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 4 430 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!
Гидравлический пресс
Определение и принцип гидравлического пресса
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:
Давление второго поршня на жидкость составляет:
Если поршни находятся в равновесии то давления $p_1$ и $p_2$ равны, следовательно, мы можем приравнять правые части выражений (1) и (2):
Определим, каким будет модуль силы, прикладываемой к первому поршню:
Из формулы (4), видим, что величина $F_1$ больше модуля силы $F_2$ в $frac$ раз.
И так, применяя гидравлический пресс можно небольшой силой уравновесить гораздо большую силу. Отношение $frac$ 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
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:
Используя формулу, полученную для гидравлического пресса:
найдем выигрыш в силе при отсутствии сил трения:
Ответ. Выигрыш в силе в прессе при наличии сил трения равен $frac=90.$ Без трения он был бы равен $frac=100.$
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: $frac=frac<1>$ ($n>1$). 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:
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 ($E_$=0), имеем:
где $h$ – высота, на которую подняли груз. Приравняв правые части формул (2.1) и (2.2), найдем высоту, на которую подняли груз:
Работу, выполняемую силой $F_0$, при перемещении малого поршня найдем как:
Работа силы, которая двигает большой поршень вверх (сжимает гипотетическое тело), равна:
где $L$ – расстояние, на которое сдвигается большой поршень за один ход. Из (2.5) имеем:
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:
Формула уравнение для гидравлического пресса
Код ОГЭ 1.21. Закон Паскаля. Гидравлический пресс.
Для жидкостей и газов справедлив закон Паскаля: Жидкости и газы передают оказываемое на них давление без изменения по всем направлениям во все точки жидкости или газа.
Закон Паскаля позволяет объяснить особое свойство сообщающихся сосудов, то есть сосудов, соединённых между собой каналом, заполненным жидкостью.
Закон сообщающихся сосудов: В сообщающихся сосудах однородная жидкость всегда устанавливается на одном уровне.
Жидкость находится в покое, поэтому на любом уровне (см. пунктир на рисунке) давление в левом сосуде должно равняться давлению в правом сосуде:
Внимание! Если в сообщающихся сосудах находятся две несмешивающиеся жидкости разными плотностями, то уровни жидкостей будут разными. Из равенства pа + p1gh1 = pа + p2gh2 следует, что отношение высот столбов жидкостей по отношению любому уровню, выше которого в каждом из сосудов находятся жидкости одного сорта, равно обратному отношению плотностей: 
Гидравлический пресс представляет собой два сообщающихся сосуда с различной площадью поперечного сечения, в которых имеются поршни, плотно прилегающие к стенкам сосудов.
Давление, оказываемое на поршень меньшей площади, в соответствии с законом Паскаля передаётся без изменения во все точки жидкости, в том числе находящиеся непосредственно под вторым поршнем:
Гидравлический пресс даёт выигрыш в силе, равный отношению площади большего поршня к площади меньшего поршня: 
Внимание! Как и в других простых механизмах, выигрыша в работе нет: при опускании малого поршня совершается работа, равная работе, совершаемой при подъёме большего поршня (если отсутствуют силы трения и сопротивления).
Конспект урока «Закон Паскаля. Гидравлический пресс».
Гидравлический пресс
Содержание
Чтобы рассмотреть устройство гидравлического пресса, сначала дадим определение гидравлической машины:
Гидравлическая машина (от греческого «гидравликос» — водяной) – это машина, действие которой основано на законах движения и равновесия жидкостей и объясняется законом Паскаля.
Гидравлическая машина в основе представляет собой два цилиндра разного диаметра, в каждом из которых имеется поршень (рисунок 4). Цилиндры соединены между собой трубкой и заполнены жидкостью (водой, маслом или др.).
Так как эти цилиндры представляют собой сообщающиеся сосуды, высота столба жидкости в них будет одинакова, пока на поршни находятся в состоянии покоя.
Рисунок 4. Схематическое изображение принципа работы гидравлической машины.
