XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Основы и принципы гидравлики

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Поважная Н.В. 1

---

1МБОУ Пролетарская СОШ №6 г. Пролетарска

Лысак Т.И. 1

---

1МБОУ Пролетарская СОШ №6 г. Пролетарска

Работа в формате PDF

509.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Исследовательская работа

Основы и принципы гидравлики

Выполнила

Поважная Надежда Владимировна

учащаяся 9 класса

Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения Пролетарская СОШ №6

Руководитель

Лысак Татьяна Ивановна

учитель физики МБОУ Пролетарская СОШ №6

Введение

Физика – одна из важнейших наук в мире. Физика обладает необыкновенным свойством: изучая самые простые явления, можно вывести общие законы, объяснить работу бытовой техники, транспортных средств и многое другое. Мир физических явлений чрезвычайно разнообразен и лично для меня очень интересен. Познакомившись с этой наукой в 7 классе, я нашла для себя ответы на многие вопросы, интересовавшие меня, но еще больше вопросов у меня возникало по мере того, как я погружалась в мир физики. Увлекшись темой «Простые механизмы», я собрала действующий макет гидравлического манипулятора (механической «руки»), функционирующий на основе принципов гидравлики. В своем проекте я исследовала ключевые законы и принципы гидравлики, лежащие в основе работы любой гидросистемы.

Цель работы – исследование законов и принципов гидравлики, обеспечивающих связь теории с практикой, позволяющих проектировать системы, в которых жидкости играют ключевую роль.

Актуальность работы заключается в том, чтобы уметь эффективно применять новые технологии и полученные знания при исследовании на практике.

Задачи:

• провести эксперименты;

• объяснить наблюдаемые явления, основываясь на физические законы;

• пополнить знания по физике, изучив дополнительную литературу и ресурсы Интернет.

Методы исследования: наблюдение, гипотеза, эксперимент, измерения, моделирование.

Основная часть

Гидра́влика — прикладная наука о законах движения (гидродинамика), равновесия (гидростатика) жидкостей и способах применения этих законов к решению инженерных задач:

• водоснабжения и водоотведения (канализации);

• транспортировка веществ по трубопроводу: газ, нефть и т. п.;

• конструирования различных устройств, машин, механизмов:

  • насосов;

  • компрессоров;

  • амортизаторов;

  • гидравлических прессов;

  • Гидравлических приводов и пр.;

• медицины.

1. История гидравлики

В темноте космического пространства сияет голубым светом наша планета, почти на три четверти покрытая водой. Все проникнуто и охвачено ею. Даже в огненной магме её содержится до 12 %. Растительный и животный мир на 60–95 % состоит из воды. Вода является колыбелью и основой жизни. Поэтому еще в глубокой древности люди стали заниматься решением вопросов гидравлики.

Системы с гидроусилением успешно использовались еще в древних цивилизациях, например, Китае, Древнем Египте. Они применялись в водяных мельницах, оросительных системах на полях с зерновыми, плотинах. В Древнем Риме еще в 6 ст. до н.э. уже действовал первый водопровод.

Основоположником гидравлики, как науки, можно считать Архимеда - древнегреческого учёного, математика и механика. В своем научном трактате «О плавающих телах» он сформулировал основной закон гидростатики: «Тело, погружённое в жидкость, теряет в своём весе столько, каков вес вытесненной жидкости». Одним из изобретений Архимеда является Архимедов винт - механизм, исторически использовавшийся для передачи воды из низколежащих водоёмов в оросительные каналы.

Активное развитие гидравлики начинается с середины XV века. Итальянский ученый Леонардо да Винчи внедрил экспериментальный метод изучения этой науки. Он участвовал в гидротехнических работах, таких как осушение болот и проектирование каналов, включая попытку отвода русла реки Арно. Улучшил конструкцию шлюзов, введя систему щитов для более эффективного управления потоком воды и обеспечения судоходства. Леонардо разработал механические устройства для прокладки каналов, напоминающие современные землечерпалки – драги. Драга - установка для сбора донного ила, помещённая между двумя лодками, состоящая из четырёхлопастного рабочего органа с барабаном, который, крутясь, наматывал прикреплённую вверх по течению верёвку за счёт движения рукояти, и таким образом драга передвигалась. Один из способов, предложенных Леонардо да Винчи для подъёма воды в городских водопроводах, состоял в применении колеса с закреплёнными на цепях вёдрами. Такой способ позволял поднимать воду из нижнего водоёма наверх. Причём, подъём осуществлялся без применения мускульной силы человека. Движение механизмов осуществлялось силой реки, которая посредством приводов через шестерни и валы передавалась на водяное колесо.

