XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Гидравлические машины как ключевой фактор силы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сергеев П.С. 1

---

1МАОУ СОШ «Мастерград» г. Пермь

Сидорович Е.В. 1

---

1МАОУ СОШ «Мастерград» г. Пермь

Работа в формате PDF

339 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В настоящее время гидравлика широко используется в различных машинах и устройствах. Гидросистемы применяются в станках, манипуляторах, подъемных механизмах, строительной технике, автотранспорте, а также в водном и воздушном транспорте. Гидравлические механизмы работают за счет энергии жидкости и включают в себя такие устройства, как гидравлические машины.

Сила человека ограничена физиологическими возможностями его мышц и суставов. Однако, существует множество задач, для выполнения которых требуется применение гораздо большей силы, чем может проявить человек. Одним из таких механизмов, который может кратно увеличить силу воздействия, является гидравлический пресс.

Предмет исследования: гидравлические машины

Объект исследования: гидравлический пресс

Актуальность: потребность в использовании гидравлических систем постоянно растёт. Объясняется это тем, что гидравлические системы достаточно простые в конструировании и при этом эффективные при передаче энергии.

Цель: узнать о принципе действия гидравлических машин.

Методы исследования: теоретический, эмпирический.

Задачи:

• познакомиться с историей гидравлических машин;

• теоретически рассмотреть устройство и принцип работы гидравлических машин;

• создать гидравлический механизм и проверить законы гидравлики на практике.

Гипотеза: возможно самостоятельно разработать гидравлический пресс, способный увеличить передаваемое усилие в несколько раз и, например, раздавить грецкий орех или жестяную банку, т.е. достичь выигрыша в силе благодаря использованию гидравлической системы.

Гидравлические машины

1. 1. Открытие Паскаля

Блез Паскаль – выдающийся математик, физик, механик, философ, литератор. Он стоял у истоков основания математического анализа, теории вероятности и проективной геометрии, создал первую счетную машину, прототип современного калькулятора, сформулировал основной закон гидростатики, автор нескольких философских сочинений.

Блез Паскаль родился 19 июня 1623 года в городке Клермон-Ферран в центре Франции. Рос он без матери, она умерла, когда ему было всего три года. Образованием одарённого отпрыска занимался его отец. Согласно разработанной отцом Блеза Паскаля учебной программе, сыну его полагалось заняться математикой не раньше, чем в возрасте 15 лет. Отец создал целую программу обучения сына, в которой изучение древних языков предполагалось начать в 12 лет, спустя три года мальчик должен был заняться изучением математики, но Блез проявил интерес к царице наук намного раньше.

В возрасте 10 лет Паскаль, не зная даже названий геометрических фигур (он называл окружность «колечком», а прямую линию «палочкой»), доказал одну из теорем Евклида, в часы отдыха вместо развлечений он предпочитал читать труды Архимеда, Жерара Дезарга, Аполлония и других великих геометров.

Юному дарованию было интересно все, что его окружает, даже самые обыденные процессы. Интерес к физике проснулся у него в одиннадцатилетнем возрасте, когда однажды за обедом кто-то случайно стукнул ложкой по фаянсовой посуде, и послышался звук, а когда Блез притронулся к этому блюду, то звук пропал. Паскаль занялся объяснением этого неведомого ему процесса, и изложил свои выводы в «Трактате о звуках».

Паскаль провёл эксперимент, который доказал существование атмосферного давления, а также он высказал мысль, что с увеличением высоты атмосферное давление уменьшается. Паскаль предложил основную идею гидравлического пресса или домкрата, которая и сейчас применяется во всех гидравлических подъёмниках или прессовальных машинах. Именно Паскаль в 1653 г. сформулировал основной закон гидростатики, называемый также законом Паскаля: давление на жидкость передаётся ею равномерно без изменения во все направления.

Кроме этого, Паскаль изобрёл первую в мире счётную машину, механический калькулятор, разработав около 509 его вариантов. Именно он изобрёл садовую тачку с двумя ручками и одним колесом, барометр для измерения атмосферного давления и многое другое. Несколько лет Блез Паскаль посвятил бесплодным попыткам создать вечный двигатель¹.

1. 2. Гидравлические машины

По определению механизмы, работающие при помощи какой-либо жидкости, называются гидравлическими. В основе устройства гидравлических машин лежит закон Паскаля.

В своём трактате о равновесии жидкостей, изданном посмертно в 1663 г., Паскаль написал: «Если сосуд, полный водою, закрытый со всех сторон, имеет два отверстия, и одно имеет площадь в сто раз больше, чем другое, с плотно вставленными поршнями, то один человек, толкающий маленький поршень, уравновесит силу ста человек, которые будут толкать в сто раз больший, и пересилит 99 из них». Т.е. фактически Паскаль дал инструкцию по изготовлению гидравлического пресса, но практически, первый гидравлический пресс был разработан только через 130 лет. Дело в том, что никому не удавалось создать герметичную сообщающуюся систему сосудов – при высоком давлении вода просачивалась между стенками сосуда и поршня. В 1797 году английский механик Джозеф Брам построил первый в мире гидравлический пресс. Брам также столкнулся с проблемой уплотнения, но, к счастью, эту проблему помог решить изобретатель Генри Модели. Он придумал особый самоуплотняющийся воротничок (манжету).

