Пристрій, принцип роботи гідравлічного преса

Щоб зрозуміти принцип роботи гідравлічного преса, згадаємо правило повідомлених судин. Його автор Блез Паскаль встановив, що якщо вони наповнені однорідною рідиною, то її рівень у всіх судинах однаковий. При цьому конфігурація ємностей і їх розміри не мають значення. У статті будуть описані кілька дослідів з повідомленими ємностями, які допоможуть нам розібратися в пристрої і принципі роботи гідравлічного преса.

Експеримент

Припустимо, у нас є повідомлення посудини з різною площею поперечного перерізу. Площа меншого позначимо s, більшого - S. Наповнимо ємності рідиною. Згідно із законом, судини поверхні рідин знаходяться на одній висоті.


Закриємо посудини зверху поршнями. Можна вважати, що s і S - це площі поршнів. Натиснемо на менший силою f. Він піде вниз, рідина буде перетікати в більший циліндр, і поршень зліва почне підніматися. Щоб не дати йому підніматися, ми теж докладемо до нього силу. Позначимо її F.

Щоб наблизитися до розуміння принципу роботи гідравлічного преса, спробуємо знайти зв 'язок між цими двома силами. Будемо виходити з умови рівноваги. До того, як ми накрили судини поршнями, рідини перебували в рівновазі. Тиск у ємностях був однаковим (p = P). Натиснемо на обидва поршні так, щоб рідина, як і раніше, залишалася в рівновазі. Тиски p і Р, звичайно ж, збільшаться. Однак вони як і раніше залишаться однаковими, тому що збільшаться на одну і ту ж додаткову величину. Це величина тиску, створюваного поршнями. Вона за законом Паскаля передається всюди.

Ось умова рівноваги: р = Р. Можна розглядати тиск, створений поршнями, або тиск стовпа рідини. Результат буде один і той же. Зауважимо, що тиск, створений поршнями, в тисячу разів більший, ніж гідростатичний тиск стовпа рідини. Стовпчик води висотою в кілька сантиметрів створює тиск у сотні паскалів. А тиск поршня становить сотні кілопаскалів, а іноді і мегапаскалів. Тому надалі ми будемо нехтувати тиском стовпа рідини і вважати, що тиску p і Р створені виключно силами f і F.

Залежність сили тиску поршнів від їх площі

Виведемо формулу, принцип роботи гідравлічного преса без неї буде незрозумілий. p = f/s і аналогічно P = F/S. Зробимо підстановку в умову рівноваги. f/s=F/S. А тепер порівняємо сили f і F. Для цього і ліву, і праву частину виразу помножимо на S і розділимо на f. Отримаємо f * S/s * f = F * S/S * f. Скоротимо f і S в обох частинах. Результатом буде рівність F/f = S/s.

Поняття виграшу в силі

Якщо S > s, то сила тиску на поршень у великій судині буде в стільки разів більше сили, яка тисне на малий поршень, у скільки разів площа більш великого поршню перевищує площу малого. Іншими словами, прикладаючи невелику силу до маленького поршню, у великій судині ми отримаємо силу, що набагато перевищує ту, з якою ми тиснемо на маленький поршень. Це ефект, який називається виграш в силі. Він показує, у скільки разів сили відрізняються, тобто чому дорівнює ставлення F до f. Якщо ми візьмемо судини, площі поперечного перерізу яких сильно відрізняються, то можемо отримати виграш в силі і в десять, і в тисячу разів. Аналіз сил дає зрозуміти: виграш в силі дорівнює відношенню площ великого і малого поршня.


Рух поршньої гідравлічної машини

У багатьох галузях використовується принцип роботи гідравлічного преса: у фізиці, будівництві, обробці матеріалів, сільському господарстві, автомобілебудуванні тощо. Приклади застосування гідравлічних машин представлені на малюнку.

Розгляньмо всі ті ж дві повідомлення посудини з поршнями, але тепер ми будемо звертати увагу не на силу, а на відстань, яку проходять поршні при переміщенні. Уявімо, що початкове їхнє становище різне. Поршень площею S розташований нижче поршню площею s. Перемістимо менший поршень на відстані h. Вода з меншої судини перейшла в більшу і натиснула на поршень. Він перемістився на висоту H.

Знаючи співвідношення між площами, знайдемо співвідношення між висотами. Об 'єм, який пішов під тиском з лівого циліндра в правий, позначимо v. У правий циліндр зайшла рідина об' ємом V. Рідина незтискається. Як це можна записати математично? v=V. Висловимо обсяг через площу і висоту. v=s*h и V=S*H. Отже, s * h = S * H. S/s=h/H. Отже, виграш у силі F/f = h/H. Це співвідношення дає нам розуміння принципу роботи гідравлічного преса. Ми робимо висновок: оскільки F більше, ніж f, то H менше h, причому в стільки ж разів.

Припустимо, гідравлічна машина дає виграш в силі в сто разів. Це означає, що якщо ми опустимо менший поршень на 100 мм, то інший поршень підніметься всього на 1 мм. А є машини, які дають виграш в силі в тисячу разів. А як же бути у випадках, коли на поршні стоїть автомобіль і його потрібно підняти на висоту декількох метрів?

Пристрій і принцип роботи гідравлічного преса

У поршні невеликої площі знаходиться клапан, який закриває трубочку, що веде в резервуар з машинним маслом. Воду в гідравлічних пресах зазвичай не використовують, тому що вона викликає корозію, до того ж у неї порівняно низька температура кипіння. Поршень приводить у рух рукоятка. Рідина передається з меншого циліндра в більший через трубочку.


У великій судині теж є клапан і поршень. Коли ми піднімаємо важіль, масло за допомогою атмосферного тиску всмоктується в менший циліндр. Коли ми опускаємо поршень, клапан закривається, маслу діватися нікуди, тому воно переходить у більшу посудину. Воно піднімає клапан у ньому, обсяг олії збільшується, через це піднімається поршень. Коли ми знову піднімаємо малий поршень, клапан у великій судині закривається, тому олія нікуди не йде і поршень залишається на місці.

Принцип роботи гідравлічного преса такий, що будь-які коливання малого поршню завжди призводять до руху великого поршня вгору. У пристрої передбачений механізм, який дозволяє великому поршню опускатися. Це шланг з краном у більшій судині. Коли ми закриваємо кран, ми герметизуємо великий циліндр, а коли відкриваємо, то приводимо гідравлічний прес у вихідне положення, масло зливається. Воно повертається в резервуар, що дозволяє опустити поршень.