические прессы (рисунок 2) эффективно работают для преобразования малой силы в большую. Они используются для спрессовывания семян при изготовлении масла, для склеивания строительных материалов, для штамповки ювелирных изделий. Современные гидравлические прессы могут развивать силу в сотни миллионов ньютонов.
Устройство и принцип работы
Рассмотрим устройство гидравлического пресса (рисунок 3).
Усложняем схему устройства гидравлической машины. Теперь над большим поршнем 2 имеется платформа, куда мы помещаем прессуемое тело 1.
С помощью малого поршня 3 мы создаем большое давление на жидкость. Оно также начинает действовать на поршень 2. Происходит это потому, что давление передается без изменения в каждую точку жидкости (закон Паскаля).
Площадь поршня 2 больше площади поршня 3. Поэтому и сила, действующая на него, будет больше (давление одинаковое). Под действием этой силы поршень 2 начинает подниматься и придавливает прессуемое тело к неподвижной верхней платформе.
Здесь же установлен манометр 4 для контроля давления жидкости и предохранительный клапан 5. Клапан автоматически открывается, когда давление превышает максимально допустимое в данном устройстве значение.
При повторяющихся движениях поршня 3 жидкость снова попадает из малого цилиндра в большой. Малый поршень поднимается и открывается клапан 6. Тогда пространство под поршнем моментально заполняется жидкостью. Когда же малый поршень 3 опускается, клапан 6 закрывается под давлением жидкости, а клапан 7 открывается. Так жидкость снова оказывается в большом сосуде.
Гидравлический тормоз
Еще одной известной разновидностью гидравлических машин является гидравлический тормоз. На данный момент практически все автомобили оснащены гидравлическими тормозами.
На рисунке 4 изображена схема автомобильного гидравлического тормоза, где 1 — тормозная педаль, 2 — цилиндр с поршнем, 3 — тормозной цилиндр, 4 — тормозные колодки, 5 — пружина, 6 — тормозной барабан. Цилиндры и трубки заполнены специальной жидкостью. Рассмотрим принцип работы этого устройства.
Водитель ногой создает давление на педаль тормоза 1. Это действие передается на поршень цилиндра с тормозной жидкостью 2. По закону Паскаля это давление передается одинаково во все тормозные цилиндры колес автомобиля. Под давлением жидкости подвижные поршни, находящиеся в тормозном устройстве 3, расходятся и прижимают тормозные колодки 4 к тормозному барабану 6 — вращение колес прекращается. Пружина 5 позволяет колодкам вернуться в исходное состояние, когда водитель убирает ногу с педали тормоза.
Гидравлический домкрат
Другое распространенное устройство — гидравлический домкрат (рисунок 5). Принцип действия домкрата идентичен принципу действия гидравлического пресса, но с помощью него можно поднимать очень тяжелые предметы.
Жидкостью здесь выступает гидравлическое масло, а также имеется нагнетательный и спускной клапаны.
Упражнения
Упражнение №1
На рисунке 6 изображена упрощенная схема гидравлического подъемника (разновидности гидравлического домкрата), где 1 — поднимаемое тело, 2 — малый поршень, 3 — клапаны, 4 — клапан для опускания груза, 5 — большой поршень. Груз какой массы можно поднять такой машиной, если известно, что площадь малого поршня $1.2 \space см^2$, большого — $1440 \space см^2$, а сила, действующая на малый поршень, может достигать $1000 \space Н$? Трение не учитывать.
Дано:
$S_1 = 1.2 \space см^2$
$S_2 = 1440 \space см^2$
$F_1 = 1000 \space Н$
$g = 9.8 \frac{Н}{кг}$
$m — ?$
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
Гидравлический подъемник является разновидностью гидравлической машины. Поэтому мы можем использовать следующее равенство, которое мы получили на данном уроке:
$\frac{F_2}{F_1} = \frac{S_2}{S_1}$,
где $F_2 = gm$ — сила, с которой поднимаемое тело действует на большой поршень.
Выразим массу груза и рассчитаем ее:
$\frac{gm}{F_1} = \frac{S_2}{S_1}$,
$m = \frac{F_1 \cdot S_2}{g \cdot S_1}$,
$m = \frac{1000 \space Н \cdot 1440 \space см^2 \cdot }{9.8 \frac{Н}{кг} \cdot 1.2 \space см^2} \approx 122 \space 000 \space кг \approx 120 \space т$.
Ответ: $m = \approx 120 \space т$.
Упражнение №2
В гидравлическом прессе площадь малого поршня $5 \space см^2$, площадь большого — $500 \space см^2$. Сила, действующая на малый поршень, равна $400 \space Н$, на большой — $36 \space кН$. Какой выигрыш в силе дает этот пресс? Почему пресс не дает максимального (наибольшего) выигрыша в силе? Какой выигрыш в силе должен был бы давать этот пресс при отсутствии силы трения между поршнем и стенками пресса?
Дано:
$S_1 = 5 \space см^2$
$S_2 = 500 \space см^2$
$F_1 = 400 \space Н$
$F_2 = 36 \space кН = 36 \space 000 \space Н$
$\frac{F_2}{F_1} — ?$
$\frac{S_2}{S_1} — ?$
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
Рассчитаем реальный выигрыш в силе, который мы получаем при использовании данного гидравлического пресса:
$\frac{F_2}{F_1} = \frac{36 \space 000 \space Н}{400 \space Н} = 90$.
Получается, что мы имеем выигрыш в силе в 90 раз.
Но в реальной жизни при движении поршней возникает сила трения. Какой выигрыш в силе мы бы получили, если бы ее не было?
Используем соотношение площадей поршней:
$\frac{S_2}{S_1} = \frac{500 \space см^2}{5 \space см^2} = 100$.
Это максимальный выигрыш в силе, который бы мы получили при отсутствии силы трения между поршнями и стенками пресса.
Ответ: $\frac{F_2}{F_1} =90$, $\frac{S_2}{S_1} = 100$.
Упражнение №3
Можно ли создать машину, подобную гидравлической, используя вместо воды воздух? Ответ обоснуйте.
Посмотреть ответ
Скрыть
Ответ:
Гидравлические машины действуют на основе закона Паскаля. А этот закон применим не только для жидкостей, но и для газов. Поэтому, да, такую машину можно создать.
Примером подобной машины может служить пневматическая подвеска автомобиля.
5
5
1
Оценить урок
Что можно улучшить?
Войдите, чтобы оценивать уроки
Что нужно исправить?
Отзыв отправлен. Спасибо, что помогаете нам стать лучше!
Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.
Хотите оставить комментарий?
Войти
Евгения Семешева
Медицинский физик, преподаватель физики средней и старшей школы.