Построенный Брамом пресс сначала использовался для перемещения и подъёма тяжёлых механических конструкций. Например, с помощью гидравлического пресса Брам спустил на воду теплоход «Great Easter».

В конце 18 века гидравлический пресс также применяли в сельском хозяйстве для пакетирования сена, получения виноградного сока, отжима масла.

После этого появилось много других гидравлических изобретений, например, домкрат, который по сей день активно используют во всех сферах деятельности человека, гидравлический отбойный молоток, гидравлический насос, гидравлический подъёмник, гидравлический тормоз и многое другое (приложение 1, рисунок 1).

Гидравлический домкрат — гидравлическое устройство, используемое для подъема тяжелых предметов с помощью жидкости под давлением. Он состоит из цилиндра, наполненного маслом, и насоса, который создает давление в цилиндре. При подаче жидкости под давлением в цилиндр, поршень поднимается, поднимая тем самым тяжелый предмет. Гидравлические домкраты широко используются в автомобильной промышленности и других областях, где требуется подъем тяжелых грузов.

Гидравлический отбойный молоток - это инструмент, используемый для разрушения бетона, камня и других твердых материалов путем применения ударов с помощью гидравлической силы. Он состоит из гидравлического цилиндра, поршня, ударной части и других компонентов, которые работают вместе для создания мощных ударов. Гидравлические отбойные молотки широко применяются в строительстве, демонтаже и ремонте, где требуется быстрое и эффективное разрушение материалов.

Гидравлический насос — это устройство, которое преобразует механическую энергию в жидкостном потоке в гидравлической системе. Он используется для создания давления в жидкости, которое затем передается через трубопроводы к гидравлическим механизмам для выполнения работы.

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.

Гидравлический тормоз — это гидравлическая система, используемая для торможения автомобилей, поездов, самолетов и других транспортных средств. Она состоит из тормозных цилиндров, наполненных жидкостью, и тормозных колодок или тормозных барабанов, которые нажимаются на поверхность колес для замедления движения. Гидравлические тормоза обеспечивают более надежное и эффективное торможение по сравнению с механическими тормозами и широко используются в автомобильной и железнодорожной промышленности.

1. 3. Принцип работы гидравлического пресса

Простейший гидравлический пресс состоит из двух цилиндров разного диаметра, в которые налита несжимаемая жидкость (например, вода или масло). Цилиндры соединены друг с другом трубкой, т.е. являются сообщающимися сосудами. В цилиндрах находятся поршни. Если на жидкость не оказывается никакого давления, то жидкости находятся на одинаковом уровне относительно друг друга² (приложение 1, рисунок 2).

По определению гидравлическим прессом является машина, которая даёт возможность прикладывая в одном месте малое усилие в другом месте получить в несколько раз большее усилие.

По закону Паскаля, отношение между давлением и силой выражается следующей формулой:

P=F/S,

где P это давление (Па),

F это сила, действующая на жидкость (Н),

S это площадь, на которую действует эта сила (м²).

Это уравнение означает, что давление пропорционально силе, но обратно пропорционально площади, на которую эта сила действует.

Если мы рассмотрим два сообщающихся цилиндра (приложение 1, рисунок 3), то F₁- сила, действующая на малый поршень с площадью S₁. Тогда давление, которое малый поршень производит на жидкость равно:

P₁=F₁/S₁

По закону Паскаля давление в любом месте неподвижной жидкости одинаково по всем направлениям, и одинаково передаётся по всему объёму и по всем направлениям, если приложить силу к малому поршню. Следовательно, и на больший поршень будет производится точно такое же давление, которое мы создали в малом цилиндре:

P₂ = P₁.

Теперь можно посчитать, какая сила будет создана большим поршнем:

F₂= P₁*S₂

Силы, действующие на поршни, пропорциональны площадям этих поршней. Так что выигрыш в силе, создаваемый идеальным гидравлическим прессом, равен отношению площадей поршней.

F₂/F₁= S₂/S₁

Это отношение называется выигрышем в силе. Т.е. выигрыш в силе — это отношение силы выхода к силе входа, оно обозначает во сколько раз увеличивается сила входа и является безразмерной величиной.

Современные гидравлические прессы дают возможность получить выигрыш в силе в несколько тысяч раз.

Практическая часть

В практической части работы я соорудил простой гидравлический пресс, усиленную модель гидравлического пресса и гидравлический манипулятор.

Модель 1 – простой гидравлический пресс.

Для изготовления простейшей модели гидравлического пресса мне понадобилось два шприца разного сечения (толстый на 20 мл и тонкий на 5 мл), трубка от капельницы, деревянное основание, деревянные палочки от мороженного и клеевой пистолет.