Теперь рассмотрим ситуацию, когда на поршни действуют некоторые силы $F_1$ и $F_2$, а $S_1$ и $S_2$ — площади поршней. По определению давления мы уже знаем, что $p=frac$, тогда:
Давление, оказываемое меньшим поршнем: $p_1=frac$
Давление, оказываемое большим поршнем: $p_2=frac$
Так как сосуды соединены между собой, по закону Паскаля $p_1 = p_2$ или $frac = frac$, откуда следует, что
Сила, действующая на поршень, прямо пропорциональна площади этого поршня. Следовательно, сила $F_2$ больше силы $F_1$ во столько раз, во сколько раз площадь большего поршня $S_2$ больше площади меньшего $S_1$.
Например, если площадь большого поршня $300 см^2$, а маленького $3 см^2$ и на него действует сила $100 Н$, то на большой поршень будет действовать сила $10 000 Н$.
Показательное отношение $frac$ называют выигрышем в силе. Другими словами, с помощью гидравлической машины можно малой силой уравновесить большую силу.
Гидравлический пресс – это гидравлическая машина, служащая для сдавливания (прессования).
Гидравлические прессы эффективно работают для преобразования малой силы в большую: используются для спрессовывания семян при изготовлении масла, для склеивания строительных материалов, для штамповки ювелирных изделий. Современные гидравлические прессы могут развивать силу в сотни миллионов ньютонов (рисунок 5).
Рассмотрим устройство гидравлического пресса:
Усложняем схему устройства гидравлической машины: теперь над большим поршнем 2 имеется платформа, куда мы помещаем прессуемое тело 1.
С помощью малого поршня 3 мы создаем большое давление на жидкость, которое также начинает действовать на поршень 2. Происходит это потому, что давление передается без изменения в каждую точку жидкости (закон Паскаля).
Площадь поршня 2 больше площади поршня 3, поэтому и сила, действующая на него, будет больше (давление одинаковое). Под действием этой силы поршень 2 начинает подниматься и придавливает прессуемое тело к неподвижной верхней платформе.
Здесь же установлен манометр 4 для контроля давления жидкости и предохранительный клапан 5 (автоматически открывается, когда давление превышает максимально допустимое в данном устройстве значение).
При повторяющихся движениях поршня 3 жидкость снова попадает из малого цилиндра в большой: малый поршень поднимается и открывается клапан 6. Пространство под поршнем моментально заполняется жидкостью. Когда же малый поршень 3 опускается, клапан 6 закрывается под давлением жидкости, а клапан 7 открывается. Так жидкость снова оказывается в большом сосуде.
Другие устройства и задачи
Еще одной известной разновидностью гидравлических машин является гидравлический тормоз. На данный момент практически все автомобили оснащены гидравлическими тормозами. Рассмотрим принцип работы, используя упрощенную схему (рисунок 7).
Водитель ногой создает давление на педаль тормоза, это действие передается на поршень цилиндра с тормозной жидкостью. По закону Паскаля это давление передается одинаково во все тормозные цилиндры колес автомобиля. Под давлением жидкости подвижные поршни, находящиеся в тормозном устройстве, расходятся и прижимают тормозные колодки к тормозным барабанам – вращение колес прекращается.
Другое распространенное устройство – гидравлический домкрат (рисунок 8). Принцип действия домкрата идентичен принципу действия гидравлического пресса, но с помощью него можно поднимать очень тяжелые предметы.
Жидкостью здесь выступает гидравлическое масло, а также имеется нагнетательный и спускной клапана.
[spoiler title=”источники:”]
http://obrazavr.ru/fizika/7-klass/davlenie-tvyordyh-tel-zhidkostej-i-gazov/porshnevoj-zhidkostnyj-nasos-i-gidravlicheskij-press/gidravlicheskij-press/
[/spoiler]
Гидравлические машины.
Гидравлические машины в принципе своей работы основываются на применении закона Паскаля, который говорит, что давление, производимое на жидкость, передается внутри неё во все стороны с одинаковой силой.
Что же такое гидравлический агрегат? Гидравлический – значит работающий за счет давления или движения жидкости, например воды.
В этой статье мы собрали для Вас принцип действия и основные схемы наиболее часто применяемых гидростатических машин.
