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
5
Хотите оставить комментарий?
Войти