С помощью палочек и основания я соорудил штатив, на котором с помощью клеевого пистолета закрепил больший шприц поршнем вниз. С помощью отрезка трубки капельницы я соединил большой шприц с малым шприцем через носики и заполнил систему водой. Под поршень большего шприца я поместил орех арахиса и, нажимая на малый шприц, мне удалось раздавить его.

Затем я решил раздавить грецкий орех в скорлупе. Мне пришлось прикладывать значительно большее давление на малый шприц, от давления трубка несколько раз слетала с носиков шприцов, но в итоге орех удалось расколоть по шву (приложение 2, рисунок 1).

Используя данную модель, можно определить выигрыш в силе, который дает данный пресс.

Расчет выигрыша в силе, который дает данная модель гидравлического пресса³.

Диаметр малого поршня – 8 мм = 0,008 м

Диаметр большого поршня – 19 мм = 0,019 м

Площадь поршня вычисляем по формуле площади круга: S=πd²/4

Площадь малого поршня – (3,14*0,008²)/4=0,00005 м²

Площадь большого поршня - (3,14*0,019²)/4=0,00028 м²

Выигрыш в силе -   S₂/S₁= 0,00028/0,00005= 5,6

Результат: Данная модель дает выигрыш в силе в 5 раз.

Модель 2 – Усиленный гидравлический пресс.

Для изготовления усиленной модели гидравлического пресса мне понадобилось два шприца разного сечения (толстый на 50 мл и тонкий на 20 мл), трубка от капельницы, два деревянных основания – одно для нижней подставки и второе с отверстием для большого шприца, деревянные палочки и клеевой пистолет.

Принцип изготовления аналогичен модели 1, но материалы более прочные, конструкция закреплена саморезами, больший шприц я закрепил в верхнем основании с помощью клеевого пистолета и усилил поршень большого шприца палочками. Т.е. получилась более надёжная конструкция.

С помощью усиленной модели пресса мне удалось также раздавить грецкий орех по шву, а также смять алюминиевую банку (приложение 2, рисунок 2).

Расчет выигрыша в силе, который дает данная модель гидравлического пресса.

Диаметр малого поршня – 19 мм = 0,019 м

Диаметр большого поршня – 30 мм = 0,030 м

Площадь поршня вычисляем по формуле площади круга: πd²/4

Площадь малого поршня – (3,14*0,019²)/4=0,00028 м²

Площадь большого поршня - (3,14*0,030²)/4=0,00071 м²

Выигрыш в силе -   S₂/S₁= 0,00113/0,00028= 2,5

Результат: Данная модель дает выигрыш в силе в 2,5 раза.

Модель 3 – Гидравлический манипулятор.

В рамках исследовательской деятельности я посещал кружок «Юные исследователи» и для изучения гидравлических машин мы на одном из занятий самостоятельно изготавливали гидравлический манипулятор.

Для модели мы использовали вырезанные лазером деревянные детали, собирали и склеивали их и подсоединяли гидравлическое управление для каждого элемента манипулятора. Управление также как и в предыдущих моделях состояло из шприцев и трубок от капельницы (приложение 2, рисунок 3).

Заключение

В своей работе я подтвердил выдвинутую гипотезу, экспериментально установил, что гидравлический пресс действительно обладает выигрышем в силе за счёт использования жидкости под давлением.

Выполнив эту работу, я узнал в каких областях используются гидравлические машины, которые работают по закону Паскаля. Самостоятельно собрал две модели гидравлического пресса, на практике понял, как они работают. Для более точных и надёжных результатов нужно провести дополнительные эксперименты с различными примерами, например, сжать прессом что-то более прочное, что не под силу даже взрослому человеку. Также собрал манипулятор и понял его принцип действия.

Моя работа может быть полезна для наглядного изучение законов гидравлики с учениками начальной школы.

Список использованных источников и литературы

1. Блез Паскаль [Электронный ресурс] // Биограф.ру 2023 – биографии знаменитостей и личная жизнь звёзд. URL: https://biographe.ru/znamenitosti/blez-paskal/?ysclid=lpsm8cr2yq50225924 (дата обращения: 09.12.2023).

2. Гидравлический пресс – формула с примерами [Электронный ресурс] // Образовака.ру – твой помощник при подготовке к урокам. URL: https://obrazovaka.ru/fizika/gidravlicheskiy-press.html (дата обращения: 10.12.2023).

3. Гидравлический пресс - Расчёт выигрыша в силе (дата обновления 02.04.2024) [Электронный ресурс] // URL: https://triptonkosti.ru/31-foto/na-risunke-pokazan-gidravlicheskij-press-pri-dejstvii-na-malyj-porshen-siloj-f-1.html (дата обращения: 02.04.2024).

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1 - Гидравлические машины, гидравлический пресс

Рисунок 1 – Гидравлические машины

Рисунок 2 – Простейшая модель гидравлического пресса

Рисунок 3 – Схема гидравлического пресса

Приложение 2 - Практическая часть