A hidraulikus prés működésének megértéséhez emlékezzünk az edények kommunikációjának szabályára. Szerzője, Blaise Pascal azt találta, hogy ha homogén folyadékkal vannak megtöltve, akkor annak szintje minden edényben azonos. Ebben az esetben a tartályok konfigurációja és méretei nem számítanak. A cikkben számos kísérletet ismertetünk kommunikáló tartályokkal, amelyek segítenek megérteni a hidraulikus prés szerkezetét és működési elvét.
Kísérlet
Tegyük fel, hogy különböző keresztmetszeti területű kommunikáló ereink vannak. A kisebbik területét s-vel, a nagyobbat S-vel jelöljük. Töltsük meg a tartályokat folyadékkal. A kommunikáló edények törvénye szerint a folyadékok felülete azonos magasságban van.
Zárjuk le az edényeket felülről dugattyúkkal. Feltételezhetjük, hogy s és S a dugattyúk területei. Nyomja meg a kisebbet f erővel. Le fog esni, a folyadék isbeáramlik a nagyobb hengerbe, és a bal oldali dugattyú emelkedni kezd. Annak érdekében, hogy megakadályozzuk, hogy felemelkedjen, erőszakot is alkalmazunk vele szemben. Jelölje F.
Hogy közelebb kerüljünk a hidraulikus prés működésének megértéséhez, próbáljunk meg kapcsolatot találni e két erő között. Az egyensúlyi feltételből indulunk ki. Mielőtt az edényeket dugattyúkkal lefedtük volna, a folyadékok egyensúlyban voltak. A nyomás a tartályokban azonos volt (p=P). Nyomja le mindkét dugattyút, hogy a folyadék továbbra is egyensúlyban maradjon. A p és P nyomás természetesen növekedni fog. Ezek azonban továbbra is változatlanok maradnak, mert ugyanannyi plusz összeggel növekednek. Ez a dugattyúk által létrehozott nyomás mértéke. Pascal törvénye szerint mindenhol továbbítják.
Íme az egyensúlyi feltétel: p=P. Figyelembe veheti a dugattyúk által keltett nyomást, vagy a folyadékoszlop nyomását. Az eredmény ugyanaz lesz. Vegye figyelembe, hogy a dugattyúk által létrehozott nyomás ezerszer nagyobb, mint a folyadékoszlop hidrosztatikai nyomása. Egy néhány centiméter magas vízoszlop több száz pascal nyomást hoz létre. És a dugattyúnyomás több száz kilopascal, és néha megapascal. Ezért a következőkben figyelmen kívül hagyjuk a folyadékoszlop nyomását, és feltételezzük, hogy a p és a P nyomásokat kizárólag az f és F erők hozzák létre.
A dugattyúk nyomóerejének függése a területüktől
Vezzük le a képletet, a hidraulikus prés működési elve nélküle érthetetlen lesz. p=f/s és hasonlóan P=F/S. Végezzünk behelyettesítést az egyensúlyi feltételbe. f/s=F/S. És most hasonlítsuk össze az f és F erőket. Ehhez a kifejezés bal és jobb oldali részét isszorozzuk meg S-vel és osszuk el f-vel. Azt kapjuk, hogy fS/sf=FS/Sf. Töröljük mindkét részben f-et és S-t. Az eredmény az F/f=S/s egyenlőség lesz.
A nyerés fogalma érvényes
Ha S>s, akkor a nagy tartályban a dugattyúra ható nyomóerő annyiszor lesz nagyobb, mint a kis dugattyúra nyomó erő, hányszor haladja meg a nagyobb dugattyú területe a a kicsi. Más szóval, ha kis erőt fejtünk ki egy kis dugattyúra, egy nagy edényben sokkal nagyobb erőt kapunk, mint amivel egy kis dugattyút megnyomunk. Ezt a hatást erőnövekedésnek nevezik. Megmutatja, hogy hányszor térnek el az erők, azaz mekkora az F és az f aránya. Ha olyan edényeket veszünk, amelyek keresztmetszete nagyon eltérő, akkor tízszeres vagy ezerszeres szilárdságnövekedést kaphatunk. Az erőelemzés egyértelművé teszi: az erőnövekedés egyenlő a nagy és a kis dugattyú területeinek arányával.
