Щоб зрозуміти принцип роботи гідравлічного преса, згадаємо правило сполучених посудин. 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 посудинами, які допоможуть нам розібратися в пристрої і принцип роботи гідравлічного преса.
Експеримент
Припустимо, у нас є сполучені посудини з різною площею поперечного перерізу. Площа меншого позначимо s, більшого — S. Наповнимо ємності рідиною. За законом сполучених посудин 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 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 в ємностях було однаковим (p=P). Натиснемо на обидва поршня так, щоб рідина залишалася в рівновазі. Тиску p і Р, звичайно ж, збільшаться. Однак вони як і раніше залишаться однаковими, тому що збільшаться на одну і ту ж додаткову величину. Це величина тиску, створюваного поршнями. Вона за законом Паскаля передається всюди.
Ось умова рівноваги: p=Р. Можна розглядати тиск, створюване 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 паскалів. А тиск поршня становить сотні кілопаскалей, а іноді і мегапаскалей. Тому надалі ми будемо нехтувати тиском стовпа рідини і вважати, що тиску p і Р створені виключно силами f i 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 умову 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 великого поршня перевищує площу малого. Іншими словами, прикладаючи невелику силу до маленького поршня, у великій посудині ми отримаємо силу, набагато перевищує ту, з якою ми тиснемо на малий поршень. Це ефект, який називається виграш у силі. Він показує, у скільки разів сили відрізняються, тобто чому дорівнює відношення F f. Якщо ми візьмемо судини, площі поперечного перерізу яких сильно відрізняються, то можемо отримати виграш у 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 дві сполучені посудини з поршнями, але тепер ми будемо звертати увагу не на силу, а на відстань, яку проходять поршні при переміщенні. Уявімо, що первісне їхнє становище різне. Поршень площею S розташований нижче поршня площею s. Перемістимо менший поршень на відстані h. Вода з меншої посудини перейшла в більший і натиснув 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. Виразимо об’єм 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, H менше h, причому в стільки ж разів.
Припустимо, гідравлічна машина дає виграш у 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 у силі в тисячу разів. А як же бути у випадках, коли на поршні стоїть автомобіль і його треба підняти на висоту кількох метрів?
Пристрій і принцип роботи гідравлічного преса
У поршні невеликій площі знаходиться клапан, який закриває трубочку, провідну 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 у більший посуд. Воно піднімає клапан в ньому, обсяг масла збільшується, за цього поршень піднімається. 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 поршня опускатися. Це шланг з краном в більшій посудині. Коли ми закриваємо кран, ми герметизируем великий циліндр, а коли відкриваємо, то наводимо гідравлічний прес у вихідне положення, масло зливається. Воно повертається в резервуар, що дозволяє опустити поршень.
