Гидравлический пресс в физике, теория и онлайн калькуляторы
Гидравлический пресс
Определение и принцип гидравлического пресса
Определение
Гидравлический пресс – это машина, которая действует на основе законов движения и равновесия жидкостей.
Закон Паскаля лежит в основе принципа действия гидравлического пресса. Название этого устройства происходит от греческого слова гидравликос – водяной. Гидравлическим прессом называют гидравлическую машину, которая используется для прессования (сдавливания). Гидравлический пресс используют там, где необходима большая сила, например, при выдавливании масла из семян. При помощи современных гидравлических прессов можно получать силу до ${10}^8$ньютонов.
Основу гидравлической машины составляют два цилиндра разного радиуса с поршнями (рис.1), которые соединены трубой. Пространство в цилиндрах под поршнями обычно заполняют минеральным маслом.
Для того чтобы понять принцип действия гидравлической машины следует вспомнить, что такое сообщающиеся сосуды и в чем смысл закона Паскаля.
Сообщающиеся сосуды
Сообщающимися называют сосуды, соединенные между собой и в которых жидкость может свободно перетекать из одного сосуда в другой. Форма сообщающихся сосудов может быть разной. В сообщающихся сосудах жидкость одной плотности устанавливается на одном уровне, если давления над свободными поверхностями жидкости одинаковы.
Из рис.1 мы видим, что конструктивно гидравлическая машина – это два сообщающихся сосуда разного радиуса. Высоты столбов жидкости в цилиндрах будут одинаковыми, если на поршни не действуют силы.
Закон Паскаля
Закон Паскаля говорит нам о том, что давление, которое оказывают внешние силы на жидкость, передаются ей без изменения во все ее точки. На законе Паскаля основано действие многих гидравлических устройств: прессов, тормозных систем, гидроприводов, гидроусилителей и т.д.
Принцип действия гидравлического пресса
Одним из самых простых и старых устройств основанных на законе Паскаля является гидравлический пресс, в котором небольшая сила $F_1$, прикладываемая к поршню небольшой площади $S_1$, преобразуется в большую силу $F_2$, которая воздействует на площадь большой площади $S_2$.
Давление, которое создает поршень номер один, равно:
[p_1=frac{F_1}{S_1}left(1right).]
Давление второго поршня на жидкость составляет:
[p_2=frac{F_2}{S_2}left(2right).]
Если поршни находятся в равновесии то давления $p_1$ и $p_2$ равны, следовательно, мы можем приравнять правые части выражений (1) и (2):
[frac{F_1}{S_1}=frac{F_2}{S_2}left(3right).]
Определим, каким будет модуль силы, прикладываемой к первому поршню:
[F_1=F_2frac{S_1}{S_2}(4)]
Из формулы (4), видим, что величина $F_1$ больше модуля силы $F_2$ в $frac{S_1}{S_2}$ раз.
И так, применяя гидравлический пресс можно небольшой силой уравновесить гораздо большую силу. Отношение $frac{F_1}{F_2}$ показывает выигрыш в силе.
Пресс работает так. Тело, которое необходимо спрессовать, укладывают на платформу, которая лежит на большом поршне. С помощью малого поршня создают высокое давление на жидкость. Большой поршень вместе со сжимаемым телом поднимается, упирается в неподвижную платформу, находящуюся над ними, тело сжимается.
Из малого цилиндра в большой жидкость перекачивают повторным движением поршня малой площади. Делают это следующим образом. Малый поршень поднимается, открывается клапан, при этом в пространство под малым поршнем засасывается жидкость. Когда малый поршень опускается жидкость, оказывая на клапан давление, его закрывает, при этом открывается клапан, который пропускает жидкость в большой сосуд.
Примеры задач с решением
Пример 1
Задание. Каким будет выигрыш в силе у гидравлического пресса, если при действии на малый поршень (площадью $S_1=10 {см}^2$) с силой $F_1=800$ Н, получают силу, воздействия на большой поршень ($S_2=1000 {см}^2$) равной $F_2=72000 $ Н?
Какой выигрыш в силе получался бы у этого пресса, если бы отсутствовали силы трения?
Решение. Выигрышем в силе называют отношение модулей полученной силы к приложенной:
[frac{F_2}{F_1}=frac{72000}{800}=90.]
