Per capire come funziona una pressa idraulica, ricordiamo la regola dei vasi comunicanti. Il suo autore Blaise Pascal ha scoperto che se sono riempiti con un liquido omogeneo, il suo livello in tutti i vasi è lo stesso. In questo caso, la configurazione dei contenitori e le loro dimensioni non contano. L'articolo descriverà diversi esperimenti con contenitori comunicanti che ci aiuteranno a comprendere la struttura e il principio di funzionamento di una pressa idraulica.
Esperimento
Diciamo di avere vasi comunicanti con diverse sezioni trasversali. Indichiamo l'area di quello più piccolo con s, quello più grande - con S. Riempiamo i contenitori di liquido. Secondo la legge dei vasi comunicanti, le superfici dei liquidi sono alla stessa altezza.
Chiudiamo i vasi dall' alto con i pistoni. Possiamo supporre che se S siano le aree dei pistoni. Premere su quello più piccolo con forza f. Scenderà, il liquido lo faràscorre nel cilindro più grande e il pistone a sinistra inizierà a salire. Per impedirgli di rialzarsi, applicheremo la forza anche a lui. Denotalo F.
Per approfondire la comprensione di come funziona una pressa idraulica, proviamo a trovare un collegamento tra queste due forze. Procediamo dalla condizione di equilibrio. Prima di coprire i vasi con i pistoni, i liquidi erano in equilibrio. La pressione nei serbatoi era la stessa (p=P). Premere su entrambi i pistoni in modo che il liquido rimanga ancora in equilibrio. Le pressioni p e P aumenteranno ovviamente. Tuttavia, rimarranno gli stessi, perché aumenteranno dello stesso importo aggiuntivo. Questa è la quantità di pressione creata dai pistoni. Si trasmette ovunque secondo la legge di Pascal.
Ecco la condizione di equilibrio: p=P. Puoi considerare la pressione creata dai pistoni o la pressione della colonna di liquido. Il risultato sarà lo stesso. Si noti che la pressione creata dai pistoni è mille volte maggiore della pressione idrostatica della colonna di liquido. Una colonna d'acqua alta pochi centimetri crea una pressione di centinaia di pascal. E la pressione del pistone è di centinaia di kilopascal e talvolta di megapascal. Pertanto, in quanto segue trascureremo la pressione della colonna di liquido e assumiamo che le pressioni p e P siano create esclusivamente dalle forze f e F.
Dipende dalla forza di pressione dei pistoni sulla loro area
Deriviamo la formula, il principio di funzionamento della pressa idraulica senza di essa sarà incomprensibile. p=f/s e similmente P=F/S. Facciamo una sostituzione nella condizione di equilibrio. f/s=F/S. E ora confrontiamo le forze f e F. Per fare ciò, sia la parte sinistra che quella destra dell'espressionemoltiplica per S e dividi per f. Otteniamo fS/sf=FS/Sf. Cancelliamo f e S in entrambe le parti. Il risultato sarà l'uguaglianza F/f=S/s.
Il concetto di vincita è valido
Se S>s, la forza di pressione sul pistone nel vaso grande sarà tante volte maggiore della forza che preme sul pistone piccolo, quante volte l'area del pistone più grande supera l'area di quello piccolo. In altre parole, applicando una piccola forza ad un piccolo pistone, in un grande vaso otterremo una forza molto maggiore di quella con cui premiamo su un piccolo pistone. Questo è un effetto chiamato aumento di forza. Mostra quante volte le forze differiscono, cioè qual è il rapporto tra F e f. Se prendiamo navi le cui sezioni trasversali sono molto diverse, possiamo ottenere un aumento di forza di un fattore dieci o mille. L'analisi della forza chiarisce: il guadagno in forza è uguale al rapporto tra le aree del pistone grande e piccolo.
Movimento dei pistoni di una macchina idraulica
Molte industrie utilizzano il principio della pressa idraulica: fisica, edilizia, lavorazione dei materiali, agricoltura, automotive, ecc. Nella figura sono mostrati esempi di applicazione delle macchine idrauliche.
Consideriamo tutti gli stessi due vasi comunicanti con pistoni, ma ora faremo attenzione non alla forza, ma alla distanza che i pistoni percorrono quando si muovono. Immagina che la loro posizione iniziale sia diversa. Il pistone con area S si trova al di sotto del pistone con area s. Spostiamo il pistone più piccolo di una distanza h. L'acqua da una nave più piccola è passata in una più grande epremuto sul pistone. Si è spostato all' altezza H.
Conoscendo il rapporto tra le aree, troviamo il rapporto tra le altezze. Il volume che è andato in pressione dal cilindro sinistro a quello destro è indicato dal v. Nel cilindro destro è entrato un liquido di volume V. Il liquido è incomprimibile. Come si può scrivere matematicamente? v=v. Esprimere il volume in termini di area e altezza. v=sh e V=SH. Quindi sh=SH. M/s=a/a. Pertanto, il guadagno di forza è F/f=h/H. Questo rapporto ci dà una comprensione di come funziona una pressa idraulica. Concludiamo che poiché F è maggiore di f, allora H è minore di h, e per lo stesso fattore.
Diciamo che una macchina idraulica dia cento volte più forza. Ciò significa che se abbassiamo il pistone più piccolo di 100 mm, l' altro pistone si solleverà solo di 1 mm. E ci sono macchine che danno un aumento di forza mille volte. Ma cosa succede quando c'è un'auto sul pistone e deve essere sollevata ad un' altezza di diversi metri?
Progettazione e principio di funzionamento della pressa idraulica
Nel pistone di una piccola area c'è una valvola che chiude il tubo che porta al serbatoio dell'olio motore. L'acqua generalmente non viene utilizzata nelle presse idrauliche perché è corrosiva e ha un punto di ebollizione relativamente basso. Il pistone aziona la maniglia. Il fluido viene trasferito dal cilindro più piccolo a quello più grande attraverso un tubo.
Il grande vaso ha anche una valvola e un pistone. Quando alziamo la leva, l'olio, con l'aiuto dell'atmosferala pressione viene aspirata nel cilindro più piccolo. Quando abbassiamo il pistone, la valvola si chiude, non c'è nessun posto dove possa andare l'olio, quindi va in un recipiente più grande. Solleva la valvola al suo interno, il volume dell'olio aumenta, per questo il pistone si alza. Quando solleviamo di nuovo il pistone piccolo, la valvola nel vaso grande si chiude, quindi l'olio non va da nessuna parte e il pistone rimane in posizione.
Il principio di funzionamento della pressa idraulica è tale che qualsiasi oscillazione del pistone piccolo porti sempre al movimento del pistone grande verso l' alto. Il dispositivo ha un meccanismo che consente la discesa del pistone grande. Questo è un tubo con un rubinetto in una nave più grande. Quando chiudiamo il rubinetto sigilliamo il cilindro grande, e quando lo apriamo riportiamo la pressa idraulica nella sua posizione originale, l'olio defluisce. Ritorna al serbatoio, che consente di abbassare il pistone.
