Pentru a înțelege cum funcționează o presă hidraulică, să ne amintim de regula vaselor comunicante. Autorul său, Blaise Pascal, a descoperit că, dacă sunt umplute cu un lichid omogen, atunci nivelul acestuia în toate vasele este același. În acest caz, configurația containerelor și dimensiunile acestora nu contează. Articolul va descrie mai multe experimente cu containere comunicante care ne vor ajuta să înțelegem structura și principiul de funcționare a unei prese hidraulice.
Experiment
Să presupunem că avem vase comunicante cu diferite zone de secțiune transversală. Notăm aria celui mai mic cu s, cea mai mare - cu S. Să umplem recipientele cu lichid. Conform legii vaselor comunicante, suprafețele lichidelor sunt la aceeași înălțime.
Să închidem vasele de sus cu pistoane. Putem presupune că s și S sunt zonele pistoanelor. Apăsați pe cel mai mic cu forța f. Va coborî, lichidul va mergecurge în cilindrul mai mare, iar pistonul din stânga va începe să se ridice. Pentru a-l împiedica să se ridice, îi vom aplica și forța. Notează-l F.
Pentru a ne apropia de înțelegerea modului în care funcționează o presă hidraulică, să încercăm să găsim o legătură între aceste două forțe. Vom pleca de la starea de echilibru. Înainte să acoperim vasele cu pistoane, lichidele erau în echilibru. Presiunea din rezervoare a fost aceeași (p=P). Apăsați ambele pistoane astfel încât lichidul să rămână în echilibru. Presiunile p și P vor crește, desigur. Totuși, ele vor rămâne aceleași, deoarece vor crește cu aceeași sumă suplimentară. Aceasta este cantitatea de presiune creată de pistoane. Se transmite peste tot conform legii lui Pascal.
Iată condiția de echilibru: p=P. Puteți lua în considerare presiunea creată de pistoane sau presiunea coloanei de lichid. Rezultatul va fi același. Rețineți că presiunea creată de pistoane este de o mie de ori mai mare decât presiunea hidrostatică a coloanei de lichid. O coloană de apă în altă de câțiva centimetri creează o presiune de sute de pascali. Și presiunea pistonului este de sute de kilopascali și uneori de megapascali. Prin urmare, în cele ce urmează vom neglija presiunea coloanei de lichid și vom presupune că presiunile p și P sunt create exclusiv de forțele f și F.
Dependența forței de presiune a pistoanelor de zona lor
Să deducem formula, principiul de funcționare a presei hidraulice fără ea va fi de neînțeles. p=f/s și în mod similar P=F/S. Să facem o înlocuire în starea de echilibru. f/s=F/S. Și acum să comparăm forțele f și F. Pentru a face acest lucru, atât părțile din stânga cât și din dreapta ale expresieiînmulțiți cu S și împărțiți cu f. Obținem fS/sf=FS/Sf. Să anulăm f și S în ambele părți. Rezultatul va fi egalitatea F/f=S/s.
Conceptul de câștig este valid
Dacă S>s, atunci forța de presiune asupra pistonului din vasul mare va fi de atâtea ori mai mare decât forța care apasă pe pistonul mic, de câte ori aria pistonului mai mare depășește aria de cel mic. Cu alte cuvinte, aplicând o forță mică unui piston mic, într-un vas mare vom obține o forță mult mai mare decât cea cu care apăsăm pe un piston mic. Acesta este un efect numit câștig de putere. Arată de câte ori diferă forțele, adică care este raportul dintre F și f. Dacă luăm nave ale căror zone de secțiune transversală sunt foarte diferite, atunci putem obține un câștig în putere cu un factor de zece sau o mie. Analiza forței arată clar: câștigul în forță este egal cu raportul dintre zonele pistonului mare și mic.
Mișcarea pistoanelor unei mașini hidraulice
Multe industrii folosesc principiul presei hidraulice: fizica, constructii, prelucrarea materialelor, agricultura, autovehicule etc. Exemple de aplicare a masinilor hidraulice sunt prezentate in figura.
Să luăm în considerare toate aceleași două vase comunicante cu pistoane, dar acum vom fi atenți nu la forță, ci la distanța pe care o parcurg pistoanele în deplasare. Imaginează-ți că poziția lor inițială este diferită. Pistonul cu zona S este situat sub pistonul cu zona s. Să mutam pistonul mai mic la o distanță h. Apa dintr-un vas mai mic a trecut într-unul mai mare șiapăsat pe piston. S-a mutat la înălțimea H.
Cunoscând raportul dintre zone, găsim raportul dintre înălțimi. Volumul care a trecut sub presiune de la cilindrul stâng la cel drept este notat cu v. În cilindrul drept a intrat un lichid de volum V. Lichidul este incompresibil. Cum poate fi scris asta matematic? v=v. Exprimați volumul în termeni de suprafață și înălțime. v=sh și V=SH. Deci sh=SH. S/s=h/H. Prin urmare, câștigul în putere este F/f=h/H. Acest raport ne oferă o înțelegere a modului în care funcționează o presă hidraulică. Concluzionăm că, deoarece F este mai mare decât f, atunci H este mai mic decât h și cu același factor.
Să presupunem că o mașină hidraulică oferă o putere de o sută de ori mai mare. Aceasta înseamnă că dacă coborâm pistonul mai mic cu 100 mm, celăl alt piston se va ridica doar cu 1 mm. Și există mașini care dau un câștig de putere de o mie de ori. Dar ce zici când există o mașină pe piston și trebuie ridicată la o înălțime de câțiva metri?
Proiectarea și principiul de funcționare al presei hidraulice
În pistonul unei zone mici există o supapă care închide tubul care duce la rezervorul de ulei de motor. Apa nu este utilizată în general la presele hidraulice deoarece este corozivă și are un punct de fierbere relativ scăzut. Pistonul antrenează mânerul. Fluidul este transferat din cilindrul mai mic în cel mai mare printr-un tub.
Vasul mare are și o supapă și un piston. Când ridicăm maneta, uleiul, cu ajutorul atmosfereipresiunea este aspirată în cilindrul mai mic. Când coborâm pistonul, supapa se închide, nu există unde să meargă uleiul, așa că intră într-un vas mai mare. Ridică supapa în ea, volumul de ulei crește, din această cauză pistonul se ridică. Când ridicăm din nou pistonul mic, supapa din vasul mare se închide, astfel încât uleiul nu merge nicăieri și pistonul rămâne pe loc.
Principiul de funcționare al presei hidraulice este de așa natură încât orice oscilație a pistonului mic duce întotdeauna la deplasarea pistonului mare în sus. Dispozitivul are un mecanism care permite coborârea pistonului mare. Acesta este un furtun cu robinet într-un vas mai mare. Cand inchidem robinetul sigilam cilindrul mare, iar cand il deschidem readucem presa hidraulica in pozitia initiala, uleiul se scurge. Se întoarce în rezervor, ceea ce permite coborârea pistonului.