В 1661 году французский математик, физик и философ Блез Паскаль в своем «Трактате о равновесии жидкостей» сформулировал основной закон гидравлики – закон о передаче давления в жидкости. Именно он описал способность жидкостей передавать, а главное, увеличивать усилия при разных площадях сообщающихся сосудов. В 1648 году Блез Паскаль продемонстрировал парадоксальное явление. Он вставил в закрытую бочку, наполненную водой, узкую трубку и, поднявшись на балкон второго этажа, влил в эту трубку кружку воды. Из-за малого диаметра трубки вода в ней поднялась до большой высоты, и давление в бочке увеличилось настолько, что крепления бочки не выдержали, и она треснула. Вследствие открытия основного закона гидравлики появилось большое число простых гидравлических машин.

Первый гидравлический пресс был изобретен британским инженером Джозефом Брамой в 1795 году. Устройство состояло из прочного цилиндра большого размера, поршня и насоса, нагнетавшего воду в цилиндр. Вода поступала в цилиндр и поднимала поршень. Созданные по конструкции изобретателя устройства были использованы при строительстве Британского моста через реку Темзу. Пресс применялся для спуска на воду судов, резки металла, вытаскивания плотинных свай, выкорчевывания деревьев и для прочих работ, требующих значительных усилий.

На рубеже XVIII – XIX вв. гидравлический пресс нашел применение в сельском хозяйстве. С его помощью отжимали масло, виноградный сок, пакетировали сено.

В 1641 году Торричелли сформулировал закон вытекания жидкости из отверстий в стенке открытого сосуда. Учёный установил, что скорость истечения жидкости пропорциональна квадратному корню из высоты столба жидкости над отверстием.

В XVIII веке Д. Бернулли и Л. Эйлер разработали общие уравнения движения идеальной жидкости, послужившие основой для дальнейшего развития гидромеханики и гидравлики. Зако́н Берну́лли устанавливает зависимость между скоростью стационарного потока жидкости и её давлением.

В России гидравлика начала развиваться в XVIII веке, когда Пётр I инициировал строительство гидротехнических сооружений, таких как каналы шлюзы и плотины для соединения бассейнов Каспийского и Азовского морей. В 1719— 1722 гг. была построена система каналов, открывшая водному транспорту путь из Балтийского моря на Волгу и далее в Каспийское море. Это грандиозное строительство с рядом шлюзов и плотин было успешно осуществлено талантливым русским мастером-гидротехником - Михаилом Ивановичем Сердюковым. В XIX веке в Санкт-Петербургском институте путей сообщения были разработаны первые учебные курсы по гидравлике, что положило начало систематическому обучению этой науке в стране.

Значительный вклад в развитие теоретической гидравлики внесли такие российские учёные, как Николай Жуковский и Дмитрий Менделеев. Их работы стали основой для дальнейших исследований и разработки гидравлических систем, которые используются в России до сих пор.

В XX веке быстрый рост гидротехники, теплоэнергетики, гидромашиностроения, а также авиационной техники привёл к интенсивному развитию гидравлики. Большой вклад в развитие науки сделали советские учёные — Н. Н. Павловский, Л. С. Лейбензон, М. А. Великанова и др.

2. Принципы гидравлики

Изучение основ гидравлики начинается с понимания следующих физических величин: сила, давление, энергия, работа и мощность.

Сила — физическая величина, которая характеризует взаимодействие тел и может изменять их скорость, направление движения или форму. В гидравлике сила — это сила, действующая на поверхность жидкости, на стенку сосуда, в который налита жидкость. Направление силы всегда перпендикулярно площади стенки, величина силы равна произведению площади стенки на давление в центре тяжести этой площади.

Гидростатическое давление — это давление, оказываемое столбом покоящейся жидкости под действием силы тяжести. Оно определяется как произведение плотности жидкости на ускорение свободного падения и на глубину или высоту столба жидкости.

Экспериментальные исследования гидростатического давления

1. Цель эксперимента: исследовать зависимость гидростатического давления от высоты столба жидкости. (Приложение1)

Используемое оборудование: пластиковая бутылка с отверстиями на разной высоте, вода, емкость для сбора воды, линейка.

Ход эксперимента. Наполнила бутылку с отверстиями водой, заметила, что дальность полета водной струи из отверстий различна. Сделала измерения и занесла их в таблицу.

