0 0 0
Личный кабинет Войти Регистрация
Уроки
Математика Алгебра Геометрия Физика Всеобщая история Русский язык Английский язык География Биология Обществознание
Тренажёры
Математика ЕГЭ Тренажёры для мозга

Гидравлический пресс

Содержание

    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).

    Рисунок 1. Принцип действия гидравлической машины

    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.

    Рисунок 2. Гидравлический пресс

    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.

    Рисунок 3. Устройство гидравлического пресса

    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.

    Рисунок 4. Упрощенная схема гидравлического тормоза

    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.

    Рисунок 5. Устройство гидравлического домкрата

    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.

    Рисунок 6. Схема гидравлического подъемника

    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
    5Количество опыта, полученного за урок

    Оценить урок

    Спасибо, что помогаете нам стать лучше!

    Комментарии
    Получить ещё подсказку

    Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

    Верно! Посмотрите пошаговое решение