XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Принцип работы гидравлических систем
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Сегодня гидравлические системы получили широкое распространение в дорожной и строительной технике, потому что они универсальны и эффективны в работе. Использование гидравлических систем постоянно увеличивается. И чтобы понять, как действует современная техника, стоит знать главные законы физики.
В будущем я хочу стать инженером, и мне, возможно, придётся сталкиваться с гидравлическими системами. Поэтому данное исследование поможет мне понять принцип действия таких систем.
Закон Паскаля – один из основных законов физики. Он нашел огромное применение в современном мире. Именно открытие этого закона лежит в основе создания гидравлических систем. Однако, все эти механизмы достаточно сложны и громоздки, поэтому мне захотелось создать устройство, в основе действия которого лежит закон Паскаля, чтобы разобраться в принципе их работы. И я решил сделать модель, а именно лабиринт. Для прохождения лабиринта буду использовать принцип действия гидравлической системы.
Цель работы: изучить принцип действия гидравлической системы и применить его на практике.
Я сделал предположение, что в домашних условиях возможно создать модель, движение которой будет основано на законах гидравлической системы.
Задачи:
Изучить литературу по выбранной теме.
Выбрать подходящий материал и детали для создания лабиринта. В домашних условиях изготовить лабиринт, привести его в движение используя законы гидравлической системы.
Проанализировать полученную информацию и по полученным результатам сделать выводы.
Методы исследования: изучение и анализ литературных источников, систематизация и обобщение полученных данных, моделирование.
Глава 1 Основной закон гидростатики
1.1. Закон Блеза Паскаля
Французский учёный Блез Паскаль прожил очень короткую, но невероятно насыщенную открытиями и изобретениями жизнь. Например, именно им была создана первая вычислительная машина на основе связанных шестерёнок — «паскалина». Им был проведён эксперимент, доказывающий существование атмосферного давления и подтверждающий результаты опыта по измерению этого давления, который впервые был проведён учеником Галилео Галилея — Эванджелистой Торричелли. Паскаль предложил основную идею гидравлического пресса или домкрата, которая и сейчас применяется во всех гидравлических подъёмных или прессовальных устройствах. И самое главное — именно им был открыт основной закон гидростатики, называемый также законом Паскаля.
В чём же заключается основной закон гидростатики? Попробую в этом разобраться. Известно, что если некоторое твёрдое тело оказывает на некоторую поверхность давление, то при воздействии на это тело с какой-либо силой, тело передаёт это воздействие в виде давления ровно в направлении этого воздействия. То есть, если нажать на стол сверху вниз в том месте, где находится одна из его ножек, то его давление на пол усилится строго в направлении воздействия и только в том месте, где эта самая ножка касается пола. Давление на пол со стороны остальных ножек не изменится. Совсем не так, как оказалось, передаётся давление в жидкостях (и газах). Легко можем проверить, что если воздействовать на жидкость (или газ) в какой-либо точке, то это воздействие будет передано одинаково во всех направлениях. В этом и заключается основной закон гидростатики — жидкость (или газ) передаёт оказываемое на неё давление одинаково во всех направлениях. Этот закон назван законом Паскаля, а самого Паскаля считают основоположником классической гидростатики – науки о жидкости или газе в состояния равновесия (покоя). Способность жидкости передавать давление по всем направлениям без изменения была положена в основу устройства гидравлических и пневматических устройств. На основе закона Паскаля построены гидравлические прессы, гидравлические подъёмники, агрегаты для заправки горючим, опрыскиватели, водомёты, пневматические трубопроводы и т. д.
Практическое использование Закона Паскаля
Закон Паскаля лежит в основе устройства гидравлических машин и находит практическое применение. Если на небольшую площадь поверхности жидкости подействовать определенной силой, то увеличение давления произойдет по всему объему жидкости. Это давление может совершить работу по перемещению большей площади поверхности. Кстати, известно, что сам Паскаль, используя открытый им закон, в ходе проведенных экспериментов изобрел гидравлический пресс.
Так, сжатый воздух используется в подводной лодке для ее подъема с глубины. При погружении специальные цистерны внутри подводной лодки заполняются водой. Масса лодки увеличивается, и она погружается. Для подъема лодки в эти цистерны закачивается сжатый воздух, который вытесняет воду. Масса лодки уменьшается, и она всплывает.
Устройства, в которых применяется сжатый воздух, называются пневматическими. К ним относится, например, отбойный молоток (Приложение А), которым вскрывают асфальт, рыхлят мерзлый грунт, дробят горные породы. Под действием сжатого воздуха пика отбойного молотка делает 1000—1500 ударов в минуту большой разрушительной силы.
На производстве для ковки и обработки металлов используется пневматический молот и пневматический пресс (Приложение А). В прессовом оборудовании пневматического типа для этих целей используется устройство, вырабатывающее сжатый воздух. В качестве такого устройства может использоваться компрессор или воздушный насос.