Расстояние от дна бутылки до отверстия	Высота столба воды над отверстием	Дальность полета струи
22 см	5 см	7 см
17 см	10 см	10 см
7 см	20 см	16 см

Проанализировав результаты наблюдений и измерений, сделала вывод: чем глубже, тем выше давление. Результаты моего эксперимента подтверждают, что давление пропорционально глубине погружения или высоте столба жидкости.

2. Цель эксперимента: исследовать зависимость гидростатического давления от плотности жидкости. (Приложение2)

Используемое оборудование: две одинаковые пластиковые бутылки с отверстиями на одном уровне, вода, растительное масло, емкость для сбора жидкости, линейка.

Ход эксперимента. Наполнила одну бутылку водой, другую растительным маслом. Заметила, что струя воды вытекает из отверстия под большим давлением, чем масло.

Вывод. Жидкости с большей плотностью создают большее давление на той же глубине.

3. Цель эксперимента: исследовать зависимость гидростатического давления от формы сосуда. (Приложение3)

Используемое оборудование: 4 сосуда разной формы, вода, датчик абсолютного давления цифровой лаборатории.

Ход эксперимента. Наполнила сосуды разной формы водой, налив ее до одинакового уровня. Погружая пластиковую трубку, присоединенную к мультидатчику поочередно в каждый сосуд, фиксировала давление воды на дно сосуда в виде графика зависимости давления от времени на экране ноутбука.

По результатам измерений пришла к выводу: давление на дне сосуда зависит только от высоты столба жидкости, и не зависит от площади дна сосуда и его формы (гидростатический парадокс).

Принцип действия гидравлической машины

Давление в гидравлической системе приводит в движение отдельные взаимосвязанные механизмы. Оно необходимо для передачи энергии от одной части системы к другой.

Основной закон гидравлики - закон Паскаля: давление, производимое на жидкость, передаётся во все стороны одинаково, без изменений.

Объяснить этот закон можно на основе молекулярно-кинетической теории. В отличие от твёрдых тел молекулы жидкостей и газов свободно передвигаются друг относительно друга. Из-за подвижности производимое на молекулы давление передаётся не по направлению действия силы, а по всем направлениям. Если ударить в бильярдные шары, сложенные треугольником, они покатятся во все стороны в результате действия друг на друга. Молекулы жидкостей и газов под действием силы давления будут вести себя так же. Доказать справедливость закона можно экспериментально.

Экспериментальное доказательство закона Паскаля.

Опыт1.

В полый шар с множеством отверстий, соединённый с медицинским шприцом, залила воду. При надавливании на поршень шприца вода вытекает из всех отверстий под одинаковым напором. Это доказывает, что давление производимое на жидкость передается во всех направлениях без изменения.

Опыт2. (Приложение4)

В боковой стенке пластиковой бутылки сделала отверстие и вставила в него трубочку для сока. Налила в бутылку воду так, чтобы конец трубки оказался в воде. На горлышко бутылки надела надутый, но не завязанный воздушный шарик. Зажав шарик, наблюдаю, что вода из трубки не вытекает. Отпустив шарик, замечаю, что из трубки начинает вытекать вода под напором. Воздух в шарике создает избыточное давление на поверхность воды в бутылке, которое передается по всем направлениям без изменения, заставляя воду двигаться по трубке, поднимаясь вверх.

Опыт3.

В дне пластикового стакана сделала отверстие и опустила его в аквариум, наполненный водой. Увидела, что через отверстие в дне вода бьет фонтаном вверх. Наблюдаемое явление доказывает, что давление воды на глубине действует не только вниз, но и вверх, что подтверждает закон Паскаля.

3. Модель гидравлического подъемника

Действие закона Паскаля рассмотрим на примере гидравлического подъемника. Гидравлический подъёмник состоит из двух цилиндров разных диаметров с поршнями и соединительной трубкой. Пространство под поршнями и трубка заполнены жидкостью. Для изготовления модели я использовала два медицинских шприца разного объема (V₁=150 мл, V₂= 5 мл). Соединила их пластиковой гибкой трубкой и заполнила систему водой.

Площадь малого поршня S₁, а большого – S₂. Если на малый поршень действует сила F₁, то она оказывает давление: p₁=F₁/S₁. По закону Паскаля оно передаётся во все точки жидкости одинаково. Значит, вода оказывает на большой поршень такое же давление. То есть p₁ = p₂. Тогда можно записать следующее равенство: F₁/S₁=F₂/S₂ или F₂/F₁ =S₂/S₁. Использование гидравлического механизма обеспечивает выигрыш в силе во столько раз, во сколько площадь одного поршня больше площади другого.

