Как найти площадь большого поршня гидравлической машины

Поршневой жидкостный насос. Гидравлический пресс.

«Хотя в мире нет предмета,

который был бы слабее и нежнее воды,

но она может разрушить самый твердый предмет»

Лао-Цзы

В данной теме речь пойдёт о принципах действия поршневого жидкостного насоса и гидравлического пресса.

В прошлых темах говорилось о сообщающихся сосудах — сосуды, которые имеют соединяющую их часть и заполненные покоящейся жидкостью. В открытых сообщающихся сосудах уровень поверхностей однородной жидкости устанавливается на одинаковом уровне (при условии, что давление воздуха над поверхностью жидкости одинаково) и не зависит от формы сосудов.

Также говорилось о законе Паскаля, согласно которому, жидкость или газ передает производимое на нее давление внешней силой по всем направлениям без изменений. Когда Блез Паскаль открыл свой закон, он задумался над тем, как его можно использовать. И придумал устройство гидравлической машиной. Слово «гидравлический» происходит от греческого «гидравликос» — водяной.

Таким образом, гидравлические машины — это машины, работа которых основана на законе Паскаля.

Давайте рассмотрим схему простейшей гидравлической машины.

Как видно из рисунка, она состоит из двух сообщающихся сосудов с разными площадями поперечного сечения, заполненных практически несжимаемой жидкостью, обычно маслом, и закрытых подвижными поршнями. Как работает гидравлическая машина? Для этого подействуем на малый поршень небольшой силой. Эта сила будет создавать давление на жидкость, которое по закону Паскаля передается во все точки жидкости. Значит и на большой поршень подействует такое же давление. Тогда сила давления, действующая на большой поршень, будет направлена вверх и равна произведению давления и площади большого поршня. Сравним силы, действующие на малый и большой поршни.

p₁ = p₂

F₁ = p₁S₁

F₂ = p₂S₂ = p₁S₂

Таким образом, можно сделать вывод о том, что гидравлическая машина дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз площадь поперечного сечения большого поршня больше площади поперечного сечения малого поршня. Это означает, что с помощью небольшой силы, приложенной к малому поршню гидравлической машины, можно уравновесить существенно большую силу, приложенную к большому поршню.

Гидравлическую машину, служащую для прессования, называют гидравлическим прессом. Он широко применяется в технике для обработки металлов, прессования фанеры, картона, древесностружечных плит. А в сельском хозяйстве гидравлический пресс используется для прессования сена, для выжимки масла из семян подсолнуха, кукурузы и т.д. Современные гидравлические прессы способны развивать силу в десятки и сотни миллионов Ньютонов. Прессуемое тело кладут на платформу, которая соединена с большим поршнем. С помощью малого поршня создается большое давление, которое, согласно закону Паскаля, передается в каждую точку жидкости, заполняющей цилиндры. Тогда и на большой поршень будет действовать такое же давление. Но так как площади поршней отличаются, то сила, действующая на большой поршень, будет больше силы, действующей на малый поршень. Под действием этой силы большой поршень будет подниматься. При его подъеме прессуемое тело упирается в неподвижную платформу и сжимается.

Из малого цилиндра в большой жидкость перекачивается с помощью поршневого жидкостного насоса. Рассмотрим схему и принцип действия такого насоса на примере колонки.

Поршневой жидкостный насос состоит из цилиндра, внутри которого находится плотно прилегающий к стенкам поршень. И в поршне, и в нижней части цилиндра располагаются клапаны, которые открываются только вверх. При движении поршня вверх жидкость под действием атмосферного давления поднимает нижний клапан и, двигаясь вслед за поршнем, входит в трубу. Когда поршень движется вниз, жидкость, находящаяся под поршнем, давит на нижний клапан, и он закрывается. В это же время, под давлением воды, открывается клапан в самом поршне, и жидкость переходит в пространство над поршнем. При следующем движении поршня вверх вместе с ним поднимается и находящаяся над ним жидкость, которая выливается в отводящую трубу. При этом за поршнем поднимается новая порция жидкости, которая при последующем опускании поршня, вновь окажется над ним.

Вернемся опять к гидравлическому прессу.

Обратим внимание, поршневой насос в гидравлическом прессе немного отличается от рассмотренного выше. Однако принцип его работы такой же. При подъеме малого поршня открывается клапан, и в пространство, находящееся под поршнем, засасывается жидкость. При опускании малого поршня под действием давления жидкости этот клапан закрывается и открывается клапан, связывающий большой и малый цилиндры, и жидкость переходит в большой сосуд.

Еще одной разновидностью гидравлических машин является гидравлический тормоз. Являющийся важной частью большинства автомобилей, именно он осуществляет быстрое и надежное торможение его колес. Работу гидравлического тормоза можно объяснить, используя упрощенную схему.

Нога водителя действует на тормозную педаль. Это действие передается на поршень цилиндра, в котором находится тормозная жидкость. Этот поршень создает давление на жидкость, которое согласно закону Паскаля передается в тормозные цилиндры всех колес автомобиля. В тормозном устройстве имеется цилиндр с двумя подвижными поршнями. Под давлением жидкости эти поршни расходятся и прижимают тормозные колодки к тормозным барабанам, что и останавливает вращение колес.

Еще одним эффективным гидравлическим механизмом является гидравлический домкрат, с помощью которого можно поднимать очень тяжелые машины. Принцип действия домкрата такой же, как и гидравлического пресса.

Упражнения.

Задача 1. На малый поршень гидравлического пресса действует сила 150 Н. Определите силу, действующую на большой поршень, если его площадь в 20 раз больше площади малого поршня.

Задача 2. Малый поршень гидравлического пресса за один ход опустился на расстояние 0,2 м, при этом большой поршень поднялся на высоту 0,01 м. С какой силой действует пресс на зажатое в нем тело, если на малый поршень 

Задача 3. Гидравлический пресс, заполненный водой, имеет поршни, площади которых 200 см² и 20 см². На большой поршень положили груз массой 60 кг. На какую высоту поднимается после этого малый поршень? Плотность воды примите равной 1000 кг/м³.

Основные выводы:

– Гидравлическая машина — машина, действие которой основано на законе Паскаля.

– Гидравлический пресс –это гидравлическая машина, служащая для прессования.

– Гидравлический пресс дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого поршня.

Пройдите тест