Гидравлический пресс применяется для получения больших сжимающих усилий, которые необходимы, например, для деформации металлов при обработке давлением (прессование, ковка, штамповка), при испытании различных материалов, уплотнении рыхлых материалов и т.д.
Самая простая схема гидравлической машины, такой как гидравлический пресс состоит из двух цилиндров А и В (малого и большого диаметра), соединенных между собой трубкой С. Такая схема похожа на работу сообщающихся сосудов.
В малом цилиндре расположен малый поршень гидравлической машины D, соединенный с рычагом ОКМ, имеющим неподвижную шарнирную опору в точке О, а в большом цилиндре – большой поршень гидравлической машины (плунжер) Е, составляющий одно целое с платформой F, на котором расположено прессуемое тело G.
Рычаг приводится в действие вручную или при помощи специального двигателя. При этом поршень D начинает двигаться вниз и оказывать на находящуюся под ним жидкость давление, которое передается на поршень Е и заставляет его вместе со столом двигаться до тех пор, пока тело G не войдет в соприкосновение с неподвижной плитой Н.
При дальнейшем подъеме стола начинается процесс прессования (сжатия) тела G.
Если данное устройство служит не для прессования, а только для поднятия груза, т.е. представляет собой так называемый гидравлический подъемник, то неподвижная плита Н в этом случае оказывается лишней и из конструкции исключается.
Вместе с указанными на схеме частями гидравлический пресс снабжается всасывающим и нагнетательным клапанами, регулирующими работу пресса, и клапаном, предохраняющим его от разрыва при чрезмерном возрастании давления (на схеме клапаны не показаны).
Работу гидравлического пресса объясняет закон Паскаля. В котором говорится о гидростатическом парадоксе, когда кружка воды, добавленная в бочку, приводит к ее разрыву.
Сила давления, КПД и формула машины
Установим основные соотношения, определяющие работу пресса. Пусть усилие, действующее на конец М рычага ОКМ, будет называться Q, а плечи рычага ОК = a, КМ = b. Тогда, рассматривая равновесие рычага и составляя уравнение моментов относительно его центра вращения О выводим уравнение
Q×(a+b) = P1×a ,
Находим силу передаваемую на поршень D малого цилиндра
ρ= P1 / (πd12 / 4)
где d1 – диаметр малого цилиндра.
Давление ρ передается на поршень Е большого цилиндра, в результате чего полная сила давления на этот поршень, обусловленная силой Q, будет
P2 = ρ ×(πd22 / 4) = Q (d2 / d1)2 × (a+b) / a ,
где d2 – диаметр большого цилиндра.
Из этого выражения видно, что сила P2 может быть получена сколько угодно большой путем выбора соответствующих размеров цилиндров и плеч движущего рычага.
На самом деле действительная сила P2, передаваемая на стол и осуществляющая процесс прессования, оказывается несколько меньше из-за неизбежных потерь энергии на преодоление трения в движущихся частях пресса и утечек жидкости через различные неплотности и зазоры.
Эти потери учитываются введением в формулу коэффициента полезного действия – КПД. Таким образом формула гидравлической машины
* P1 = КПД Q (d2 / d1)2 * (a+b) / a,
Практически этот коэффициент имеет значение от 0,75 до 0,85.
Пример расчета
Для наглядного примера того как работают малый и большой поршень гидравлического машины рассмотрим простой пример.
Условие: Большой поршень гидравлической машины имеет площадь 50см2. Он поднимает груз весом 2000Н. Необходимо определить площадь малого поршня если на известно, что на динамометре определилась сила 300Н. Рычаг в этой задачи не участвует.
S1=(F1×S2)/F2=(300×50×10(-2))/2000=0.075 м2=7,5cм2
В современных гидравлических прессах можно получить очень большие давления (до 25 000 т.). В таких конструкциях малый цилиндр выполняют обычно в виде поршневого насоса высокого давления, подающего рабочую жидкость (воду или масло) в большой цилиндр (собственно пресс), часто с добавлением в схему специального устройства – гидравлического аккумулятора, выравнивающего работу насоса.
