За да разберем как работи хидравличната преса, нека си спомним правилото за комуникационни съдове. Неговият автор Блез Паскал установи, че ако са пълни с хомогенна течност, тогава нивото й във всички съдове е еднакво. В този случай конфигурацията на контейнерите и техните размери нямат значение. Статията ще опише няколко експеримента с комуникационни контейнери, които ще ни помогнат да разберем структурата и принципа на действие на хидравличната преса.
Експеримент
Да кажем, че имаме комуникационни съдове с различни площи на напречното сечение. Обозначаваме площта на по-малката с s, на по-голямата - със S. Нека напълним контейнерите с течност. Според закона за комуникиращите съдове повърхностите на течностите са на една и съща височина.
Нека затворим съдовете отгоре с бутала. Можем да приемем, че s и S са площите на буталата. Натиснете по-малкия със сила f. Ще се понижи, течността щепоток в по-големия цилиндър и буталото отляво ще започне да се издига. За да му попречим да се издигне, ще приложим и сила към него. Обозначете го F.
За да се доближим до разбирането как работи хидравличната преса, нека се опитаме да намерим връзка между тези две сили. Ще изхождаме от условието за равновесие. Преди да покрием съдовете с бутала, течностите бяха в равновесие. Налягането в резервоарите беше същото (p=P). Натиснете двете бутала, така че течността да остане в равновесие. Наляганията p и P, разбира се, ще се увеличат. Те обаче ще останат същите, защото ще се увеличат със същата допълнителна сума. Това е количеството налягане, създадено от буталата. Предава се навсякъде според закона на Паскал.
Ето условието за равновесие: p=P. Можете да вземете предвид налягането, създадено от буталата, или налягането на течния стълб. Резултатът ще бъде същият. Имайте предвид, че налягането, създавано от буталата, е хиляда пъти по-голямо от хидростатичното налягане на течния стълб. Воден стълб с височина няколко сантиметра създава налягане от стотици паскали. А налягането на буталото е стотици килопаскали, а понякога и мегапаскали. Следователно, по-нататък ще пренебрегнем налягането на течния стълб и ще приемем, че наляганията p и P се създават изключително от силите f и F.
Зависимост на силата на натиск на буталата от тяхната площ
Нека изведем формулата, принципът на работа на хидравличната преса без нея ще бъде неразбираем. p=f/s и подобно P=F/S. Нека направим заместване в условието за равновесие. f/s=F/S. И сега нека сравним силите f и F. За да направите това, лявата и дясната част на изразаумножете по S и разделете на f. Получаваме fS/sf=FS/Sf. Нека отменим f и S в двете части. Резултатът ще бъде равенството F/f=S/s.
Концепцията за печалба е валидна
Ако S>s, тогава силата на натиск върху буталото в големия съд ще бъде толкова пъти по-голяма от силата, която притиска малкото бутало, колко пъти площта на по-голямото бутало надвишава площта на малкият. С други думи, като приложим малка сила към малко бутало, в голям съд ще получим сила, много по-голяма от тази, с която натискаме малко бутало. Това е ефект, наречен увеличаване на силата. Показва колко пъти се различават силите, т.е. какво е съотношението на F към f. Ако вземем съдове, чиито площи на напречното сечение са много различни, тогава можем да получим печалба в сила както десет, така и хиляда пъти. Анализът на силата показва ясно: усилването на силата е равно на съотношението на площите на голямото и малкото бутало.
Движение на буталата на хидравлична машина
Много индустрии използват принципа на хидравличната преса: физика, строителство, обработка на материали, селско стопанство, автомобилостроене и др. Примери за приложение на хидравличните машини са показани на фигурата.
Нека разгледаме все същите два комуникиращи съда с бутала, но сега ще обърнем внимание не на силата, а на разстоянието, което буталата изминават при движение. Представете си, че първоначалната им позиция е различна. Буталото с площ S се намира под буталото с площ s. Нека преместим по-малкото бутало на разстояние h. Водата от по-малък съд преминаваше в по-голям инатиснат върху буталото. Той се премести на височина H.
Познавайки съотношението между площите, намираме съотношението между височините. Обемът, който премина под налягане от левия цилиндър към десния, се обозначава с v. В десния цилиндър е постъпила течност с обем V. Течността е несвиваема. Как може да се напише това математически? v=v. Изразете обема по отношение на площ и височина. v=sh и V=SH. Така че sh=SH. S/s=h/H. Следователно печалбата в силата е F/f=h/H. Това съотношение ни дава разбиране за това как работи хидравличната преса. Заключаваме, че тъй като F е по-голямо от f, то H е по-малко от h и със същия коефициент.
Да кажем, че хидравличната машина дава стократно увеличение на силата. Това означава, че ако спуснем по-малкото бутало със 100 мм, другото бутало ще се вдигне само с 1 мм. И има машини, които дават печалба в сила хиляда пъти. Но какво да кажем, когато на буталото има кола и трябва да се вдигне на височина от няколко метра?
Дизайн и принцип на действие на хидравличната преса
В буталото на малка площ има клапан, който затваря тръбата, водеща към резервоара за двигателно масло. Водата обикновено не се използва в хидравличните преси, тъй като е корозивна и има относително ниска точка на кипене. Буталото задвижва дръжката. Течността се прехвърля от по-малкия цилиндър към по-големия през тръба.
Големият съд също има клапан и бутало. Когато вдигнем лоста, маслото, с помощта на атмосферниналягането се засмуква в по-малкия цилиндър. Когато спуснем буталото, клапанът се затваря, маслото няма къде да отиде, затова отива в по-голям съд. Той повдига клапана в него, обемът на маслото се увеличава, поради това буталото се издига. Когато отново повдигнем малкото бутало, клапанът в големия съд се затваря, така че маслото не отива никъде и буталото остава на място.
Принципът на действие на хидравличната преса е такъв, че всяко трептене на малкото бутало винаги води до движението на голямото бутало нагоре. Устройството има механизъм, който позволява на голямото бутало да се спусне. Това е маркуч с кран в по-голям съд. Когато затворим крана, уплътняваме големия цилиндър, а когато го отворим, връщаме хидравличната преса в изходно положение, маслото се оттича. Връща се в резервоара, което позволява спускането на буталото.
