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:
Сила, действующая на поршень или поршень Калькулятор
| Search | ||
| Дом | физика ↺ | |
| физика | Механика жидкости ↺ | |
| Механика жидкости | Гидравлические линейные приводы ↺ |
|
✖Площадь поршня – это значение площади поршня в поршневом насосе.ⓘ Площадь поршня [Ap] |
+10% -10% |
||
|
✖Давление — это сила, приложенная перпендикулярно поверхности объекта на единицу площади, по которой распределяется эта сила.ⓘ Давление [p] |
+10% -10% |
|
✖Сила — это любое взаимодействие, которое, если ему не противодействовать, изменит движение объекта. Другими словами, сила может заставить объект с массой изменить свою скорость.ⓘ Сила, действующая на поршень или поршень [F] |
⎘ копия |
Сила, действующая на поршень или поршень Решение
ШАГ 0: Сводка предварительного расчета
ШАГ 1. Преобразование входов в базовый блок
Площадь поршня: 0.05 Квадратный метр –> 0.05 Квадратный метр Конверсия не требуется
Давление: 800 паскаль –> 800 паскаль Конверсия не требуется
ШАГ 2: Оцените формулу
ШАГ 3: Преобразуйте результат в единицу вывода
40 Ньютон –> Конверсия не требуется
10+ Гидравлические линейные приводы Калькуляторы
Сила, действующая на поршень или поршень формула
Сила = Площадь поршня*Давление
F = Ap*p
Что такое линейный привод?
Линейный привод – это привод, который создает движение по прямой линии, в отличие от кругового движения обычного электродвигателя.
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
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.
Принцип действия гидравлического пресса
Принцип действия гидравлического пресса
Сообщающиеся сосуды
Определение
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. Объясняется такое поведение жидкости при помощи следствия закона Паскаля, который говорит о том, что давления на одном горизонтальном уровне жидкости одинаково во всех ее точках, следовательно, равными будут высоты ее столбов.
Гидравлический пресс
Согласно закону Паскаля 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.
Самым простым и старым устройством является гидравлический пресс, в котором небольшая сила $F_1$, прикладываемая к поршню небольшой площади, преобразуется в большую силу $F_2$, которая воздействует на площадь большой площади.
В конструкцию гидравлического пресса входят два цилиндра разного радиуса с поршнями (рис.1). Пространство в цилиндрах под поршнями обычно заполняют минеральным маслом.
Положим, что площадь первого поршня, к которому приложена сила ${overline{F}}_1,$ равна $S_1$, площадь второго $S_2$, к нему приложена сила ${overline{F}}_2$. 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:
[frac{F_1}{S_1}=frac{F_2}{S_2}left(3right).]
Найдем 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, используя гидравлический пресс, прикладывая небольшую силу к поршню небольшой площади, можно получить большую по модулю силу, действующую на поршень большой площади.
Примеры задач на принцип действия гидравлического пресса
Пример 1
Задание. На поверхности большого поршня находится тело, какая сила (F) будет действовать на это тело, зажатое в гидравлическом прессе, если на меньший поршень действуют с силой $F_0$? За один ход малый поршень пресса опускается на расстояние $l$, при этом большой перемещается на расстояние $L$.
Решение. Сделаем рисунок.
Основой для решения задачи будет формула работы, для сил, которые действуют на поршни пресса. Силы будет сонаправлены с перемещениями и постоянны, учтем это при записи формул для работы. Работу, выполняемую силой $F_0$, при перемещении малого поршня найдем как:
[А_1=F_0l left(1.1right),]
Работа силы, которая двигает большой поршень вверх (сжимает гипотетическое тело), равна:
[А_2=FL left(1.2right).]
Если принять КПД пресса равным единице (ста процентам), то:
[А_1=А_2to F_0l=FL left(1.3right).]
Из формулы (1.3) найдем силу F:
[F=frac{F_0l}{L}.]
Ответ. $F=frac{F_0l}{L}$
Пример 2
Задание. Используя гидравлический пресс, необходимо поднять груз массой $m$. Какое число раз ($k$) нужно опустить малый поршень за время $t$, если за один раз он опускается на расстояние $l$? Отношение площадей поршней пресса составляет: $frac{S_1}{S_2}=frac{1}{n}$ ($n>1$). Коэффициент полезного действия пресса равен $eta $ при мощности его двигателя $N$.
Решение. В качестве основы для решения задачи используем выражение, связывающее мощность и работу, но при этом учтем, КПД пресса, тогда мощность равна:
[N=frac{eta A}{t}to A=eta Ntleft(2.1right).]
Работа производится для поднятия груза, следовательно, ее можно найти как изменение потенциальной энергии груза, считая, что груз в момент, когда его начали поднимать, имел потенциальную энергию равной нулю ($E_{p1}$=0), получим:
[A=E_{p2}-E_{p1}=E_{p2}=mgh left(2.2right),]
где $h$ – высота, на которую подняли груз. Приравняем правые части выражений (2.1) и (2.2), выразим высоту, на которую подняли груз:
[eta Nt=mghto h=frac{eta Nt}{mg}left(2.3right).]
Мы знаем, что отношение сил, действующих на поршни пресса равно отношению площадей поршней этого устройства:
[frac{F_1}{F_2}=frac{S_1}{S_2}left(2.4right),]
где $F_1$ – сила, действующая на малый поршень; $S_1$ – площадь малого поршня.
В предыдущем примере мы получили:
[frac{F_1}{F_2}=frac{L}{l}left(2.5right),]
где $L$ – расстояние, на которое сдвигается большой поршень за один ход. Из (2.4) и (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: равновесие тел.
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!
