XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Модель гидравлического подъемника
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность выбранной темы обусловлена широким применением гидравлических систем в различных областях нашей жизни, достоинством которых является получение больших усилий и мощностей при ограниченных размерах силовых исполнительных двигателей.
Сегодня гидравлика – неотъемлемая часть не только бытовых и промышленных установок, но и ракетных установок ускорителей, запускающих на орбиту корабли, тормозных систем в суперкарах, медицинского и хирургического оборудования для выполнения сложнейших манипуляций. Для выполнения задач, которые ставятся перед гидросистемами, нужны передовые решения [1].
Донецкий национальный технический университет готовит специалистов, которые проектируют и конструирую такие системы для угольной отрасли. Поэтому, будущий инженер, который будет поднимать и развивать промышленность нашего региона должен хорошо владеть теоретическими знаниями и практическими навыками.
Знакомство с одним из интересных школьных предметов «Физика» началось в этом учебном году. К сожалению, ситуация в нашем регионе не позволила обучаться очно. Изучение учебного материала по физике дистанционно вызвало желание создать самодельный прибор – модель гидравлического подъемника.
Цель работы: создать модель гидравлического подъемника в домашних условиях.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Изучить научную и популярную литературу по теме.
Изготовить модель гидравлического подъемника из подручных средств.
Объяснить принцип действия модели.
Экспериментально проверить справедливость условия выигрыша в силе.
Объект исследования: модель гидравлического подъемника.
Предмет исследования: физические основы процесса разработки и создание модели гидравлического подъемника.
Гипотеза: возможность создания модели гидравлического подъемника с помощью системы сообщающихся сосудов и получения выигрыша в силе.
Методы: эксперимент, моделирование, демонстрация работы гидравлического подъемника, анализ полученных данных.
Как гласит народная поговорка «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать», то практическая значимость работы: применение модели гидравлического подъемника на уроках физики для изучения принципа работы гидравлических машин.
Основная часть.
Анализ литературы по теме «Гидравлические механизмы».
Для подтверждения гипотезы были изучены материалы по темам «Передача давления жидкостями и газами. Закон Паскаля», «Сообщающиеся сосуды», «Гидравлический пресс» [4] и в интернете [1, 2, 3].
Согласно теоретических материалов в основе работы гидравлических машин (от греч.гидравликос – водяной) лежит закон Паскаля – давление, оказываемое на жидкость или газ, передается ими по всем направлениям без изменения [1]. Но любая гидравлическая машина состоит из двух цилиндров разного диаметра, соединенных в нижней части трубкой. А это уже сообщающиеся сосуды, внутри которых находится жидкость.
В середине XVII века Б.Паскаль установил, что «Если сосуд, наполненный водой и закрытый со всех сторон, имеет два отверстия, одно во сто раз больше другого, которые прикрыты точно пригнанными к ним поршнями, то один человек, надавливающий на малый поршень, уравновесит силу ста человек, надавливающих на поршень, в сто раз больший, и преодолеет силу девяносто девяти человек». [3] Об этом он написал в трактате о равновесии жидкостей и привел простейшую модель гидравлической машины – механический прибор для увеличения силы.
Идея гидравлического пресса будоражила ума многих ученых, но еще более ста лет нельзя было достичь необходимой герметичности сосуда. В 90-х годах XVIII столетия английский изобретатель Брам взялся за создание гидравлического пресса и впервые был построен им в 1797 году.
После этого появилось много других гидравлических изобретений, например, домкрат — устройство, предназначенное для поднятия тяжестей. [2]
2.2. Физические законы, лежащие в основе работы гидравлических машин.
Гидравлическая машина представляет собой два цилиндра разного диаметра, в каждом из которых имеется поршень. Цилиндры соединены между собой трубкой и заполнены жидкостью (обычно маслом) (рис.1).
Рис. 1. Принцип работы гидравлической машины
Высота столба жидкости в цилиндрах будет одинакова, пока поршни находятся в состоянии покоя, т.к. цилиндры - сообщающиеся сосуды.
Стоит подействовать, пусть на меньший поршень площадью S1, силой F1, то жидкость придет в движение. Внутри меньшего цилиндра жидкость находится под давлением p1 = . Это давление согласно закону Паскаля передастся по всем направлениям без изменения.
Значит, на больший поршень площадью S2 будет оказываться такое же давление: р2 = р1 и сила F2 = p2 · S2 = · S2.
Перепишем последнее равенство в виде: = .
Т.к. S2 S1 , F2F1 , то чем больше площадь поршня, тем больше сила давления, действующая на него.
Получаем условие выигрыша в силе: сила, действующая на большой поршень, будет во столько раз больше силы, приложенной к малому поршню, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого поршня [4].
Значит, гидравлическая машина позволяет получить выигрыш в силе, равный отношению площади большего поршня к площади меньшего поршня.
Разработка схемы и конструирование модели гидравлического подъемника.
В данной работе рассматривается конструирование в качестве модели гидравлической машины – гидравлический подъемник.
Работа по созданию данной модели начата с создания схемы (Приложение 1), прорисованы детали гидравлической системы, рассмотрен физический принцип работы.
Рис.2. Модель гидравлического подъемника
Модель гидравлического подъемника (рис.2) состоит из двух цилиндров различных объемов, соединенных трубкой. На стенки цилиндров нанесена шкала, указывающая расстояние, пройденное поршнем. Малый цилиндр (1) путем нажатия передает усилие на большой цилиндр (2), который, в свою очередь, через рычаги (5) поднимает стрелу подъемника (6) с крючком (8) для подвески груза. Система рычагов подобрана так, что ход цилиндра (2) был равен ходу крючка. Стрела подъемника уравновешена относительно оси (7), чтобы исключить искажение результатов опытов за счет перевеса.
