Abyste pochopili, jak funguje hydraulický lis, připomeňme si pravidlo komunikujících nádob. Její autor Blaise Pascal zjistil, že pokud jsou naplněny homogenní kapalinou, pak je její hladina ve všech nádobách stejná. V tomto případě nezáleží na konfiguraci nádob a jejich rozměrech. Článek popíše několik experimentů s komunikujícími kontejnery, které nám pomohou pochopit strukturu a princip fungování hydraulického lisu.
Experiment
Řekněme, že máme komunikující nádoby s různými oblastmi průřezu. Plochu menšího označujeme s, většího - S. Naplňte nádoby kapalinou. Podle zákona o komunikujících nádobách jsou povrchy kapalin ve stejné výšce.
Uzavřeme nádoby shora pomocí pístů. Můžeme předpokládat, že s a S jsou plochy pístů. Zatlačte na menší silou f. Půjde to dolů, kapalina anoproudí do většího válce a píst nalevo se začne zvedat. Abychom zabránili jeho vzestupu, použijeme na něj také sílu. Označte to F.
Abychom se přiblížili k pochopení toho, jak funguje hydraulický lis, pokusme se najít spojení mezi těmito dvěma silami. Budeme vycházet z podmínky rovnováhy. Než jsme nádoby zakryli písty, byly kapaliny v rovnováze. Tlak v nádržích byl stejný (p=P). Zatlačte na oba písty tak, aby kapalina stále zůstala v rovnováze. Tlaky p a P se samozřejmě zvýší. Zůstanou však stále stejné, protože se zvýší o stejnou částku navíc. Toto je velikost tlaku vytvářeného písty. Přenáší se všude podle Pascalova zákona.
Zde je podmínka rovnováhy: p=P. Můžete zvážit tlak vytvářený písty nebo tlak sloupce kapaliny. Výsledek bude stejný. Všimněte si, že tlak vytvářený písty je tisíckrát větší než hydrostatický tlak sloupce kapaliny. Sloupec vody vysoký několik centimetrů vytváří tlak stovek pascalů. A tlak pístu je stovky kilopascalů a někdy megapascalů. Proto v následujícím budeme zanedbávat tlak sloupce kapaliny a předpokládat, že tlaky p a P jsou vytvářeny výhradně silami f a F.
Závislost tlakové síly pístů na jejich ploše
Odvoďme vzorec, princip fungování hydraulického lisu bez něj bude nepochopitelný. p=f/s a podobně P=F/S. Udělejme substituci do podmínky rovnováhy. f/s=F/S. A nyní porovnejme síly f a F. K tomu levou i pravou část výrazuvynásobte S a vydělte f. Dostaneme fS/sf=FS/Sf. Zrušme f a S v obou částech. Výsledkem bude rovnost F/f=S/s.
Koncept výhry platí
Pokud S>s, pak tlaková síla na píst ve velké nádobě bude tolikrát větší než síla, která tlačí na malý píst, kolikrát plocha většího pístu přesahuje plochu ten malý. Jinými slovy, působením malé síly na malý píst získáme ve velké nádobě sílu mnohem větší, než kterou tlačíme na malý píst. To je efekt zvaný zisk na síle. Ukazuje, kolikrát se síly liší, tj. jaký je poměr F k f. Pokud vezmeme plavidla, jejichž průřezové plochy jsou velmi odlišné, pak můžeme získat nárůst síly desetkrát i tisíckrát. Analýza síly to objasňuje: zesílení síly se rovná poměru ploch velkého a malého pístu.
Pohyb pístů hydraulického stroje
Princip hydraulického lisu využívá mnoho průmyslových odvětví: fyzika, stavebnictví, zpracování materiálů, zemědělství, automobilový průmysl atd. Příklady použití hydraulických strojů jsou na obrázku.
Uvažujme všechny dvě stejné komunikující nádoby s písty, ale nyní nebudeme věnovat pozornost síle, ale vzdálenosti, kterou písty urazí při pohybu. Představte si, že jejich výchozí pozice je jiná. Píst s oblastí S je umístěn pod pístem s oblastí s. Přemístěme menší píst o vzdálenost h. Voda z menší nádoby přecházela do větší apřitlačený na píst. Přestěhoval se do výšky H.
Když známe poměr mezi plochami, zjistíme poměr mezi výškami. Objem, který přešel pod tlakem z levého válce do pravého, je označen v. Do pravého válce se dostala kapalina o objemu V. Kapalina je nestlačitelná. Jak se to dá napsat matematicky? v=v. Vyjádřete objem z hlediska plochy a výšky. v=sh a V=SH. Takže sh=SH. S/s=h/H. Proto je nárůst síly F/f=h/H. Tento poměr nám umožňuje pochopit, jak funguje hydraulický lis. Došli jsme k závěru, že protože F je větší než f, pak H je menší než h, a to stejným faktorem.
Řekněme, že hydraulický stroj poskytuje stonásobný nárůst síly. To znamená, že pokud snížíme menší píst o 100 mm, druhý píst se zvedne pouze o 1 mm. A jsou stroje, které tisíckrát naberou na síle. Ale co když je na pístu auto a je potřeba ho zvednout do výšky několika metrů?
Konstrukce a princip činnosti hydraulického lisu
V pístu na malé ploše je ventil, který uzavírá trubici vedoucí do nádržky motorového oleje. Voda se v hydraulických lisech obecně nepoužívá, protože je korozivní a má relativně nízký bod varu. Píst pohání rukojeť. Kapalina je přenášena z menšího válce do většího pomocí trubice.
Velká nádoba má také ventil a píst. Když zvedneme páku, olej, pomocí atmosférickéhotlak je nasáván do menšího válce. Když spustíme píst, ventil se uzavře, olej nemá kam jít, tak jde do větší nádoby. Zvedne v něm ventil, objem oleje se zvětší, kvůli tomu se píst zvedne. Když malý píst opět zvedneme, ventil ve velké nádobě se uzavře, takže olej nikam neodejde a píst zůstane na svém místě.
Princip činnosti hydraulického lisu je takový, že jakákoliv oscilace malého pístu vždy vede k pohybu velkého pístu nahoru. Zařízení má mechanismus, který umožňuje velkému pístu sestupovat. Jedná se o hadici s kohoutkem ve větší nádobě. Když zavřeme kohout, utěsníme velký válec a když ho otevřeme, vrátíme hydraulický lis do původní polohy, olej vyteče. Vrací se do zásobníku, což umožňuje spuštění pístu.
