XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Рис. 1

Давление, оказываемое на поршень меньшей площади гидравлического пресса, в соответствии с законом Паскаля, передается во все точки жидкости без изменения, в том числе и в ту жидкость, которая находится под большим поршнем.

В качестве сообщающихся сосудов я взял два шприца разного объема, соединенных между собой трубкой. Провел опыт: оказывал давление на маленький поршень, а с другой стороны давил взрослый сильный человек на большой поршень. И я смог уравновесить силу взрослого человека.

4. Жидкости в гидравлике. Их свойства

Жидкостью в гидравлике называют физическое тело, способное изменять свою форму при воздействии на нее сколь угодно малых сил.

В гидравлике выделяют два вида жидкостей: капельные и газообразные.

Капельные жидкости – этожидкости в общепринятом понимании этого слова (нефть, вода, бензин, гидравлическое масло и т.д.). Это малосжимаемые жидкости, обладающие фиксированным объемом.

Газообразные жидкости - газы, в обычных условиях представляют собой газообразные вещества (воздух, кислород, азот, пропан и т.д.). Это хорошо сжимаемые жидкости, занимающие весь предоставленный им объем.
Таким образом, газообразные жидкости под действием приложенных к ним сил могут менять как форму, так и объем, а капельные жидкости – только форму.

Рассмотрим свойства жидкости:

• Текучесть. Жидкости не имеют своей формы, принимают форму сосуда, в который ее помещают.

• Вязкость. Это свойство жидкости оказывать сопротивление относительно сдвигу ее слоев.

• Сжимаемость. Капельные жидкости трудно поддаются сжатию, газообразные сжимаются довольно легко.

В гидравлических механизмах используются масляные жидкости. Это обусловлено тем, что:

1. Все металлические детали конструкции гидравлики выполняются из стали, которая достаточно плохо сопротивляется коррозии под воздействием воды. Масляные жидкости не способны окислять металл, а потому срок работоспособности гидравлики существенно повышается.

2. Масляная жидкость является более устойчивой к температуре. Она не замерзает при нуле градусов по шкале Цельсия. Потому масляные наполнители гидравлических систем позволяют использовать их и в зимнюю пору, и в северных широтах.

3. Они менее текучие, нежели, чем вода. Гидравлические системы имеют множество участков и стыков, из которых вода может вытекать и теряться.

4. Они более вязкие, что не позволяет ему вытекать в значительных количествах из незначительных щелей между уплотнителями и заглушками.

5. Области применения гидравлики

Сегодня трудно найти отрасль, в которой бы не применялась гидравлика. Без неё невозможно представить современное автомобилестроение, станкостроение, авиационную технику, космические аппараты, медицинскую технику, водный транспорт, строительную технику. Причем зачастую ей отдается предпочтение перед другими, широко применяемыми видами привода, электрикой, электроникой, механикой и пневматикой.

Наиболее близка к гидравлике, пневматика, где для передачи энергии используется воздух. Однако, она уступает гидравлике в быстродействии, ведь воздух обладает хорошей сжимаемостью. Жидкость же несжимаема, поэтому гидрооборудование отличает практически моментальное действие. Вторым несомненным минусом пневматики является взрывоопасность. Как известно, сжатый воздух обладает большей разрушительной силой, а сосуды с воздухом находятся под значительным давлением (да и сама воздушная смесь, используемая в пневматике, взрывоопасна).

В сравнении с электрикой в гидравлике не нужна электропроводка и нет постоянных расходов на электроэнергию, не нужно постоянно заботиться об обеспечении электробезопасности. К тому же, по сравнению с электрическим оборудованием, гидравлика менее чувствительна к окружающей среде (пыль, влага).

Что же касается привычной механики, то в отличие от неё гидравлика уменьшает опасность воспламенения и полностью снимает проблему удаления ядовитых выхлопов вследствие отсутствия двигателя и топливного бака.

Еще одним преимуществом гидравлического оборудования можно считать возможность его эксплуатации в различных климатических условиях. Меняя рабочие жидкости, можно работать как при крайне низких (до -70 ºС), так и при крайне высоких температурах. А малые массы и габаритные размеры обеспечивают высокую маневренность работы гидрооборудования и использование его в малодоступных местах. Кроме того, гидравлика имеет меньший вес и уровень шума, а также менее требовательна к техническому обслуживанию.

Несмотря на общий «фундамент», гидросистемы поражают разнообразием. Начиная от базовых гидравлических конструкций, состоящих из нескольких цилиндров и трубок, и заканчивая сложными продуктами, в которых объединены гидроэлементы и электротехнические решения, они демонстрируют широту инженерной мысли и приносят прикладную пользу в самых разных отраслях:

• промышленности — как элемент литейного, прессового, транспортировочного и погрузочно-разгрузочного оборудования, металлорежущих станков, конвейеров;

• сельском хозяйстве — навесное оборудование тракторов, экскаваторов, комбайнов и бульдозеров управляется именно гидроузлами;

• автомобильном производстве: гидравлическая тормозная система для современного легкового и грузового автотранспорта;

• авиакосмической отрасли: системы, независимые или объединенные с пневматикой, используются в шасси, управляющих устройствах;

• строительстве: практически вся спецтехника оснащена гидрофицированными узлами;

• судовой технике: гидравлические системы используются в турбинах, рулевом управлении;

• нефте- и газодобыче, морском бурении, энергетике, лесозаготовительном и складском хозяйстве, ЖКХ и многих других сферах.