Гидравлический аккумулятор
Как показывает название – гидравлический аккумулятор служит для аккумулирования, т.е. накапливания, собирания энергии. Он применяется на практике в тех случаях, когда необходимо выполнить кратковременную работу, требующую значительных механических усилий, например, поднять большую тяжесть, открыть и закрыть ворота шлюзов и т.п.
Наиболее широкое применение гидравлические аккумуляторы получили при работе гидравлических прессов, используемые здесь как установки, накапливающие жидкость в период холостого хода пресса и отдающие ее при рабочем ходе, когда подача насосов оказывается недостаточной.
Гидравлический аккумулятор состоит из цилиндра А, в котором помещен плунжер В, присоединенный своей верхней частью к платформе С, несущей груз большого веса. В аккумулятор по трубе D насосом нагнетается жидкость (вода или масло), которая поднимает вверх плунжер с грузом. При достижении крайнего верхнего положения насос автоматически выключается.
Обозначим вес плунжера с грузом через G, а его полную высоту подъема через Н. Тогда энергия, запасенная аккумулятором при полном подъеме плунжера, будет равна G*H, а создаваемое им в жидкости гидростатическое давление
P = G / F ,
где F – площадь сечения плунжера
Под таким постоянным давлением находящаяся в аккумуляторе жидкость подводится по трубе Е к гидравлическим машинам – например, прессовым машинам, обеспечивая тем самым их работу с постоянной нагрузкой.
Гидростатическое давление, создаваемой аккумулятором, будет тем больше, чем меньше площадь сечения плунжера.
Однако при чрезмерном уменьшении сечения плунжера последний может оказаться недостаточно прочным. Поэтому при необходимости получения очень больших давлений применяются так называемые дифференциальные аккумуляторы со ступенчатым поршнем.
В этом случае давление на жидкость, находящуюся в цилиндре А, передается через небольшую площадь кольцевого уступа ступенчатого поршня, пропущенного сквозь обе крышки цилиндра (верхнюю и нижнюю), и следовательно, сечение поршня может быть выбрано такого размера, при котором обеспечивается необходимая прочность.
Гидравлическая турбина
Гидравлические двигатели служат для преобразования гидравлической энергии потока жидкости в механическую энергию, получаемую на валу двигателя и используемую в дальнейшем для различных целей, в основном для привода рабочих машин.
Наиболее распространенным представителем этой группы является гидравлическая турбина. Гидравлические турбины обычно для устанавливаются на гидроэлектрических станциях, где они служат приводом электрических генераторов.
Энергия воды преобразуется в турбине в механическую энергию на валу. Вал приводит в движение ротор электрогенератора и механическая энергия превращается в электрическую.
Насос
В насосах, применяемых для подъема и перемещения жидкости по трубопроводам, происходит обратный процесс. Механическая энергия, подводимая к насосам от двигателей, приводящих насосы в действие, преобразуется в гидравлическую энергию жидкости.
На рисунке схематично изображены
А – турбинная установка- Б – насосная установка
А – турбинная установкаНасосы это самые распространенная разновидность гидравлических машин. Они применяются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства.
Насосы используются в водоснабжении, отоплении, вентиляции, для работы котельной установки и во многих других областях техники.
Гидравлические машины весьма широко используются в настоящее время в нефтяной промышленности. Насосы применяются при транспортировке нефти и нефтепродуктов по трубопроводам, при бурении нефтяных скважин для подачи в них промывочных растворов и т.д.
Вместе со статьей “Гидравлические машины это? Описание и принцип работы.” смотрят:
Закон Паскаля для газов и жидкостей в гидростатике
Уравнение неразрывности струи и потока жидкости.
Ламинарный режим движения жидкости
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:
Насос — это не единственное устройство, принцип работы которого построен на явлении давления жидкости и газов. Большое количество гидравлических машин повсеместно используется человеком.
На данном уроке вы узнаете, что представляет из себя гидравлическая машина и гидравлический пресс, узнаете об их устройстве и принципе работы.
Гидравлическая машина
Чтобы рассмотреть устройство гидравлического пресса, сначала дадим определение гидравлической машины.
Определение
Гидравлическая машина (от греческого «гидравликос» — «водяной») — это машина, действие которой основано на законах движения и равновесия жидкостей и объясняется законом Паскаля.