Также внутри цилиндров (1) и (2) поршни испытывают значительное трение. Для устранения влияния трения на результаты опыта на полке (4) расположен груз, который должен компенсировать трение поршня о стенки цилиндра.
Для изготовления модели гидравлического подъемника понадобилось:
|
Название |
Количество/размер |
|
Фанера |
Толщина 6мм, размер 300*500 мм |
|
Доска |
Толщина 25мм, размер 150*300 мм |
|
Шприцы медицинские одноразовые |
12мл -1шт., 50мл -1 шт. |
|
Трубка силиконовая от капельницы |
Диаметром 6 мм |
|
Масло машинное И-20 (гидравлическая жидкость) |
Незначительное количество |
|
Жесть (для рычагов) |
0,4 мм - 10*60мм, 10*50 мм |
|
Болты М4 |
6 шт. |
|
Гайки М4 |
7 шт. |
|
Саморезы по дереву |
15 шт. |
|
Коробочка для грузиков |
1 шт. |
|
Крючок, нитки |
Процесс изготовления модели представлен в приложении 2. Работу модели гидравлической машины можно просмотреть по ссылке https://cloud.mail.ru/stock/VaW5hdUJPSqpUjHsqjjbCkyW
2.4. Экспериментальное получение выигрыша в силе.
Цель эксперимента: проверить на практике работу модели гидравлического подъемника, получить выигрыш в силе.
Оборудование: груз массой m2, мелкие грузики общей массой m1, два шприца 12 и 50 мл, лабораторные весы, штангенциркуль.
Ход проведения эксперимента.
Определим с помощью весов массу груза m2 = 786 г и общую массу грузиков m1 = 264 г.
Измерим диаметр шприцев: диаметр поршня малого шприца d1=16мм, диаметр поршня большого шприца d2=28мм.
На крючок подъемника подвешиваем груз массой m2 г. Машина должна поднять его. Для этого на площадке (4) уложен груз, компенсирующий трение цилиндров. На нем расположено тело массой m1, вес которого будет создавать силу, приложенную к поршню цилиндра (1).
Определим силу F1, поднявшую груз массой m2, используя формулу
= , получим F1 = .
На полку (4) постепенно добавляем мелкие грузики, пока под воздействием их веса груз на крючке не поднимется. Определим их вес, это и будет сила F1
Масса уложенных грузиков m1 = 264г = 0,264кг.
F1 = m1· g = 0,264 кг · · 9,8 = 2,5872 Н.
Вычислим вес подвешенного тела F2 = m2 · g = 0,768 кг · 9,8 = 7,5264 Н.
Найдем отношение сил
= = 2,9 ≈ 3. Выигрыш в силе равен 3.
Найдем отношение площадей поршней
Диаметры поршней машины:
d1=16мм, R1= 8 мм = 8·10-3 м
d2=28мм, R2= 14 мм = 14·10-3 м
Используем формулу площади круга для нахождения площадей поршней:
S1 = π R12и S2 = π R22
= = = = 3,062 ≈ 3.
Сравним полученные результаты и сделаем вывод.
Т.к. = , получим 3 = 3.
Можно сделать вывод, что гидравлический подъемник дает выигрыш в силе в 3 раза. Формула работает!
Дополнительные исследования.
В ходе опыта был измерен ход поршней (высота подъема или опускания во время движения) по шкале цилиндров (9).
Ход большего поршня (1) h1 = 36 мм = 36 · 10-3 м,
ход меньшего поршня (2) h2 = 12 мм = 12 · 10-3 м.
Из теории известно, что выигрывая в силе, мы проигрываем в расстоянии - отношение площадей поршней равно обратному отношению ходов этих поршней:
Ранее получили = 3,062 ≈ 3.
Найдем = 3. Таким образом, формула тоже справедлива!
Заключение
Мне получилось самостоятельно сконструировать модель гидравлического подъемника и доказать гипотезу: гидравлические машины облегчают труд человека, позволяют получить выигрыш в силе. В ходе работы понял принципы работы гидравлических систем. Мою модель во время урока по теме «Гидравлические механизмы» использовали для демонстрации принципа работы гидравлических машин. Как верно гласит народная поговорка «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать»!
Список использованных источников и литературы
Гидравлика будущего: hi-tech технологии, связывающие настоящее с завтрашним днем. – Текст электронный // Диагностическая компания Гидро-Тест : [сайт]. – 2019. - URL: https://www.hydro-test.ru/statyi/gidravlika-budushhego-hi-tech-texnologii-svyazyvayushhie-nastoyashhee-s-zavtrashnim-dnem/ (дата обращения 11.01.2023).
Гидравлический пресс. – Текст электронный // Великие открытия человечества : [сайт]. – 2023. – URL: https://mirnovogo.ru/gidravlicheskij-press/ (дата обращения 25.12.2022).
Паскаль о равновесии жидкостей. – Текст электронный // Каптерев А.И.: официальный сайт. – 2022. - URL:http://www.mediagnosis.ru/HISTORY/HTML/LITER/HRESTOM/P/Pascal_01.htm (дата обращения 25.01.2023).
Перышкин И.М. Физика 7 класс : учебник/ И.М.Перышкин, А.И.Иванов. – 2-е изд. стереотипное – Москва : Просвещение, 2022. – 240с. - Текст : непосредственный.
Приложение 1
Схема модели гидравлического подъемника
Приложение 2
Процесс изготовления модели гидравлического подъемника