3. Практическая часть

1. Опыты с водой, подтверждающие закон Паскаля

Мне было интересно самому изучить теорию, познакомиться с физикой и провести опыты, которые подтверждают выводы, сделанные Блезом Паскалем.

Вначале я взял пустой сосуд и твердое тело в виде бутылки. Я поставил его в пустой сосуд. По законам физики твердое тело оказывает давление только на дно сосуда.

Но если я налью в тот же сосуд жидкость, то по законам физики она будет оказывать давление не только на дно сосуда, но и на его стенки.

Это можно наглядно увидеть, проделав следующий простой опыт.

Нальем в пустую бутылку жидкость и сделаем прокол в ее стенке. Мы увидим, что вода начинает вытекать из нее, что свидетельствует о давлении жидкости на стенки.

Блез Паскаль открыл, что давление жидкости передается во все стороны одинаково.

Проведем опыт и убедимся, что это действительно так. В пустой бутылке сделаем несколько проколов по всем сторонам. Наливая жидкость, мы видим, что вода струится с одинаковым напором во всех направлениях. Сам проведя опыт, я лично убедился, что закон Паскаля работает.

2. Гидравлический пресс своими руками

Гидравлический пресс - это система, с помощью которой демонстрируется принцип Паскаля. Он состоит из жидкости, погруженной в закрытую емкость с двумя концами, в которой могут двигаться два поршня. Если к одному из них приложено давление, то это давление передается на другой конец и увеличивается во много раз по сравнению с размером поверхности, на которую оно передается.

 

Это первая и самая простая моя модель гидравлического пресса. Она очень проста: два поршня, соединенных трубкой. Оказывая давление на один поршень, мы приводим в движение другой, и стрела нашей модели поднимется вверх.

Сам Блез Паскаль называл гидравлический пресс «машиной для увеличения сил». Оказывая небольшую силу на меньший поршень, мы получаем выигрыш в силе. Если мы положим на платформу тяжелый груз, то без труда сможем его поднять, воздействуя на первый поршень.

Вторая моя гидравлическая модель – гидравлический экскаватор. Это уже усложненная модель гидравлического пресса. Здесь четыре рабочих поршня на самом экскаваторе и четыре на пульте управления. Назовем их насосными. Воздействуя на рабочие поршни, мы заставляем двигаться нашу модель в четырех разнонаправленных сторонах. Насосные поршни под воздействием на них рабочих двигаются и приводят в действие части нашей модели гидравлического экскаватора.

Моя третья модель – прототип современного экскаватора. Здесь воздействие на рабочие поршни осуществляется через рычаги. Далее все, как и у второй модели. Давление в рабочих поршнях приводит к давлению в насосных – экскаватор работает.

Конечно, в настоящих экскаваторах стоят насосы, которые перемещают жидкость по трубкам, но в основе работы лежит все тот закон французского ученого Блеза Паскаля.

4. Заключение

Интерес научного общества и производителей к теме гидравлических устройств не ослабевает до сих пор. В планах у ученых соединение искусственного интеллекта и роботов, оснащенных совершенными гидромеханизмами. Эти устройства практически на 100% будут имитировать плавность движений человеческого тела, но точность их будет многократно выше. В планах создание био-протезов - гидравлических конечностей, пальцев, суставов, неотличимых от настоящих.

Итак, я изучил теоретическую базу гидравлики, историю ее становления как науки, физические свойства жидкостей, используемых в гидравлике, ее главный закон. С полной уверенностью могу сказать, что гидравлическая система является:

• Универсальной – она используется во многих, не связанных между собой, сферах деятельности;

• Эффективной – закон, который лежит в ее основе, дает значительное преимущество в силе;

• Простой в управлении – принцип действия я смог продемонстрировать на моделях, изготовленных своими руками.

Таким образом, моя гипотеза о том, что гидравлическая система является универсальной, эффективной и простой в управлении, верна.

4. Список литературы

1. Вайсман Н.М. Механика жидкости и газа. Гидравлика : учеб. пособие / − СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. 222 с

2. Грицак Е.Н., Ткач М.И. История вещей от древности до наших дней. – М.: РИПОЛ КЛАССИК, 2003. – 608 с.

3. Большая Советская Энциклопедия – М.: «Советская энциклопедия», 1971

4. История развития гидравлики. Методические указания по дисциплине
   «Гидравлика». – Н. Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т, 2011. – 33 с.

5. Энциклопедия для детей. Техника. – М.: Аванта+, 1999 – 668 с.

6. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика – М.: ТКО «АСТ», 1995 – 480 с.