Norėdami suprasti, kaip veikia hidraulinis presas, prisiminkime indų susisiekimo taisyklę. Jo autorius Blaise'as Pascalis nustatė, kad jei jie užpildyti vienalyčiu skysčiu, jo lygis visuose induose yra vienodas. Šiuo atveju konteinerių konfigūracija ir jų matmenys neturi reikšmės. Straipsnyje bus aprašyti keli eksperimentai su jungiamaisiais konteineriais, kurie padės suprasti hidraulinio preso struktūrą ir veikimo principą.
Eksperimentas
Tarkime, turime skirtingų skerspjūvio plotų susisiekiančių indų. Mažesniojo plotą žymime s, didesnio - S. Užpildykime indus skysčiu. Pagal susisiekimo indų dėsnį skysčių paviršiai yra viename aukštyje.
Uždarykite indus iš viršaus stūmokliais. Galime daryti prielaidą, kad s ir S yra stūmoklių plotai. Paspauskite mažesnįjį su jėga f. Sumažės, skystis nukristekėti į didesnį cilindrą, o stūmoklis kairėje pradės kilti. Kad jis nepakiltų, taikysime ir jėgą. Pažymėkite F.
Kad geriau suprastume, kaip veikia hidraulinis presas, pabandykime rasti ryšį tarp šių dviejų jėgų. Mes eisime iš pusiausvyros sąlygos. Prieš uždengdami indus stūmokliais, skysčiai buvo pusiausvyroje. Slėgis rezervuaruose buvo toks pat (p=P). Paspauskite abu stūmoklius, kad skystis išliktų pusiausvyroje. Žinoma, slėgis p ir P padidės. Tačiau jie vis tiek išliks tokie patys, nes padidės tokia pačia papildoma suma. Tai slėgio dydis, kurį sukuria stūmokliai. Jis perduodamas visur pagal Paskalio dėsnį.
Štai yra pusiausvyros sąlyga: p=P. Galite atsižvelgti į stūmoklių sukuriamą slėgį arba skysčio kolonėlės slėgį. Rezultatas bus toks pat. Atkreipkite dėmesį, kad stūmoklių sukuriamas slėgis yra tūkstantį kartų didesnis už skysčio kolonėlės hidrostatinį slėgį. Kelių centimetrų aukščio vandens stulpelis sukuria šimtų paskalių slėgį. O stūmoklio slėgis siekia šimtus kilopaskalių, o kartais ir megapaskalių. Todėl toliau nepaisysime skysčio kolonėlės slėgio ir manysime, kad slėgius p ir P sukuria tik jėgos f ir F.
Stūmoklių slėgio jėgos priklausomybė nuo jų ploto
Išveskime formulę, hidraulinio preso veikimo principas be jo bus nesuprantamas. p=f/s ir panašiai P=F/S. Pakeiskime pusiausvyros sąlygą. f/s=F/S. O dabar palyginkime jėgas f ir F. Norėdami tai padaryti, kairę ir dešinę išraiškos dalispadauginkite iš S ir padalykite iš f. Gauname fS/sf=FS/Sf. Atšaukkime f ir S abiejose dalyse. Rezultatas bus lygybė F/f=S/s.
Laimėjimo koncepcija galioja
Jeigu S>s, tada stūmoklio slėgio jėga dideliame inde bus tiek kartų didesnė už jėgą, kuri spaudžia mažąjį stūmoklį, kiek kartų didesnio stūmoklio plotas viršija mažoji. Kitaip tariant, mažam stūmokliui pritaikydami nedidelę jėgą, dideliame inde gausime daug didesnę jėgą nei ta, kuria spaudžiame mažą stūmoklį. Tai yra poveikis, vadinamas jėgos padidėjimu. Tai rodo, kiek kartų skiriasi jėgos, ty koks yra F ir f santykis. Jei imsime laivus, kurių skerspjūvio plotai labai skiriasi, tada stiprumas padidės dešimt ar tūkstantį kartų. Jėgos analizė aiškiai parodo: jėgos padidėjimas yra lygus didelio ir mažo stūmoklio plotų santykiui.
