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

Поршневой жидкостный насос

Содержание

    На этом уроке мы рассмотрим несколько устройств, которые прочно вошли в нашу жизнь и постоянно используются человечеством. Работа этих устройств связана с законом Паскаля, с распределением давления в жидкостях и газах, с действием атмосферного давления.

    Дополнительно вспомним определение сообщающихся сосудов. Они имеют общую соединяющую их часть, заполненную жидкостью.

    Устройства, о которых пойдет речь на данном уроке, — это насосы. Изобретение первого насоса относится к глубокой древности. Простые деревянные насосы использовали для подъема воды из колодца (рисунок 1). Первый насос для тушения пожаров изобрел древнегреческий механик Ктесибий. Он был описан еще в I в. до н. э. Но активное развитие поршневых насосов началось в конце XVIII века, когда для их изготовления стали использовать металл.

    Рисунок 1. Примитивный поршневой жидкостный насос

    Перейдем к рассмотрению более современных вариантов.

    Поршневой жидкостный насос

    Какое явление используют в устройстве поршневого водяного насоса?
    Раннее мы рассматривали опыты, где жидкость под действием атмосферного давления поднималась в стеклянной трубке. Именно по такому принципу работают шприцы, пипетки и, собственно, насосы (рисунок 2).

    Рисунок 2. Приборы, принцип действия которых основан на воздействии атмосферного давления

    Схематическое изображение обычного поршневого жидкостного насоса представлено на рисунке 3. Как устроен и действует такой насос?

    Рисунок 3. Схематическое изображение поршневого жидкостного насоса

    Мы видим цилиндрический сосуд, внутри которого по вертикали может перемещаться плотно прилегающий к стенкам сосуда поршень 1.

    В нижней части сосуда и в поршне существуют клапаны 2. Они могут открываться только вверх. Если мы начнем поднимать поршень, то увидим, что вода поднимает нижний клапан, оставляя его открытым. Под действием атмосферного давления жидкость заполнит сосуд.

    Когда мы будем опускать поршень вниз, на нижний клапан подействует давление воды, находящейся под поршнем. Клапан закроется.

    Когда же поршень начинает вновь двигаться вверх, вместе с ним начинает подниматься и вода, находящаяся под ним. При каждом последующем поднятии поршня за ним поднимается новая порция воды, которая и выливается через кран/отводящую трубу.

    https://www.youtube.com/watch?v=Hwne4EmHUM8

    Поршневой насос с воздушной камерой

    Существуют поршневые насосы с воздушной камерой (рисунок 4). Рассмотрим, чем его действие будет отличаться от обычного поршневого насоса. 

    Рисунок 4. Схематическое изображение поршневого насоса с воздушной камерой

    Подъем рукоятки (рисунок 4, а):

    • Рукоятка 5 поднимает поршень 1 вверх, клапан 3 закрывается под весом воды;
    • Атмосферное давление давит на воду в нижнем сосуде, она открывает клапан 2, через который сосуд заполняется водой.

    Такой насос, благодаря воздушной камере, может создавать непрерывный поток воды. Например, к крану можно подсоединить шланг для полива.

    Опускание рукоятки (рисунок 4, б):

    • Используя рукоятку 5, мы давим на поршень 1, опуская его вниз. Теперь давление передается на два клапана: 2 и 3;
    • Клапан 2 под давлением воды закрывается, а клапан 3, наоборот, открывается. Через клапан 3 вода выходит через трубку наружу.

    Упражнения

    Упражнение №1

    На какую высоту можно поднять воду обычным поршневым насосом (рисунок 2) при нормальном атмосферном давлении?

    Важно понимать, что не мы тащим воду наверх, а атмосферное давление толкает жидкость. Поднимая руками поршень, мы создаем безвоздушное пространство, из-за чего давление снаружи поршня становится больше и выталкивает жидкость.