Устройство
Гидравлическая машина в основе представляет собой два цилиндра разного диаметра, в каждом из которых имеется поршень (рисунок 1). Цилиндры соединены между собой трубкой и заполнены жидкостью (чаще всего минеральным маслом).
Принцип работы
Цилиндры представляют собой сообщающиеся сосуды, высота столба жидкости в них будет одинакова, пока поршни находятся в состоянии покоя.
Теперь рассмотрим ситуацию, когда на поршни действуют некоторые силы $F_1$ и $F_2$. При этом $S_1$ и $S_2$ — площади поршней. По определению давления мы уже знаем, что $p = frac{F}{S}$.
Тогда давление, оказываемое меньшим поршнем, определяется по формуле:
$p_1 = frac{F_1}{S_1}$.
А давление, оказываемое большим поршнем:
$p_2 = frac{F_2}{S_2}$.
Эти сосуды соединены между собой. Значит, по закону Паскаля:
$p_1 = p_2$ или
$frac{F_1}{S_1} = frac{F_2}{S_2}$.
Разделим каждую часть равенства на $F_1$ и умножим на $S_2$, чтобы получить необходимую формулу.
Сила $F_2$ больше силы $F_1$ во столько раз, во сколько раз площадь большего поршня $S_2$ больше площади меньшего $S_1$:
$frac{F_2}{F_1} = frac{S_2}{S_1}$.
Например, если площадь большого поршня $300 space см^2$, а маленького $3 space см^2$ и на него действует сила $100 space Н$, то на большой поршень будет действовать сила $10 space 000 spaceН$:
$frac{10 space 000 space Н}{100 space Н}=frac{300 space см^2}{3 space см^2}$.
Показательное отношение $frac{F_2}{F_1}$ называют выигрышем в силе. Другими словами, с помощью гидравлической машины можно малой силой уравновесить большую силу.
Гидравлический пресс
Определение
Гидравлический пресс — это гидравлическая машина, служащая для сдавливания (прессования).
Гидравлические прессы (рисунок 2) эффективно работают для преобразования малой силы в большую. Они используются для спрессовывания семян при изготовлении масла, для склеивания строительных материалов, для штамповки ювелирных изделий. Современные гидравлические прессы могут развивать силу в сотни миллионов ньютонов.
Устройство и принцип работы
Рассмотрим устройство гидравлического пресса (рисунок 3).
Усложняем схему устройства гидравлической машины. Теперь над большим поршнем 2 имеется платформа, куда мы помещаем прессуемое тело 1.
С помощью малого поршня 3 мы создаем большое давление на жидкость. Оно также начинает действовать на поршень 2. Происходит это потому, что давление передается без изменения в каждую точку жидкости (закон Паскаля).
Площадь поршня 2 больше площади поршня 3. Поэтому и сила, действующая на него, будет больше (давление одинаковое). Под действием этой силы поршень 2 начинает подниматься и придавливает прессуемое тело к неподвижной верхней платформе.
Здесь же установлен манометр 4 для контроля давления жидкости и предохранительный клапан 5. Клапан автоматически открывается, когда давление превышает максимально допустимое в данном устройстве значение.
При повторяющихся движениях поршня 3 жидкость снова попадает из малого цилиндра в большой. Малый поршень поднимается и открывается клапан 6. Тогда пространство под поршнем моментально заполняется жидкостью. Когда же малый поршень 3 опускается, клапан 6 закрывается под давлением жидкости, а клапан 7 открывается. Так жидкость снова оказывается в большом сосуде.
Гидравлический тормоз
Еще одной известной разновидностью гидравлических машин является гидравлический тормоз. На данный момент практически все автомобили оснащены гидравлическими тормозами.
На рисунке 4 изображена схема автомобильного гидравлического тормоза, где 1 — тормозная педаль, 2 — цилиндр с поршнем, 3 — тормозной цилиндр, 4 — тормозные колодки, 5 — пружина, 6 — тормозной барабан. Цилиндры и трубки заполнены специальной жидкостью. Рассмотрим принцип работы этого устройства.