Hidraulinės mašinos stūmoklių judėjimas
Daugelis pramonės šakų naudoja hidraulinio preso principą: fizika, statyba, medžiagų apdirbimas, žemės ūkis, automobilių pramonė ir kt. Hidraulinių mašinų panaudojimo pavyzdžiai pateikti paveikslėlyje.
Panagrinėkime visus tuos pačius du susisiekiančius indus su stūmokliais, bet dabar atkreipsime dėmesį ne į jėgą, o į atstumą, kurį stūmokliai nuvažiuoja judėdami. Įsivaizduokite, kad jų pradinė padėtis skiriasi. Stūmoklis su sritimi S yra žemiau stūmoklio su sritimi. Perkelkime mažesnį stūmoklį atstumu h. Vanduo iš mažesnio indo pateko į didesnį irpaspaustas ant stūmoklio. Jis pakilo į H aukštį.
Žinodami santykį tarp plotų, randame santykį tarp aukščių. Tūris, kuris perėjo esant slėgiui iš kairiojo cilindro į dešinįjį, žymimas v. Į dešinįjį cilindrą pateko skystis, kurio tūris yra V. Skystis nesuspaudžiamas. Kaip tai galima parašyti matematiškai? v=v. Išreikškite tūrį pagal plotą ir aukštį. v=sh ir V=SH. Taigi sh=SH. S/s=h/H. Todėl stiprumo padidėjimas yra F/f=h/H. Šis santykis leidžia suprasti, kaip veikia hidraulinis presas. Darome išvadą, kad kadangi F yra didesnis už f, tai H yra mažesnis už h ir tuo pačiu koeficientu.
Tarkime, hidraulinė mašina šimteriopai padidina jėgą. Tai reiškia, kad jei mažesnį stūmoklį nuleisime 100 mm, kitas stūmoklis pakils tik 1 mm. Ir yra mašinų, kurios tūkstantį kartų padidina jėgą. Bet ką daryti, kai ant stūmoklio stovi automobilis ir jį reikia pakelti į kelių metrų aukštį?
Hidraulinio preso dizainas ir veikimo principas
Nedidelio ploto stūmoklyje yra vožtuvas, kuris uždaro vamzdelį, vedantį į variklio alyvos rezervuarą. Vanduo paprastai nenaudojamas hidrauliniuose presuose, nes yra ėsdinantis ir santykinai žemos virimo temperatūros. Stūmoklis varo rankeną. Skystis per vamzdelį perkeliamas iš mažesnio cilindro į didesnį.
Dideliame inde taip pat yra vožtuvas ir stūmoklis. Kai pakeliame svirtį, alyva, atmosferinės pagalbaslėgis įsiurbiamas į mažesnį cilindrą. Kai nuleidžiame stūmoklį, vožtuvas užsidaro, alyvai nebėra kur dingti, todėl patenka į didesnį indą. Jis pakelia jame esantį vožtuvą, padidėja alyvos tūris, dėl to pakyla stūmoklis. Kai vėl pakeliame mažąjį stūmoklį, vožtuvas dideliame inde užsidaro, todėl alyva niekur nedingsta ir stūmoklis lieka vietoje.
Hidraulinio preso veikimo principas yra toks, kad bet koks mažo stūmoklio svyravimas visada veda prie didelio stūmoklio judėjimo aukštyn. Įrenginys turi mechanizmą, leidžiantį dideliam stūmokliui nusileisti. Tai žarna su maišytuvu didesniame inde. Užsukę čiaupą užsandariname didįjį cilindrą, o atidarę grąžiname hidraulinį presą į pradinę padėtį, nuteka alyva. Jis grįžta į rezervuarą, todėl stūmoklis gali būti nuleistas.