В грузовых автомобилях и на железнодорожном транспорте используется пневматический тормоз (Приложение А). В вагонах метро с помощью сжатого воздуха открываются и закрываются двери. Использование воздушных систем на транспорте связано с тем, что даже в случае утечки воздуха из системы он будет восполняться за счет работы компрессора и система будет исправно работать.
На законе Паскаля основана и работа экскаватора, где применяются гидравлические цилиндры для приведения в движение его стрел и ковша.
Горный комбайн – машина, предназначенная для выработки и погрузки в транспортное средство горной массы. Устройство горного комбайна включает: отбойный инструмент, разрыхляющий пласт породы, погрузочный инструмент, сгружающий породу на транспортное средство, двигатель, механизм передвижения устройства управления и улавливания пыли (Приложение А).
Гидравлический пресс – это такое оборудование, которое специально предназначено для обработки деталей и заготовок путем воздействия на них высоким давлением. Работает такой пресс за счет давления жидкости, воздействующей на элементы его конструкции (Приложение А).
Гидравлический домкрат — это стационарное, переносное или передвижное грузоподъемное устройство, предназначенное для тяжелых предметов. Применяется при выполнении ремонтно-строительных работ и в составе кранов, прессов, подъемников.
Подъемные механизмы с гидравлическим приводом от двигателя автомобиля (Приложение А). Подъемный механизм предназначен для обеспечения разгрузки кузова путем его наклона (опрокидывания) и последующего возвращения в исходное (транспортное) положение. Он также обеспечивает фиксацию кузова в любом промежуточном положении при его подъеме и опускании. Наибольшее распространение получили гидравлические подъемные механизмы, привод которых осуществляется от двигателя автомобиля. Эти механизмы компактны, надежны, безопасны в работе, обладают плавностью и быстротой действия, имеют большой срок службы.
Гидравлический насос — оборудование, посредством которого механическая энергия преобразовывается в гидравлическую: из вырабатываемого двигателем крутящего момента образуется подача либо давление.
Гидравлический подъемник – это устройство, которое встречается практически в каждом СТО и автосервисе. Благодаря использованию данной установки можно быстро и качественно выполнить работы по обслуживанию транспортного средства. Однако, помимо этого есть гидравлический подъемник, используемый в коммунальных целях и в строительстве.
Гидравлические краны – это краны, приводимые в действие напорной водой. Положительными качествами гидравлических кранов являются: безопасность, легкая приспособляемость к различным условиям, надежность работы. Различные операции (подъем, горизонтальное перемещение и поворот) обыкновенно выполняются отдельными гидравлическими цилиндрами с независимым друг от друга управлением.
Одноковшовый экскаватор — это средство передвижения, хотя и созданное для копания, подъема и разгребания грунта и материалов. Ходовая часть этих машин очень похожа на ходовую часть танка: такой же двигатель и такая же гусеничная лента. У экскаватора есть несколько стрел, и последняя кончается ковшом для зачерпывания земли. Так же, как и на подъемном кране, в экскаваторе применяются гидравлические цилиндры для приведения в движение его стрел и ковша. Другие гидравлические двигатели и клапаны управления, находящиеся в кабине, позволяют управлять движением гусениц. Гидроцилиндры приводятся в действие тем же двигателем внутреннего сгорания, что передвигает гусеницы экскаватора.
Основной двигатель приводит в действие насосы, которые создают избыточное давление масла в гидроцилиндрах, и при этом вытягивается стрела. Водитель в кабине с помощью рычагов управляет движениями ковша и щита. Стрела поднимается и удлиняется, когда поршень в цилиндре идет вверх. А когда поршень опускается, стрела укорачивается и тоже опускается. Поршень плечевого цилиндра управляет движением плеча. Ковш черпает или высыпает, когда поршень его цилиндра вытягивается или втягивается.
Глава 2 Создание гидравлического лабиринта
Чтобы продемонстрировать закона Паскаля в действии, я решил изготовить лабиринт, основа работы которого – цилиндры-поршни, наполненные водой.
Для создания лабиринта мне понадобились следующие материалы (Приложение Б):
1) 2 листа пенокартона;
2) 8 шприцев объемом 20 мл;
3) 4 системы для капельницы;
4) вода;
5) краски разных цветов для подкрашивания воды;
6) цветной скотч;
7) деревянная палка, для создания пульта управления;
8) клей пистолет;
9) линейка, карандаш, канцелярский нож и ножницы;
10) металлический шарик.
Подходящим материалом для создания лабиринта в домашних условиях является пенокартон. Плюсы картона: легкость в обращении, доступность материала, минимальные финансовые затраты и простота изготовления.
Что интересно, в качестве поршней, поднимающих и опускающих основу лабиринта, я использовал медицинские шприцы, изобретенные самим Блезом Паскалем в подтверждение его закона.
