Гидравлические машины в физике - виды, формулы и определения с примерами

Содержание:

Гидравлические машины:

Закон Паскаля лежит в основе устройства и действия гидравлических машин. Гидравлические машины (от греческого слова гидравликос - водный) - это машины, для работы которых используется жидкость. Подобно другим простым машинам и механизмам, которые вы будете изучать в следующей главе, назначение гидравлической машины — это преобразование значения силы и направления её действия. Главной частью гидравлической машины являются два цилиндрических сосуда разного диаметра, соединённые между собой трубкой (рис. 102).

Внутри сосудов свободно перемещаются плотно прилегающие к стенкам поршни. Сосуды под поршнями обычно заполняют машинным маслом.

На обоих поршнях стоят гири; видим, что на большем правом поршне гиря имеет значительно больший вес, чем на левом малом. Поэтому сила давления

Давление под большим поршнем будет равно соответственно: 

В равновесии жидкость в машине должна находиться в покое, т. е. не перетекать из одного цилиндра в другой. Это возможно только тогда, когда давление жидкости слева будет равно давлению жидкости справа, т. е.: или   

Пользуясь свойством пропорции, это соотношение можно представить в виде:

Отсюда следует, что в состоянии равновесия сила давления   под большим поршнем во столько раз больше силы давления  под малым поршнем, во сколько раз площадь большого поршня  S₂ больше площади малого S₁ . Это означает, что, действуя малой силой на малый поршень, можно уравновесить большую силу на большом поршне, например удержать или поднять тяжёлый груз.

Видим, что гидравлическая машина позволяет увеличить силу и изменить направление её действия.

Гидравлическая машина даёт выигрыш в силе во столько раз, во сколько площадь её большого поршня превышает площадь малого.

Гидравлическую машину, предназначенную для прессовки (сжатия) пористых тел (внутри которых есть пустоты), называют гидравлическим прессом. Тело для прессования кладут на платформу, размещённую на большом поршне (рис. 10З). Когда поршень поднимается, тело упирается в неподвижную верхнюю платформу и сжимается.

Из малого сосуда и большого масло перекачивается повторными движениями малого поршня. Когда он поднимается вверх, то под поршень всасывается масло из сосуда. При этом клапан 1 открывается, а клапан 2 закрывается под действием давления масла. Когда опускается малый поршень, наоборот, кланам 1 закрывается, а открывается клапан 2, и жидкость переходит к большой сосуд.

Например, если площадь малого поршня S₁  = 5 см², а площадь большого поршня S₂  = 500 см² выигрыш в силе будет составлять 100 раз. Установив этот удивительный фак. Паскаль написал, что с помощью изобретенной им машины "один человек, нажимающий на малый поршень, уравновесит силу ста людей, которые нажимают на поршень, в сто раз больший, и тем самым преодолеют силу  девяносто девяти людей". Впервые гидравлические прессы начали применяться на практике в конце XVIII — в начале XIX ст.

Гидравлические прессы используют в производстве стальных валов и кузовов машин, железнодорожных колес, различных металлических и пластмассовых изделий. Для выдавливания сока из винограда, масла — из семян подсолнечника, изготовления халвы также используют прессы. Современные гидравлические прессы могут создавать давление  41 700 MПа.

В автомобилях используют гидравлические тормоза. Схема устройства такого гидравлического тормоза показана на рис. 104. Если водитель давит на педаль 1, то поршень в цилиндре 2 создает давление на жидкость, которая заполняет цилиндр 2, трубку и тормозные цилиндры 3. Это давление согласно закону Паскаля передается без изменения жидкостью на поршни тормозных цилиндров 3. Поршни по действием  силы давления расходятся и прижимают тормозные колодки 4 к тормозным барабанам — колеса автомобиля тормозят, автомобиль  уменьшает скорость и останавливается. Если водитель прекращает давить на педаль, то пружина сжимается и возвращает тормозные колодки  в исходное положение.

Гидравлическая машина

Закон Паскаля положен в основу принципа действия многих технических устройств и машин. Для случая использования закона Паскаля для жидкостей они получили название гидравлических машин.

Простейшая гидравлическая машина состоит из двух цилиндров, соединенных между собой трубкой. В каждом цилиндре находится поршень, плотно прилегающий к стенкам цилиндра. Под поршнями в цилиндрах находится какая-либо жидкость. Как правило, это минеральное масло (рис. 88). Использование жидкости обусловлено тем, что она мало сжимается.

Если нажать на один из поршней так, чтобы он сместился, создавая давление на жидкость, то второй поршень также сместится. Таким образом, согласно закону Паскаля давление, действующее на жидкость в первом цилиндре, будет передаваться жидкости во втором цилиндре. Благодаря этому давлению поршень второго цилиндра сместится.

• Заказать решение задач по физике

Ценным свойством гидравлической машины является возможность с ее помощью изменять значение силы. И такое изменение можно рассчитать.

Пусть площадь первого поршня равна  Если на него действует сила , то она создает давление

Согласно закону Паскаля такое же давление, как во всей жидкости, будет действовать и на второй поршень:

Так как

то

Из последней формулы можно сделать вывод, что, изменяя площади поперечного сечения цилиндров, можно изменять силу, действующую на них со стороны жидкости.

Чем больше площадь одного цилиндра по сравнению с площадью другого, тем большее изменение силы получим при использовании такой машины:

Использование гидравлической машины в технике

Одной из проблем, которые решает современная техника, является поднятие грузов большой массы и веса. Это может быть груженый автомобиль, железнодорожный вагон и даже целый дом. С этой целью используют специальные приспособления - домкраты. Наиболее распространены домкраты, в которых используется принцип гидравлической машины (рис. 89). Он состоит из двух цилиндров разных диаметров и поршней, размещенных в них. Поршень малого диаметра одновременно является поршнем насоса, который нагнетает масло в цилиндр большого диаметра. Поскольку диаметр (площадь) второго поршня значительно больше, то и сила, действующая на него, будет значительно большей, чем сила, действующая на поршень малого диаметра. Пользуясь домкратом, водитель может самостоятельно поднять многотонный автомобиль.

Подобный принцип используется в тормозных системах современных автомобилей. Тормоза, получившие название гидравлических, имеют цилиндр малого диаметра 1 (рис. 90), поршень которого жестко связан с тормозной педалью, и цилиндры большего диаметра. Поршни 2 непосредственно действуют на тормозные колодки. Тормозные колодки, в свою очередь, с двух сторон сжимают диски, находящиеся на каждом колесе 3. Вся тормозная система заполнена минеральным маслом. Такое строение тормозов дает возможность незначительным нажимом на педаль создать большую силу, которая  действует на тормозные колодки (рис. 90).

Гидравлическими машинами являются и большинство рабочих механизмов современных транспортных, строительных и грузоподъемных машин. Типичным примером такого механизма является гидравлический пресс (рис. 91). Он имеет цилиндры с поршнем 2 большого диаметра и насос 1, нагнетающий масло в него. Так как площадь рабочего цилиндра больше, чем площадь цилиндра насоса, то получают соответственный выигрыш в силе.