Головна ⇒ 📌Фізика ⇒ ГІДРАВЛІЧНІ МАШИНИ

ГІДРАВЛІЧНІ МАШИНИ

Розділ 3 ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА

&33. ГІДРАВЛІЧНІ МАШИНИ

На законі Паскаля грунтується будова і дія гідравлічних машин. Гідравлічні машини (з грец. гідравлікос – водяний) – це машини, для роботи яких використовується рідина. Подібно до інших простих машин і механізмів, які ви вивчатимете в наступному розділі, призначення гідравлічної машини – це перетворення значення сили та напряму її дії. Головною частиною гідравлічної машини є дві циліндричні посудини різного діаметра, сполучені між собою трубкою (мал. 160). Усередині посудин

вільно переміщуються добре припасовані до стінок поршні. Посудини під поршнями зазвичай заповнюють машинним маслом.

На обох поршнях стоять гирі; бачимо, що на більшому правому поршні гиря має значно більшу вагу, ніж на лівому малому. Тому сила тиску F2 на рідину, що створює правий поршень, значно більша за силу тиску F1 що створює лівий поршень. З’ясуємо, за якої умови поршні залишатимуться в рівновазі, тобто будуть нерухомими.

Тиск під малим поршнем р1 дорівнюватиме відношенню сили тиску F1 до площі поршня S1:

Р1 = .

Мал. 160

За умови рівноваги рідина

в машині має перебувати в спокої, тобто не перетікати з

Одного циліндра в інший. Це можливо тільки тоді, коли тиск рідини зліва дорівнюватиме тиску рідини справа, тобто:

P1 = p2, абo = .

Користуючися властивістю пропорції, цьому співвідношенню можна надати такого вигляду:

= .

Звідси випливає, що в стані рівноваги сила тиску F2 під великим поршнем у стільки разів більша за силу тиску F1 під малим поршнем, у скільки площа великого поршня S2 більша за площу малого S1 Це означає, що, діючи малою силою на малий поршень, можна врівноважити велику силу на великому поршні, наприклад утримати або підняти важкий вантаж.

Бачимо, що гідравлічна машина дає змогу збільшити силу й змінити напрям її дії.

Гідравлічна машина дає виграш у силі в стільки разів, у скільки площа її великого поршня більша за площу малого.

Гідравлічну машину, призначену для пресування (стискування) пористих тіл (порожнистих), називають гідравлічним пресом. Тіло, яке треба спресувати, кладуть на платформу, що розміщується на великому поршні (мал. 161). Коли поршень піднімається, тіло впирається в нерухому верхню платформу і стискається.

З малої посудини у велику масло перекачується повторними рухами малого поршня. Коли він піднімається вгору, то під поршень засмоктується масло з посудини. При цьому клапан 1 відкривається, а клапан 2 закривається під дією тиску масла. Під час опускання малого поршня, навпаки, клапан 1 закривається, а відкривається клапан 2, і рідина переходить у велику посудину.

Наприклад, якщо площа малого поршня S1 = 5 см2, а площа великого поршня S2 = 500 см2, то виграш у силі становитиме 100 разів. Установивши цей дивний факт, Паскаль написав, що за допомогою машини, яку він винайшов, “одна людина, натискуючи на малий поршень, зрівноважить силу ста людей, які натискують на поршень, у сто разів більший, і тим самим подолає силу дев’яносто дев’яти людей”.

Уперше гідравлічні преси почали застосовуватися на практиці наприкінці XVIII – на початку XIX ст. Гідравлічні преси використовують під час виготовлення сталевих валів і кузовів машин, залізничних коліс, різноманітних металевих і пластмасових виробів. Для віджимання соку з винограду, олії – із соняшникового насіння, виготовлення халви також використовують преси.

Сучасні гідравлічні преси можуть створювати тиск до 41 700 МПа (мал. 162).

В автомобілях використовують гідравлічні гальма. Схему будови такого гідравлічного гальма показано на малюнку 163.

Мал. 161

Мал. 162

Якщо водій тисне на педаль 1, то поршень у циліндрі 2 створює тиск на рідину, яка заповнює циліндр-трубку і гальмівні циліндри 3. Цей тиск згідно із законом Паскаля передається без зміни рідиною на поршні гальмівних циліндрів 3. Поршні під дією сили тиску розходяться і притискують гальмівні колодки 4 до гальмівних барабанів – колеса автомобіля гальмуються, автомобіль зменшує швидкість і зупиняється. Якщо водій припиняє тиснути на педаль, то пружина стискається і повертає гальмівні колодки в початкове положення.

Мал. 163

ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ

1. Що таке гідравлічна машина?

2. Для чого використовують гідравлічний прес?

3. Який виграш у силі дає гідравлічний прес?

4. Як працюють гідравлічні гальма?