Сделала необходимые измерения и расчеты своей модели.

Если площадь малого поршня равна 1 см², а большого – 10,7 см², то F₂/F₁ =S₂/S₁ =10,7 и F₂=10,7F₁. То есть для того, чтобы поднять груз заданной массы потребуется приложить силу примерно в десять раз меньшую. Гипотеза: чтобы поднять один килограмм поваренной соли, достаточно веса груза массой 100 граммов.

Проверив свою гипотезу на опыте, я обнаружила, что мое предположение было ошибочным.

В результате многочисленных опытов, я установила, что мой гидравлический подъемник дает выигрыш в силе только в три раза. Положив на малый поршень груз массой 100 граммов, мне удалось поднять на большом поршне груз массой 300 граммов. Очевидно, КПД моего подъемника невелик.

Согласно золотому правилу механики, получая выигрыш в силе, мы проигрываем в пути. В этом я убедилась, сделав необходимые измерения. (Приложение5)

Вывод: прикладывая к малому поршню небольшое усилие, мы можем поднимать достаточно тяжёлые грузы, расположенные на большом поршне. Правда, из-за проигрыша в расстоянии груз будет перемещаться гораздо медленнее, чем рычаг поршня, на который мы будем давить. КПД моего гидравлического подъемника составил всего 30%.

4. Преобразование энергии в гидравлической системе. Макет гидравлического механического манипулятора (рука)

В гидравлических машинах происходит преобразование механической энергии в энергию потока жидкости и/или наоборот — преобразование энергии потока жидкости в механическую энергию.

Давление и поток - два основных параметра каждой гидравлической системы. Они взаимосвязаны, но выполняют разную работу. Давление сжимает или прикладывает усилие. Поток двигает предметы. Водяной пистолет является хорошим примером взаимосвязи давления и потока в применении. Нажатие на спусковой крючок создаёт давление внутри водяного пистолета. Вода под давлением вылетает из водяного пистолета и сбивает, например, деревянного солдатика.

Наглядным примером передачи и преобразования энергии в гидравлической системе является гидравлический механический манипулятор (рука).

Манипулятор состоит из пяти рычагов, способных вращаться вокруг оси, пяти цилиндров с поршнями (медицинские шприцы), соединенных гибкими трубками с рычагами. Надавливая на поршень шприца, мы создаем давление внутри цилиндра, которое передается через жидкость в трубке на рычаг. Макет гидравлического манипулятора – это наглядная модель, демонстрирующая физические законы гидравлики, применение гидросистем в механике и принцип усиления усилия через жидкость.

Заключение

Работая над проектом, я не просто изучила основы и принципы гидравлики, а перевела теорию в практику. Я убедилась, что принципы гидравлики связывают физику, механику и инженерию, показывая, как теория становится практикой. Мой проект напрямую демонстрирует ключевые законы гидравлики, лежащие в основе работы любой гидравлической системы: закон Паскаля, преобразование энергии, управление движением.

Мною были проведены 6 опытов. В результате наблюдения, сравнения, вычислений, измерений, экспериментов я убедилась, что знания по физике имеют большую жизненную значимость.

Я создала модель гидравлического подъемника и для заданных параметров поршней определила выигрыш в силе, подтвердив теоретическую модель практикой.

Созданная модель гидравлического подъемника и макет гидравлического механического манипулятора служат наглядным инструментом для обучения и популяризации темы.

Таким образам, мой проект решает задачу популяризации и осмысления гидравлических технологий, делая их доступными для понимания и применения.

Литература

Перышкин А.В. , Иванов А.И. Учебник Физика 7, М., «Просвещение», 2024

Перышкин А.В. , Иванов А.И. Учебник Физика 8, М., «Просвещение», 2023

Перышкин А.В. , Иванов А.И. Учебник Физика 9, М., «Просвещение», 2024

Асламазов Л.Г., Варламов А.А. Удивительная физика. М. Добросвет. Издательство МЦНМО, 2005.

Ковтунович М.Г. «Домашний эксперимент по физике 7-11 классы». Москва. Владос. 2007г.

Интернет-ресурсы:

https://studfile.net/preview/16566669/page:4/

www.wikipedia.org

https://labkap.ru/articles/obschie-stati-po-gidravlike/istoricheskii-ocherk-razvitiya-gidravliki

Приложение1

Приложение2

Приложение3

Приложение4

Приложение5