Пристрій, принцип роботи гідравлічного преса

Щоб зрозуміти принцип роботи гідравлічного преса, згадаємо правило Сполучених судин. Його автор Блез Паскаль встановив, що якщо вони наповнені однорідною рідиною, то її рівень у всіх судинах однаковий. При цьому конфігурація ємностей і їх розміри не мають значення. У статті будуть описані кілька дослідів з Сполученими ємностями, які допоможуть нам розібратися в пристрої та принципі роботи гідравлічний прес.

Експеримент

Припустимо, у нас є Сполучені судини з різною площею поперечного перерізу. Площа меншого позначимо s, більшого-S. Наповнимо ємності рідиною. Згідно із законом сполучених судин поверхні рідин знаходяться на одній висоті.

Закриємо судини зверху поршнями. Можна вважати, що s і S-це площі поршнів. Натиснемо на менший силою f. Він піде вниз, рідина буде перетікати в більший циліндр, і поршень зліва почне підніматися. Щоб не дати йому підніматися, ми теж докладемо до нього силу. Позначимо її F.

Щоб наблизитися до розуміння принципу роботи гідравлічного преса, спробуємо знайти зв`язок між цими двома силами. Будемо виходити з умови рівноваги. До того, як ми накрили судини поршнями, рідини перебували в рівновазі. Тиск у ємностях був однаковим (p=P). Натиснемо на обидва поршня так, щоб рідина як і раніше залишалася в рівновазі. Тиску p і Р, звичайно ж, збільшаться. Однак вони все одно залишаться однаковими, оскільки збільшаться на однакову додаткову величину. Це величина тиску, створюваного поршнями. Вона за законом Паскаля передається всюди.

Ось умова рівноваги: p=Р. Можна розглядати тиск, що створюється поршнями, або тиск стовпа рідини. Результат буде один і той же. Зауважимо, що тиск, створюване поршнями, в тисячу разів більше, ніж гідростатичний тиск стовпа рідини. Стовпчик води висотою в кілька сантиметрів створює тиск в сотні паскалей. А тиск поршня становить сотні кілопаскалей, а іноді і мегапаскалей. Тому в подальшому ми будемо нехтувати тиском стовпа рідини і вважати, що тиску p і Р створені виключно силами f і F.

Залежність сили тиску поршнів від їх площі

Виведемо формулу, принцип роботи гідравлічного преса без неї буде незрозумілий. p=f / s і аналогічно P = F / S. Зробимо підстановку в умова рівноваги. f/s=F/S. А тепер порівняємо сили f і F. Для цього і ліву, і праву частину виразу помножимо на S і розділимо на f. Отримаємо f * S / s * F=F * S / S * f. Скоротимо f і S в обох частинах. Результатом буде рівність F / F=S / s.

Поняття виграшу в силі

Якщо S>S, то сила тиску на поршень у великій посудині буде в стільки разів більше сили, яка тисне на малий поршень, у скільки разів площа більшого поршня перевищує площу малого. Іншими словами, прикладаючи невелику силу до маленького поршня, в великому посудині ми отримаємо силу, набагато перевищує ту, з якою ми тиснемо на маленький поршень. Це ефект, який називається виграш в силі. Він показує, у скільки разів сили відрізняються, т. е. чому дорівнює відношення F до f. Якщо ми візьмемо судини, площі поперечного перерізу яких сильно відрізняються, то можемо отримати виграш в силі і в десять, і в тисячу разів. Аналіз сил дає зрозуміти: виграш в силі дорівнює відношенню площ великого і малого поршня.

Рух поршнів гідравлічної машини

У багатьох галузях використовується принцип роботи гідравлічного преса: у фізиці, будівництві, обробці матеріалів, сільському господарстві, автомобілебудуванні і т. д. Приклади застосування гідравлічних машин представлені на малюнку.

Розглянемо всі ті ж два Сполучених судини з поршнями, але тепер ми будемо звертати увагу не на силу, а на відстань, яку проходять Поршні при переміщенні. Уявімо, що початкове їх положення різний. Поршень площею S розташований нижче поршня площею s. Перемістимо менший поршень на відстані h. Вода з меншого судини перейшла в більший і натиснула на поршень. Він перемістився на висоту H.

Знаючи співвідношення між площами, знайдемо співвідношення між висотами. Обсяг, який пішов під тиском з лівого циліндра в правий, позначимо v. У правий циліндр зайшла рідина об`ємом V. Рідина нестислива. Як це можна записати математично? v=V. Висловимо обсяг через площу і висоту. v=s * h і V=S * H. Отже, s * h=S * H. S/s=h/H. Отже, виграш у силі F / F=h / H. Це співвідношення дає нам розуміння принципу роботи гідравлічного преса. Ми робимо висновок: оскільки F більше, ніж f, то H менше h, причому в стільки ж разів.

Припустимо, гідравлічна машина дає виграш в силі в сто разів. Це означає, що якщо ми опустимо менший поршень на 100 мм, то інший поршень підніметься всього на 1 мм. А є машини, які дають виграш в силі в тисячу разів. А як же бути у випадках, коли на поршні стоїть автомобіль і його потрібно підняти на висоту декількох метрів?

Пристрій і принцип роботи гідравлічного преса

У поршні невеликої площі знаходиться клапан, який закриває трубочку, що веде в резервуар з машинним маслом. Воду в гідравлічних пресах зазвичай не використовують, тому що вона викликає корозію, до того ж у неї порівняно низька температура кипіння. Поршень приводить в рух рукоятка. Рідина передається з меншого циліндра в більший через трубочку.

У великій посудині теж є клапан і поршень. Коли ми піднімаємо важіль, масло за допомогою атмосферного тиску всмоктується в менший циліндр. Коли ми опускаємо поршень, клапан закривається, маслу діватися нікуди, тому воно переходить в більшу посудину. Воно піднімає клапан в ньому, обсяг масла збільшується, через це піднімається поршень. Коли ми знову піднімаємо малий поршень, клапан у великій посудині закривається, тому масло нікуди не йде і поршень залишається на місці.

Принцип роботи гідравлічного преса такий, що будь-які коливання малого поршня завжди призводять до руху великого поршня вгору. У пристрої передбачений механізм, який дозволяє великому поршню опускатися. Це шланг з краном в більшій посудині. Коли ми закриваємо кран, ми герметизуємо великий циліндр, а коли відкриваємо, то приводимо гідравлічний прес в початкове положення, масло зливається. Воно повертається в резервуар, що дозволяє опустити поршень.