Aby zrozumieć, jak działa prasa hydrauliczna, pamiętajmy o zasadzie naczyń połączonych. Jego autor Blaise Pascal stwierdził, że jeśli są wypełnione jednorodną cieczą, to jej poziom we wszystkich naczyniach jest taki sam. W tym przypadku konfiguracja pojemników i ich wymiary nie mają znaczenia. W artykule opisano kilka eksperymentów z komunikacją kontenerów, które pomogą nam zrozumieć budowę i zasadę działania prasy hydraulicznej.
Eksperyment
Powiedzmy, że mamy naczynia połączone o różnych przekrojach. Powierzchnię mniejszego oznaczamy s, większą - S. Napełnijmy pojemniki płynem. Zgodnie z prawem naczyń połączonych, powierzchnie cieczy znajdują się na tej samej wysokości.
Zamknijmy naczynia od góry tłokami. Możemy założyć, że s i S to obszary tłoków. Naciśnij mniejszy z siłą f. Spadnie, płyn będziewpłynie do większego cylindra, a tłok po lewej stronie zacznie się podnosić. Aby uniemożliwić mu powstanie, zastosujemy wobec niego również siłę. Oznacz to F.
Aby zbliżyć się do zrozumienia działania prasy hydraulicznej, spróbujmy znaleźć związek między tymi dwiema siłami. Wyjdziemy z warunku równowagi. Zanim przykryliśmy naczynia tłokami, płyny były w równowadze. Ciśnienie w zbiornikach było takie samo (p=P). Dociśnij oba tłoki, aby płyn nadal pozostawał w równowadze. Oczywiście ciśnienie p i P wzrośnie. Jednak nadal pozostaną takie same, ponieważ wzrosną o tę samą dodatkową kwotę. Jest to ciśnienie wytwarzane przez tłoki. Jest transmitowany wszędzie zgodnie z prawem Pascala.
Oto warunek równowagi: p=P. Możesz wziąć pod uwagę ciśnienie wytwarzane przez tłoki lub ciśnienie słupa cieczy. Wynik będzie taki sam. Należy zauważyć, że ciśnienie wytwarzane przez tłoki jest tysiąc razy większe niż ciśnienie hydrostatyczne słupa cieczy. Kilkucentymetrowy słup wody wytwarza ciśnienie setek paskali. A ciśnienie tłoka to setki kilopaskali, a czasem megapaskali. Dlatego w dalszej części pominiemy ciśnienie słupa cieczy i założymy, że ciśnienia p i P są tworzone wyłącznie przez siły f i F.
Zależność siły nacisku tłoków od ich powierzchni
Wyprowadźmy wzór, zasada działania prasy hydraulicznej bez niej będzie niezrozumiała. p=f/s i podobnie P=F/S. Zróbmy podstawienie do warunku równowagi. f/s=F/S. A teraz porównajmy siły f i F. W tym celu lewa i prawa część wyrażeniapomnóż przez S i podziel przez f. Otrzymujemy fS/sf=FS/Sf. Usuńmy f i S w obu częściach. Wynikiem będzie równość F/f=S/s.
Koncepcja wygranej jest słuszna
Jeśli S>s, to siła nacisku na tłok w dużym naczyniu będzie tyle razy większa niż siła, która naciska na mały tłok, ile razy powierzchnia większego tłoka przekracza powierzchnię mały. Innymi słowy, przykładając niewielką siłę do małego tłoka, w dużym naczyniu otrzymamy siłę znacznie większą niż ta, z jaką naciskamy na mały tłok. Jest to efekt zwany przyrostem siły. Pokazuje, ile razy siły różnią się, tj. jaki jest stosunek F do f. Jeśli weźmiemy naczynia o bardzo różnych polach przekroju poprzecznego, to możemy uzyskać dziesięciokrotny lub nawet tysiąckrotny wzrost siły. Analiza siły wyjaśnia: przyrost siły jest równy stosunkowi powierzchni dużego i małego tłoka.
Ruch tłoków maszyny hydraulicznej
Wiele branż wykorzystuje zasadę prasy hydraulicznej: fizyka, budownictwo, obróbka materiałów, rolnictwo, motoryzacja itp. Przykłady zastosowania maszyn hydraulicznych pokazano na rysunku.
Rozważmy te same dwa naczynia połączone z tłokami, ale teraz zwrócimy uwagę nie na siłę, ale na odległość, jaką poruszają się tłoki. Wyobraź sobie, że ich pozycja wyjściowa jest inna. Tłok o powierzchni S znajduje się poniżej tłoka o powierzchni s. Przesuńmy mniejszy tłok na odległość h. Woda z mniejszego naczynia przeszła do większego iwciśnięty na tłok. Przeniósł się na wysokość H.
Znając stosunek między obszarami, znajdujemy stosunek między wysokościami. Objętość, która przeszła pod ciśnieniem z lewego cylindra do prawego, oznaczono v. Do prawego cylindra dostała się ciecz o objętości V. Ciecz jest nieściśliwa. Jak można to zapisać matematycznie? v=v. Ekspresowa objętość pod względem powierzchni i wysokości. v=sh i V=SH. Więc sh=SH. S/s=h/H. Dlatego przyrost siły wynosi F/f=h/H. Ten stosunek pozwala nam zrozumieć, jak działa prasa hydrauliczna. Dochodzimy do wniosku, że skoro F jest większe od f, to H jest mniejsze od h io tym samym współczynniku.
Powiedzmy, że maszyna hydrauliczna daje stokrotny wzrost siły. Oznacza to, że jeśli obniżymy mniejszy tłok o 100 mm, drugi tłok podniesie się tylko o 1 mm. A są maszyny, które tysiąckrotnie przybierają na sile. Ale co, gdy na tłoku stoi samochód i trzeba go podnieść na wysokość kilku metrów?
Budowa i zasada działania prasy hydraulicznej
W tłoku o małej powierzchni znajduje się zawór, który zamyka rurkę prowadzącą do zbiornika oleju silnikowego. Woda generalnie nie jest używana w prasach hydraulicznych, ponieważ jest żrąca i ma stosunkowo niską temperaturę wrzenia. Tłok napędza uchwyt. Płyn jest przenoszony z mniejszego cylindra do większego przez rurkę.
Duże naczynie ma również zawór i tłok. Kiedy podnosimy dźwignię, olej, za pomocą atmosferycznegociśnienie jest zasysane do mniejszego cylindra. Gdy opuścimy tłok, zawór się zamyka, olej nie ma dokąd pójść, więc trafia do większego naczynia. Podnosi w nim zawór, zwiększa się objętość oleju, przez co tłok unosi się. Kiedy ponownie podniesiemy mały tłoczek, zawór w dużym naczyniu zamyka się, więc olej nigdzie nie płynie, a tłok pozostaje na swoim miejscu.
Zasada działania prasy hydraulicznej jest taka, że wszelkie drgania małego tłoka zawsze prowadzą do ruchu dużego tłoka w górę. Urządzenie posiada mechanizm umożliwiający opuszczenie dużego tłoka. To wąż z kranem w większym naczyniu. Po zamknięciu kranu uszczelniamy duży cylinder, a otwierając go, prasę hydrauliczną przywracamy do pierwotnego położenia, olej spływa. Wraca do zbiornika, co pozwala opuścić tłok.