Используя формулу, полученную для гидравлического пресса:
[frac{F_1}{S_1}=frac{F_2}{S_2}left(1.1right),]
найдем выигрыш в силе при отсутствии сил трения:
[frac{F_2}{F_1}=frac{S_2}{S_1}=frac{1000}{10}=100.]
Ответ. Выигрыш в силе в прессе при наличии сил трения равен $frac{F_2}{F_1}=90.$ Без трения он
был бы равен $frac{F_2}{F_1}=100.$
Пример 2
Задание. Используя гидравлический подъемный механизм, следует поднять груз имеющий массу $m$. Какое число раз ($k$) нужно опустить малый поршень за время $t$, если за один раз он опускается на расстояние $l$? Отношение площадей поршней подъемника равно: $frac{S_1}{S_2}=frac{1}{n}$ ($n>1$). Коэффициент полезного действия машины составляет $eta $ при мощности его двигателя $N$.
Решение. Принципиальная схема работы гидравлического подъемника изображена на рис.2., она аналогична работе гидравлического пресса.
В качестве основы для решения задачи используем выражение, связывающее мощность и работу, но при этом учтем, КПД подъемника, тогда мощность равна:
[N=frac{eta A}{t}to A=eta Ntleft(2.1right).]
Работу производят с целью груз поднять, значит, ее найдем как изменение потенциальной энергии груза, за ноль потенциальной энергии будем считать энергию груза в месте начала его подъема ($E_{p1}$=0), имеем:
[A=E_{p2}-E_{p1}=E_{p2}=mgh left(2.2right),]
где $h$ – высота, на которую подняли груз. Приравняв правые части формул (2.1) и (2.2), найдем высоту, на которую подняли груз:
[eta Nt=mghto h=frac{eta Nt}{mg}left(2.3right).]
Работу, выполняемую силой $F_0$, при перемещении малого поршня найдем как:
[А_1=F_0l left(2.4right),]
Работа силы, которая двигает большой поршень вверх (сжимает гипотетическое тело), равна:
[А_2=FL .]
[А_1=А_2to F_0l=FL]
[frac{F_0}{F}=frac{L}{l}=frac{S_1}{S_2}left(2.5right),]
где $L$ – расстояние, на которое сдвигается большой поршень за один ход. Из (2.5) имеем:
[frac{S_1}{S_2}=frac{L}{l}to L=frac{S_1}{S_2}l left(2.6right).]
Для того чтобы найти количество ходов поршней (число раз которое опустится малый поршень или поднимется большой) следует высоту поднятия груза разделить на расстояние на которое сдвигается большой поршень за один ход:
[k=frac{h}{L}=frac{eta NtS_2}{mgS_1l}=frac{eta Ntn}{mgl}.]
Ответ. $k=frac{eta Ntn}{mgl}$
Читать дальше: закон Архимеда.
236
проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности
Мы помогли уже 4 396 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!
Гидравлический пресс
4.5
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 223.
4.5
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 223.
Многие виды техники в современном мире имеют гидравлический привод рабочих узлов. Опоры автокранов, ковш экскаватора, выпускаемые шасси самолетов — все они приводятся в движение с помощью гидравлических рабочих цилиндров. Наиболее простой гидравлической машиной является пресс. Рассмотрим принцип его действия, выведем формулу гидравлического пресса.
Принцип действия гидравлического пресса
В основе работы любых гидравлических машин лежит закон Паскаля, известный из курса физики 7 класса: давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку жидкости или газа без изменений. То есть, если в одной части сосуда с жидкостью создать давление, то оно распределится по всему объему жидкости, независимо от его формы.
Сила же, с которой жидкость давит на стенку сосуда, зависит от площади стенки. Это позволяет создавать большое усилие, «собрав» давление с большой площади.
Таким образом, простейший гидравлический пресс должен состоять из двух цилиндров — малого и большого, заполненных жидкостью. Если приложить силу к поршню малого цилиндра, то потребуется небольшое усилие, поскольку площадь поршня невелика. Созданное давление распределится по всей жидкости, и будет передано в большой цилиндр. Однако, площадь поршня в большом цилиндре гораздо больше, а значит, и усилие, создаваемое этим поршнем, будет значительно больше, чем усилие, приложенное к поршню малого цилиндра.
Формула гидравлического пресса
Какое же усилие может создать гидравлический пресс?
Для ответа на этот вопрос представим гидравлический пресс с двумя цилиндрами. На малый поршень площадью $S_{мал}$ воздействует сила $F_{мал}$. Она создает некоторое давление $p_{мал}$.