Далее необходимо определиться с источником движения. Наклон поверхности лабиринта, и как следствие перемещение шарика в нужном направлении обеспечивают так называемые приводы. Наиболее подходящим механизмом движения для создания лабиринта в домашних условиях на мой взгляд является гидравлический привод. В гидравлическом приводе используется гидроцилиндр. Такой привод легко создать при помощи обычных шприцев и наборов для капельницы.
Создание модели
Приготовив все необходимые материалы, я приступил к созданию модели (Приложение Б). Для начала я нарисовал схему лабиринта, далее вырезал из пенокартона основу и бортики. Бортики обклеил синим скотчем и с помощью клеевого пистолета, согласно схеме, приклеил на основу лабиринта. С помощью пенокартона и деревянной палки был создан пульт управления с помощь системы рычагов. Еще 4 шприца я прикрепил на пульт управления. Развел в стакане воду с краской, четырех разных цветов. Наполнил каждый шприц из пульта управления водой разного цвета и соединил трубочкой от систем для капельниц с каждым шприцом. Получилось так что каждый шприц из угла лабиринт был соединен со своим шприцом из пульта управления.
Далее проверил систему. На пульте управления установлены 4 шприца. При нажатии на поршень шприца в цилиндре создается давление. Давление обеспечивает поток жидкости. Поток жидкости устремляется к шприцам, установленным на лабиринте. За счет движения жидкости происходит наклон лабиринта и шарик на поверхности перемещается.
Гидравлические системы очень чувствительны к качеству соединения компонентов. Например, если я неплотно надену капельницу на рабочий цилиндр и начну создавать давление в системе, то герметичность нарушится, и вода вытечет из системы, потому что она всегда ищет путь наименьшего сопротивления.
Вывод: мне удалось в домашних условиях создать лабиринт, на основе которого я смог продемонстрировать в действии закон Паскаля.
Заключение
Изучив литературу по выбранной теме, изготовив модель и обобщив полученные данные, были сделаны следующие выводы:
Закон Паскаля лежит в основе устройства гидравлических машин. В современном мире гидравлические машины получили очень широкое распространение.
Простейшую модель гидравлической машины можно построить в домашних условиях. На основе проектирования и моделирования лабиринта удалось изучить и наглядно продемонстрировать закон Паскаля.
Цель работы достигнута. Гипотеза нашла своё подтверждение: я создал систему, работающую по законам Паскаля. В дальнейшем, я планирую продолжить изучение и других законов физики в области гидростатики.
Список литературы
1. Гальперштейн Л. «Занимательная физика». Издательство: Росмэн, 2000 г.
2. Майоров А.Н. Физика для любознательных, или о чем не узнаешь на уроке».
Издательство: Академия развития, 1999г.
Перельман Я.И. « Занимательные опыты и задачи по физике». Издательство:
Аванта, 2017 г.
4. Перышкин А.В. «Физика 7 класс». Издательство: Экзамен, 2009 г.
5. Гидравлические краны. [Электронный ресурс]
http://azbukametalla.ru/entsiklopediya/g/gidravlicheskie-krany.html
6. Занимательная физика. [Электронный ресурс]
http://class-fizika.narod.ru/p11.htm
7. Изделия своими руками. [Электронный ресурс]
https://www.pinterest.ru/pin/388013324144254875
8. Онлайн энциклопедия. [Электронный ресурс]
http://sitekid.ru/matematika/blez_paskal.html
9. Энциклопедия техники. [Электронный ресурс] http://enciklopediya-tehniki.ru
12
Приложение А
Отбойный молоток, которым вскрывают асфальт
На производстве для ковки и обработки металлов используется пневматический молот и пневматический пресс
13
В грузовых автомобилях и на железнодорожном транспорте используется пневматический тормоз
На законе Паскаля основана и работа экскаватора, где применяются гидравлические цилиндры для приведения в движение его стрел и ковша
Горный комбайн
Гидравлический пресс
Подъемные механизмы с гидравлическим приводом от двигателя автомобиля
В экскаваторе применяются гидравлические цилиндры для приведения в движение его стрел и ковша
15
Приложение Б
С
1. Нарисовал схему, вырезал детали, собрал модель лабиринта.
оздание лабиринта
2. Из пенокартона и деревянной палки создал пульт управления с помощь системы рычагов.
3. Установил лабиринт на опоры
из 4-х шприцов.
4. Развел в стакане воду с краской, четырех разных цветов. Наполнил каждый шприц из пульта управления водой разного цвета и соединил трубочкой от систем для капельниц с каждым шприцом.
1
5. Проверил систему. При нажатии на поршень шприца, установленном на пульте управления, в цилиндре создается давление. Давление обеспечивает поток жидкости. Поток жидкости устремляется к шприцам, установленным на лабиринте. За счет движения жидкости происходит наклон лабиринта и шарик на поверхности перемещается.
6
Вывод: мне удалось в домашних условиях создать лабиринт, на основе
которого я смог продемонстрировать в действии закон Паскаля.