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ

Розв’язуємо разом

1. Чим пояснити, що відра у формі зрізаного конуса дуже поширені (мал. 164), хоч вони менш стійкі й з них під час перенесення більше розхлюпується води порівняно з відрами циліндричної форми такої самої висоти? Крім того, конусоподібні відра незручно нести, бо доводиться широко розставляти руки.

Відповідь: виявляється, у більшості випадків відра виходять з ладу через те, що в них випадає дно. Отже, міцність дна визначає довговічність відра. У відрі конічної форми площа дна менша, ніж у відрі циліндричної форми тієї самої місткості, а тому сила тиску на дно менша. Ця єдина властивість конічних відер переважає всі інші їх недоліки.

Мал. 164

2. Найбільша глибина, на якій вчені з корабля “Витязь” виловили рибу, дорівнює 7200 м. Який тиск створює вода на цій глибині?

Розв’язання

Тиск, який створює морська вода на глибині, визначимо за формулою:

Р = gph.

Підставивши значення величин, отримаємо:

Р = 10 Н/кг ∙ 1030 кг/м3 ∙ 7200 м =

= 74 160 000 Па = 74 160 кПа = 74,16 МПа.

Відповідь: р = 74,16 МПа.

3. Воду перелили з вузької і високої посудини в широку й низьку. Чи змінилася при цьому вага води, тиск на дно посудини, сила тиску?

Відповідь: вага й сила тиску не змінилися, а тиск води зменшився, оскільки зменшилася висота стовпа рідини.

Рівень А

203. Тонкостінну вщерть наповнену водою пляшку намагаються щільно закрити корком. Що може статися при цьому і чому?

204. Чому вибух під водою нищить живі істоти, які там живуть?

205. Чому водолази на великих глибинах користуються скафандрами, що виготовлені з кращих сортів сталі?

206. На якому поверсі будинку вода з кранів витікає під більшим тиском: нижньому чи верхньому?

207. Навіщо труби для подання води на велику висоту роблять з міцного матеріалу і з товстими стінками?

208. Обчисліть тиск рідини густиною 1800 кг/м3 на дно циліндричної посудини, якщо висота рідини в ній дорівнює 10 см.

209. Який тиск створює гас на дно бочки, висота якої 1,2 м?

210. Для намивання піску на будівельні майданчики використовують земснаряд, насос якого створює тиск 785 кПа. На яку висоту він може подати пульпу (суміш води і піску), якщо її густина дорівнює 1080 кг/м3?

211. Чому стінки внутрішніх органів глибоководних риб, яких швидко витягнули на поверхню, виявляються розірваними?

212. Поясніть, що відбувається на малюнку 165.

Мал. 165

Мал. 166

213. Визначте тиск води на дно посудини А і посудини В. Усі предмети на малюнку 166 зображено в однаковому масштабі. Тиск виразити впаскалях.

Рівень Б

214. Під час пострілу в круто зварене яйце в ньому утворюється отвір. Чому ж під час пострілу в сире яйце воно розлітається в усіх напрямах?

215. Чому коли стискувати тюбик із зубною пастою, вона виходить через отвір? Що станеться, якщо, закривши отвір, стискувати тюбик?

216. В одну з трьох однакових мензурок до однієї висоти налито воду, в другу – гас, у третю – ртуть. У якій мензурці тиск на дно буде найбільшим, а в якій – найменшим?

Мал. 167

217. У циліндричну посудину, частково заповнену водою, опустили дерев’яний брусок. Чи зміниться тиск води на дно посудини?

218. Чи буде однаковим час, потрібний для наповнення окропом з крана самовара склянки у випадках, якщо самовар повністю заповнений водою або якщо з нього вже витікають рештки води?

219. Виконайте такий дослід: наповніть склянку по вінця водою, виконайте відповідні вимірювання і визначте тиск води на дно склянки. Який тиск на дно склянки створювала б налита до такої самої висоти ртуть?

220. Молоко вилили з пляшки в каструлю. Які із зазначених нижче фізичних величин змінили своє значення, а які – не змінили: маса молока; сила тяжіння; вага молока; об’єм молока; сила тиску; тиск?

221. Для спостереження за рослинним і тваринним світом морів та океанів використовують батискафи (мал. 167). Який тиск створює вода на поверхню батискафа на глибині 1 км? З якою силою тисне на цій глибині вода на батискаф, якщо площа її поверхні дорівнює 1,1 м2, а густина морської води – 1030 кг/м3?

222. У посудині містяться один над одним три шари рідин, які не змішуються: вода, олія, ртуть. Висота кожного шару дорівнює 5 см. Виконайте пояснювальний малюнок і зазначте на ньому порядок розміщення шарів. Визначте тиск на дно посудини.

223. Два циліндри сполучаються між собою за допомогою трубки. Циліндри закриті поршнями, вагою і тертям об стінки яких можна знехтувати. На малий поршень поставили гирю так, як показано на малюнку 168. Визначте масу гирі, яку потрібно поставити на великий поршень для того, щоб система залишалася в рівновазі. Усі елементи малюнка зображено в однаковому масштабі.