Водитель ногой создает давление на педаль тормоза 1. Это действие передается на поршень цилиндра с тормозной жидкостью 2. По закону Паскаля это давление передается одинаково во все тормозные цилиндры колес автомобиля. Под давлением жидкости подвижные поршни, находящиеся в тормозном устройстве 3, расходятся и прижимают тормозные колодки 4 к тормозному барабану 6 — вращение колес прекращается. Пружина 5 позволяет колодкам вернуться в исходное состояние, когда водитель убирает ногу с педали тормоза.
Гидравлический домкрат
Другое распространенное устройство — гидравлический домкрат (рисунок 5). Принцип действия домкрата идентичен принципу действия гидравлического пресса, но с помощью него можно поднимать очень тяжелые предметы.
Жидкостью здесь выступает гидравлическое масло, а также имеется нагнетательный и спускной клапаны.
Упражнения
Упражнение №1
На рисунке 6 изображена упрощенная схема гидравлического подъемника (разновидности гидравлического домкрата), где 1 — поднимаемое тело, 2 — малый поршень, 3 — клапаны, 4 — клапан для опускания груза, 5 — большой поршень. Груз какой массы можно поднять такой машиной, если известно, что площадь малого поршня $1.2 space см^2$, большого — $1440 space см^2$, а сила, действующая на малый поршень, может достигать $1000 space Н$? Трение не учитывать.
Дано:
$S_1 = 1.2 space см^2$
$S_2 = 1440 space см^2$
$F_1 = 1000 space Н$
$g = 9.8 frac{Н}{кг}$
$m — ?$
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
Гидравлический подъемник является разновидностью гидравлической машины. Поэтому мы можем использовать следующее равенство, которое мы получили на данном уроке:
$frac{F_2}{F_1} = frac{S_2}{S_1}$,
где $F_2 = gm$ — сила, с которой поднимаемое тело действует на большой поршень.
Выразим массу груза и рассчитаем ее:
$frac{gm}{F_1} = frac{S_2}{S_1}$,
$m = frac{F_1 cdot S_2}{g cdot S_1}$,
$m = frac{1000 space Н cdot 1440 space см^2 cdot }{9.8 frac{Н}{кг} cdot 1.2 space см^2} approx 122 space 000 space кг approx 120 space т$.
Ответ: $m = approx 120 space т$.
Упражнение №2
В гидравлическом прессе площадь малого поршня $5 space см^2$, площадь большого — $500 space см^2$. Сила, действующая на малый поршень, равна $400 space Н$, на большой — $36 space кН$. Какой выигрыш в силе дает этот пресс? Почему пресс не дает максимального (наибольшего) выигрыша в силе? Какой выигрыш в силе должен был бы давать этот пресс при отсутствии силы трения между поршнем и стенками пресса?
Дано:
$S_1 = 5 space см^2$
$S_2 = 500 space см^2$
$F_1 = 400 space Н$
$F_2 = 36 space кН = 36 space 000 space Н$
$frac{F_2}{F_1} — ?$
$frac{S_2}{S_1} — ?$
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
Рассчитаем реальный выигрыш в силе, который мы получаем при использовании данного гидравлического пресса:
$frac{F_2}{F_1} = frac{36 space 000 space Н}{400 space Н} = 90$.
Получается, что мы имеем выигрыш в силе в 90 раз.
Но в реальной жизни при движении поршней возникает сила трения. Какой выигрыш в силе мы бы получили, если бы ее не было?
Используем соотношение площадей поршней:
$frac{S_2}{S_1} = frac{500 space см^2}{5 space см^2} = 100$.
Это максимальный выигрыш в силе, который бы мы получили при отсутствии силы трения между поршнями и стенками пресса.
Ответ: $frac{F_2}{F_1} =90$, $frac{S_2}{S_1} = 100$.
Упражнение №3
Можно ли создать машину, подобную гидравлической, используя вместо воды воздух? Ответ обоснуйте.
Посмотреть ответ
Скрыть
Ответ:
Гидравлические машины действуют на основе закона Паскаля. А этот закон применим не только для жидкостей, но и для газов. Поэтому, да, такую машину можно создать.
Примером подобной машины может служить пневматическая подвеска автомобиля.