Hidraulikus gép dugattyúinak mozgása
Sok iparág használja a hidraulikus prés elvét: fizika, építőipar, anyagfeldolgozás, mezőgazdaság, autóipar stb. A hidraulikus gépek alkalmazási példái az ábrán láthatók.
Vegyük figyelembe ugyanazt a két dugattyúval kommunikáló edényt, de most nem az erőre fogunk figyelni, hanem arra a távolságra, amelyet a dugattyúk mozgás közben megtesznek. Képzelje el, hogy a kezdeti helyzetük eltérő. Az S területű dugattyú az s területű dugattyú alatt található. Mozgassuk a kisebb dugattyút h távolságra. Egy kisebb edényből a víz átment egy nagyobbba ésrányomva a dugattyúra. Felment a H magasságba.
A területek közötti arány ismeretében megtaláljuk a magasságok arányát. Azt a térfogatot, amely nyomás alatt a bal oldali hengerből a jobbba ment, v-vel jelöljük. A jobb oldali hengerbe V térfogatú folyadék került, amely összenyomhatatlan. Hogy lehet ezt matematikailag leírni? v=v. Fejezd ki a térfogatot területtel és magassággal. v=sh és V=SH. Tehát sh=SH. S/s=h/H. Ezért az erőnövekedés F/f=h/H. Ez az arány megértést ad a hidraulikus prés működéséről. Arra a következtetésre jutunk, hogy mivel F nagyobb, mint f, akkor H kisebb, mint h, és ugyanazzal a tényezővel.
Tegyük fel, hogy egy hidraulikus gép százszoros erőnövekedést ad. Ez azt jelenti, hogy ha a kisebbik dugattyút 100 mm-rel leengedjük, a másik dugattyú csak 1 mm-rel emelkedik. És vannak olyan gépek, amelyek ezerszeres erőnövekedést adnak. De mi van akkor, ha egy autó van a dugattyún, és több méter magasra kell emelni?
A hidraulikus prés kialakítása és működési elve
Kis terület dugattyújában van egy szelep, amely lezárja a motorolaj-tartályhoz vezető csövet. Hidraulikus présekben általában nem használnak vizet, mert korrozív és viszonylag alacsony forráspontja van. A dugattyú hajtja a fogantyút. A folyadék egy csövön keresztül jut át a kisebb hengerből a nagyobbba.
A nagy tartályban van egy szelep és egy dugattyú is. Amikor felemeljük a kart, az olajat, atmoszférikus segítségévelnyomást szívunk be a kisebb hengerbe. Amikor leeresztjük a dugattyút, a szelep zár, nincs hova menni az olaj, ezért egy nagyobb edénybe kerül. Megemeli benne a szelepet, megnő az olaj mennyisége, emiatt a dugattyú felemelkedik. Amikor ismét felemeljük a kis dugattyút, a nagy edényben a szelep záródik, így az olaj nem megy sehova, és a dugattyú a helyén marad.
A hidraulikus prés működési elve olyan, hogy a kis dugattyú bármilyen oszcillációja mindig a nagy dugattyú felfelé mozgásához vezet. A készülék olyan mechanizmussal rendelkezik, amely lehetővé teszi a nagy dugattyú leereszkedését. Ez egy tömlő csapteleppel egy nagyobb edényben. Amikor elzárjuk a csapot, a nagy hengert lezárjuk, kinyitásakor pedig visszatesszük a hidraulikus prést az eredeti helyzetébe, lefolyik az olaj. Visszatér a tartályhoz, ami lehetővé teszi a dugattyú leengedését.