Давление в большом поршне $p_{бол}$ действует на большой поршень площадью $S_{бол}$, и создает усилие $F_{бол}$.
Давление равно отношению силы к площади ее приложения:
$$p = {F over S}$$
Поскольку цилиндры сообщаются, давление в обоих цилиндрах по закону Паскаля равно:
$$p_{мал} = p_{бол}$$
Подставляя в обе части этой формулы выражения для давления, получим:
$${ F_{мал} over S_{мал}}={ F_{бол} over S_{бол}}$$
Или, после преобразований:
$${ F_{бол} over F_{мал}}={ S_{бол} over S_{мал}}$$
Сила, создаваемая большим поршнем, во столько же раз больше силы, приложенной к малому поршню, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого поршня.
Гидравлический пресс как рычаг
На первый взгляд может показаться, что гидравлический пресс позволяет создавать усилие из «ниоткуда» и производить большую работу без затраты энергии. Однако это не так.
Величина произведенной работы равна произведению силы на расстояние, пройденное этой силой. Пока поршни неподвижны, работа равна нулю. Однако, если поршни начинают движение, то малый поршень пройдет во столько же большее расстояние, во сколько его площадь меньше площади большого поршня.
Получается, что выигрыш в силе на большом поршне достигается с помощью проигрыша в расстоянии на малом. Фактически гидравлический пресс является рычагом первого рода, где малый цилиндр является длинным плечом рычага, а большой цилиндр — коротким.
Что мы узнали?
Простейший гидравлический пресс состоит из двух цилиндров с поршнями, заполненный жидкостью. Создавая на малом поршне давление жидкости, можно получать на большом поршне усилие во столько же раз больше, во сколько его площадь больше площади малого.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда – пройдите тест.
-
Yura Venediktov
4/5
Оценка доклада
4.5
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 223.
А какая ваша оценка?
Дано ответов: 2
Прапорциянолной методом это 100% правильно
адтко_zn
18 Апр, 18
Гидравлический пресс представляет собой два сообщающихся сосуда цилиндрической формы и разного диаметра, в которых имеются поршни, площади которых S1 и S2 различны (S2 >> S1). Цилиндры заполнены жидким маслом (обычно трансформаторным) .
Без нагрузки поршни находятся на одном уровне. На поршень S1 действуют силой F1, а между поршнем S2 и верхней опорой закладывают тело, которое нужно прессовать.
Сила F1, действуя на поршень S1, создает в жидкости дополнительное давление р=F1/S1. По закону Паскаля это давление передается жидкостью по всем направлениям без изменения. Следовательно, на поршень S2действует сила давления
F2=pS2=F1S2/S1.
Из этого равенства следует, что
F2/F1=S2/S1.
p= F1/S1=F2/S2
Lyudmila28_zn
18 Апр, 18
Содержание:
- § 1 Гидравлическая машина
- § 2 Гидравлический пресс
- § 3 Решение задач
- § 4 Важно запомнить
§ 1 Гидравлическая машина
В этом уроке мы изучим устройство и принцип действия гидравлических машин.
В жизни человеку очень часто приходится сталкиваться с такими ситуациями, где нужно поднять груз большой массы на высоту или сжать какое-либо тело. Например, автомобилисту нужно сменить проколотое колесо. Для этого нужно приподнять автомобиль. Поднять 5 кг, 10 кг взрослому человеку не так сложно. Но поднять автомобиль? Или нужно выжать масло из семян подсолнуха, спрессовать бумагу. И вот в таких случаях на помощь приходят разные механизмы, позволяющие получить большую силу, прилагая незначительные усилия.
Одним из таких механизмов является гидравлическая машина.
Гидравлическая машина (от греческого слова гидравликос – водяной) – это машина, действие которой основано на законах движения и равновесия жидкостей. Первая гидравлическая машина была создана Паскалем, который называл ее машиной для увеличения силы.
Гидравлическая машина представляет собой сообщающиеся сосуды – два соединенных друг с другом цилиндра разного диаметра, снабженных поршнями и заполненных жидкостью (водой или маслом).
Рассмотрим принцип действия гидравлической машины. Обозначим площадь поршня в малом цилиндре S1, площадь поршня в большом цилиндре – S2, F1 и F2 – силы, действующие на поршни.
