Как функционирует большой поршень гидравлического пресса

Действие всех современных машин и механизмов основано на фундаментальных законах физики, доходчиво изложенных в курсе школьной программы. Это касается шикарного Maybach и бензопилы, работающих от двигателя внутреннего сгорания, согласно закону сохранения импульса функционируют двигатели реактивных самолетов и космического ракетоносителя.

Где находится большой поршень?

Так и действие таких привычных устройств, как гидроусилитель руля, гидравлические тормоза, домкрат или мощный гидравлический пресс, основано на физических принципах, изложенных в учебнике для 7-го класса. Как же функционирует гидравлический пресс, или наоборот, домкрат? Об этом, а также о работе гидроусилителя или тормоза читайте в этой статье.

Сообщающиеся сосуды

Каждый, кто хотя бы раз пользовался чайником, имел дело с сообщающимися сосудами. В случае с чайником, такими сосудами являются носик чайника и, собственно, сам чайник. Если налить в него воды, то ее уровень будет одинаковым и в чайнике и в носике. Когда воду доливают в чайник, уровень воды в носике тоже повышается. Принцип сообщающихся сосудов лежит в основе устройства гидроуровня.

Это значит, что если в сообщающихся сосудах налита жидкость одной плотности и она находится в покое, то есть на жидкость не оказывается давление, высота столба жидкости в обоих сосудах будет одинакова, не зависимо от формы и сечения сосудов. Изменив давление в одном сосуде, например, долив его, мы вынуждаем жидкость, которая стремится находиться в покое, компенсировать это давление, подняв уровень – увеличив высоту столба, в другом сосуде.

Также и обратно: изменив высоту столба жидкости, например, подняв одну колбу гидроуровня, мы вынуждаем жидкость уравнять давление. А что, если приложив давление к жидкости в одном сосуде, мы воспрепятствуем возможности компенсации давления путем увеличения высоты столба жидкости в другом из сообщающихся сосудов, например, установив преграду?

Гидравлическая машина

Мы получим гидравлическую машину. Машинами, в общем смысле, называются устройства, преобразующие энергию в механическое движение, или наоборот, механическое движение, преобразующее в какую-либо энергию. К гидромашинам относят интересующие нас устройства, в том числе, и гидравлические прессы.

Простейшая гидромашина представляет собой два цилиндра с поршнями, являющихся сообщающимися сосудами.

Модель пресса или домкрата вы сможете собрать самостоятельно, в качестве цилиндров с поршнями, использовав два медицинских шприца разного объема, соединив их с помощью трубочки в сообщающиеся сосуды. Как выглядит это устройство, показано на фото. Получившиеся сообщающиеся сосуды заполнены водой. Мы видим, что при нажатии на поршень одного шприца, другой поршень подымается.

Заметьте, что сместив на одно деление больший поршень, мы подымаем другой на высоту, в несколько раз большую.

Блез Паскаль и Джозеф Брама

В основу механизма работы гидравлической машины, кроме принципа сообщающихся сосудов, лег другой физический закон, который сформулировал французский философ и ученый, Блез Паскаль. Он гласит, что давление в газе или жидкости распространяется во все стороны без изменений.

Математически закон Паскаля выражается следующим образом:

где P – это давление, F – сила, а S – площадь сечения сосуда.

Как видим, давление, получаемое в результате, зависит от приложенного усилия и площади поршня.

Закон, открытый Паскалем и наблюдения над сообщающимися сосудами не давали изобретателям покоя довольно долго – около ста лет. Соблазн создать устройство, позволяющее приложив в одном месте незначительное усилие, получить на выходе давление, в разы превосходящее, был велик. Затыка состояла в том, что в условиях того времени – XVIII века, было невозможно создать герметичное прилегание поршня к стенкам цилиндра. Отсутствие герметичности сводило на нет все усилия: оказываемое давление выпускалось в щели неплотного прилегания.

Проблему решил Джозеф Брама в 1795 году, став изобретателем гидравлического пресса, принципиальная конструкция которого осталась неизменной до сих пор и нашла широкое применение в технике. Хотя, конечно, следует отдать должное Генри Модсли, сотруднику Брамы, которому, собственно, и принадлежит изобретение уплотнительной манжеты.

Вернемся к нашей модели гидравлической машины

При приложении силы F к большому поршню, вода по трубочке начинает давить снизу на другой поршень. Вода, заполняющая цилиндры, может считать несжимаемой, поэтому, объем воды, вытесненный поршнем, равен объему, который заполнил другой цилиндр и поднял поршень.

или

Рассчитаем увеличение силы, которое дает гидравлическое устройство. Напомним, Значит, чтобы уравновесить давление в сообщающихся сосудах, получим: и, соответственно, , где значение площадь большого поршня гидравлического пресса, а – сила, с которой будет действовать пресс.

Площадь большого поршня гидравлического пресса прямо пропорциональна размерам второго поршня , а сила будет больше во столько раз, во сколько размер большого поршня превышает площадь меньшего.

Посмотрим, как это выглядит на примерах

Если мы имеем большой поршень гидравлического пресса площадью 100 см², а площадь малого – 10 см², то чтобы переместить груз, весящий 0,2 тонны, к малому поршню требуется применить усилие 196Н, или 19,99 кг. Расчет произведем по формуле:

. Напомним, что сила, – груза, массой 200 кг, вычисляется по формуле: .

196H.

Современные промышленные гидравлические машины способны производить усилие в сотни тысяч Ньютонов. Так, гидропресс развивает силу в 5000 кН, имея площадь большого поршня гидравлического пресса 400 см², площадь малого – в 4 см². А если большой поршень гидравлического пресса площадью 180 см² производит усилие в 18 кН, к меньшему, имеющему размер в 4 см², нужно приложить усилие 400 Н, или 40 кг.