    И подобно тому, как человек не может поднять руками грузовик, атмосферное давление не бесконечно и поднимет столб жидкости определенной высоты.

    Жидкость будет подниматься до тех пор, пока ее давление меньше атмосферного. То есть, когда давление столба жидкости будет равно атмосферному, высота столба будет наибольшей.

    Дано:
    $p = 101 \space 300 \space Па$
    $\rho = 1000 \frac{кг}{м^3}$
    $g = 9.8 \frac{Н}{кг}$

    $h — ?$

    Посмотреть решение и ответ

    Скрыть

    Решение:

    Давление столба жидкости мы можем рассчитать по формуле:
    $p = \rho gh$, где:

    • $p$ — давление столба жидкости и величина нормального атмосферного давления ($760 \space мм \space рт. \space ст.$ или $101 \space 300 \space Па$);
    • $\rho$ — плотность воды ($1000 \frac{кг}{м^3}$);
    • $g$ — ускорение свободного падения.

    Значит, мы можем выразить высоту $h$ из этой формулы и рассчитать ее:
    $h = \frac{p}{\rho g}$,
    $h = \frac{101 \space 300 \space Па}{1000 \frac{кг}{м^3} \cdot 9.8 \frac{Н}{кг}} \approx 10.3 \space м$.

    Таким же образом можно рассчитать предельную высоту подъема для других жидкостей, если мы знаем их плотность.

    Ответ: $h \approx 10.3 \space м$.

    Упражнение №2

    На какую наибольшую высоту вручную можно поднять спирт, ртуть поршневым насосом (рисунок 2) при нормальном атмосферном давлении?

    Дано:
    $\rho_1 = 800 \frac{кг}{м^3}$
    $\rho_2 = 13 \space 600 \frac{кг}{м^3}$
    $p = 101 \space 300 \space Па$
    $g = 9.8 \frac{Н}{кг}$

    $h — ?$

    Посмотреть решение и ответ

    Скрыть

    Решение:

    Максимальная высота столба жидкости будет достигнута в тот момент, когда давление жидкости будет равно атмосферному давлению. Рассчитаем эти высоту для спирта и ртути, используя формулу:
    $p = \rho gh$.

    Максимальная высота столба спирта:
    $h_1 = \frac{p}{\rho_1 g}$,
    $h_1 = \frac{101 \space 300 \space Па}{800 \frac{кг}{м^3} \cdot 9.8 \frac{Н}{кг}} \approx 12.9 \space м$.

    Максимальная высота столба ртути:
    $h_2 = \frac{p}{\rho_2 g}$,
    $h_2 = \frac{101 \space 300 \space Па}{13\space 600 \frac{кг}{м^3} \cdot 9.8 \frac{Н}{кг}} \approx 0.76 \space м$.

    Ответ: $h_1 \approx 12.9 \space м$, $h_2 \approx 0.76 \space м$.

    Упражнение №3

    Объясните работу поршневого насоса с воздушной камерой (рисунок 4), где 1 — поршень; 2 — всасывающий клапан; 3 — нагнетательный клапан; 4 — воздушная камера; 5 — рукоятка.
    Какую роль играет в этом насосе воздушная камера? Можно ли поднять этим насосом воду с глубины, большей $10.3 \space м$?

    Посмотреть ответ

    Скрыть

    Ответ:

    Поднимаем рукоятку. Поршень идет вверх, нагнетательный клапан закрывается. Открывается всасывающий клапан, и вода под действием атмосферного давления поступает внутрь насоса.

    Далее опускаем рукоятку — поршень идет вниз. Всасывающий клапан закрывается под давлением воды, а нагнетательный клапан в это время открывается. Вода попадает в воздушную камеру и под действием давления воздуха выходит наружу.

    Таким насосом мы можем поднять воду с глубины, большей $10.3 \space м$. Это возможно, так как вода поднимается не только под действием атмосферного давления, но и под действием давления сжатого воздуха в воздушной камере.

    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