Если на поршень S1 подействовать с силой F1, то давление в малом цилиндре будет определяться по формуле:
Давление в большом цилиндре:
По закону Паскаля давление, производимое на жидкость или газ, передается в каждую точку по всем направлениям одинаково. Значит, давление в обоих цилиндрах будет одинаковым: p1 = p2 . Тогда можем приравнять правые части этих формул:
Читается эта формула так: сила F2, действующая на большой поршень, во столько раз больше силы F1, действующей на малый поршень, во сколько раз площадь большого поршня S2 больше площади малого поршняS1. Отношение F2 к F1показывается выигрышем в силе.
Итак, сделаем вывод. Приложив незначительное усилие F1 к малому поршню, мы можем получить во столько раз большую силу F2 на большом поршне, во сколько раз его площадь превышает площадь малого поршня.
Выигрыш в силе, полученный при помощи гидравлической машины, равен отношению площадей поршней.
§ 2 Гидравлический пресс
Гидравлическая машина, служащая для прессования (сдавливания), называется гидравлическим прессом.
Принцип действия гидравлического пресса таков: на платформу большого поршня 2 кладется прессуемое тело 3. При помощи малого поршня 1 создается давление на жидкость, которое по закону Паскаля передается в каждую точку жидкости, заполняющей цилиндры. Так как площадь большого поршня во много раз больше площади малого, то и действующая на него сила окажется во столько же раз больше. Под действием этой силы большой поршень поднимается и сжимает тело. За значением давления, возникающего в жидкости, следят при помощи деформационного манометра 4, соединенного с предохранительным клапаном 5, который автоматически открывается при превышении допустимого значения давления. Клапаны 6 и 7 служат для перекачивания жидкости: при подъеме малого поршня 1 открывается клапан 6, и жидкость поступает в малый сосуд; при нажатии давление увеличивается, и этот клапан закрывается; открывается клапан 7, и жидкость переходит в большой сосуд.
Гидравлические прессы применяются для выжимания масла на маслобойных заводах, для прессования фанеры, картона, сена. В автомобилях используется гидравлический тормоз, в мастерских и в быту применяют гидравлический домкрат.
§ 3 Решение задач
Рассмотрим решение задачи на расчет выигрыша в силе в гидравлических машинах.
Запишем условие задачи. Нам известны масса m= 1500 кг, площадь малого поршня S1 = 10 см2 = 0, 001 м2, площадь большого поршня S2 = 0,1 м2. Найти F1.
Решение: Запишем формулу выигрыша в силе при помощи гидравлической машины:
Ответ: сила, приложенная к малому поршню,150 Н
Запишем условие задачи: F1= 200 Н, p = 400000 Па, S2 =0,04 м2. Найти показания динамометра, т.е. силу F2 = ? S1 =?
Ответ:F2 = 16 000 Н, S1 = 5 см2
§ 4 Важно запомнить
Гидравлическая машина – это машина, действие которой основано на законе Паскаля.
Гидравлическая машина представляет собой сообщающиеся сосуды – два соединенных друг с другом цилиндра разного диаметра, снабженных поршнями и заполненных жидкостью.
Выигрыш в силе, полученный при помощи гидравлической машины, равен отношению площадей поршней.
Гидравлическая машина, служащая для прессования (сдавливания), называется гидравлическим прессом.
Гидравлические прессы применяются для выжимания масла, для прессования фанеры, картона, сена. В автомашинах используется гидравлический тормоз, для подъема груза предназначен гидравлический домкрат.
Список использованной литературы:
- Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 7 класс. – 3-е изд. – М.: ВАКО, 2009. – 368 с.
- Волков В.А. Тесты по физике: 7-9 классы. – М.: ВАКО, 2009. – 224 с. – (Мастерская учителя физики).
- Кирик Л.А. Физика -7. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. – М.: Илекса, 2008. – 192 с.
- Контрольно-измерительные материалы. Физика: 7 класс / Сост. Зорин Н.И. – М.: ВАКО, 2012. – 80 с.
- Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. 7 Дидактические материалы. – М.: Дрофа, 2010. – 128 с.
- Перышкин А.В. Физика. 7 класс – М.: Дрофа, 2011.
- Тихомирова С.А. Физика в пословицах и поговорках, стихах и прозе, сказках и анекдотах. Пособие для учителя. – М.: Новая школа, 2002. – 144 с.
- Я иду на урок физики: 7 класс. Часть III: Книга для учителя. – М.: Издательство «Первое сентября», 2002. – 272 с.
Использованные изображения:
