Lai saprastu, kā darbojas hidrauliskā prese, atcerēsimies noteikumu par kuģu savienošanu. Tās autors Blēzs Paskāls atklāja, ka, ja tie ir piepildīti ar viendabīgu šķidrumu, tad tā līmenis visos traukos ir vienāds. Šajā gadījumā konteineru konfigurācijai un to izmēriem nav nozīmes. Rakstā tiks aprakstīti vairāki eksperimenti ar komunikāciju konteineriem, kas mums palīdzēs izprast hidrauliskās preses uzbūvi un darbības principu.
Eksperiments
Pieņemsim, ka mums ir saziņas kuģi ar dažādiem šķērsgriezuma laukumiem. Mazākā laukumu apzīmējam ar s, lielākā - ar S. Piepildīsim traukus ar šķidrumu. Saskaņā ar kuģu savienošanas likumu šķidrumu virsmas atrodas vienā augstumā.
Slēgsim traukus no augšas ar virzuļiem. Var pieņemt, ka s un S ir virzuļu laukumi. Nospiediet mazāko ar spēku f. Tas samazināsies, šķidrums samazināsiesieplūst lielākajā cilindrā, un virzulis kreisajā pusē sāks celties. Lai viņš nepaceltos, pieliksim viņam arī spēku. Apzīmējiet to ar F.
Lai saprastu, kā darbojas hidrauliskā prese, mēģināsim atrast saikni starp šiem diviem spēkiem. Mēs turpināsim no līdzsvara stāvokļa. Pirms tvertnes pārklājām ar virzuļiem, šķidrumi bija līdzsvarā. Spiediens tvertnēs bija vienāds (p=P). Nospiediet abus virzuļus, lai šķidrums joprojām būtu līdzsvarā. Spiediens p un P, protams, palielināsies. Taču tie joprojām paliks nemainīgi, jo pieaugs par tādu pašu papildu summu. Tas ir virzuļu radītā spiediena daudzums. Tas tiek pārraidīts visur saskaņā ar Paskāla likumu.
Šeit ir līdzsvara nosacījums: p=P. Varat ņemt vērā virzuļu radīto spiedienu vai šķidruma kolonnas spiedienu. Rezultāts būs tāds pats. Ņemiet vērā, ka virzuļu radītais spiediens ir tūkstoš reižu lielāks par šķidruma kolonnas hidrostatisko spiedienu. Dažus centimetrus augsta ūdens stabs rada simtiem paskālu spiedienu. Un virzuļa spiediens ir simtiem kilopaskālu un dažreiz megapaskālu. Tāpēc turpmāk mēs neņemsim vērā šķidruma kolonnas spiedienu un pieņemsim, ka spiedienus p un P rada tikai spēki f un F.
Vizuļu spiediena spēka atkarība no to laukuma
Atvasināsim formulu, bez tās hidrauliskās preses darbības princips būs nesaprotams. p=f/s un līdzīgi P=F/S. Veiksim līdzsvara nosacījuma aizstāšanu. f/s=F/S. Un tagad salīdzināsim spēkus f un F. Lai to izdarītu, izteiksmes kreisā un labā daļareizināt ar S un dalīt ar f. Mēs iegūstam fS/sf=FS/Sf. Atcelsim f un S abās daļās. Rezultāts būs vienādība F/f=S/s.
Uzvaras jēdziens ir spēkā
Ja S>s, tad spiediena spēks uz virzuli lielajā traukā būs tikpat reižu lielāks nekā spēks, kas spiež uz mazo virzuli, cik reižu lielākā virzuļa laukums pārsniedz laukumu mazais. Citiem vārdiem sakot, pieliekot nelielu spēku mazam virzulim, lielā traukā mēs iegūsim spēku, kas ir daudz lielāks nekā tas, ar kuru mēs nospiežam uz maza virzuļa. Tas ir efekts, ko sauc par spēka pieaugumu. Tas parāda, cik reizes atšķiras spēki, t.i., kāda ir F attiecība pret f. Ja ņemam kuģus, kuru šķērsgriezuma laukumi ir ļoti atšķirīgi, tad mēs varam iegūt spēka pieaugumu desmit vai tūkstoš reizes. Spēka analīze skaidri parāda: spēka pastiprinājums ir vienāds ar lielā un mazā virzuļa laukumu attiecību.
Hidrauliskās mašīnas virzuļu kustība
Daudzās nozarēs tiek izmantots hidrauliskās preses princips: fizika, būvniecība, materiālu apstrāde, lauksaimniecība, automobiļu rūpniecība utt. Hidraulisko mašīnu pielietojuma piemēri ir parādīti attēlā.
Aplūkosim visus tos pašus divus savienojošos kuģus ar virzuļiem, bet tagad pievērsīsim uzmanību nevis spēkam, bet gan attālumam, ko virzuļi pārvietojas kustoties. Iedomājieties, ka viņu sākotnējā pozīcija ir atšķirīga. Virzulis ar laukumu S atrodas zem virzuļa ar laukumu s. Pārvietosim mazāko virzuli attālumā h. Ūdens no mazāka trauka pārgāja lielākā unnospiests uz virzuļa. Viņš pārcēlās uz augstumu H.
Zinot attiecību starp laukumiem, mēs atrodam attiecību starp augstumiem. Tilpums, kas zem spiediena nonāca no kreisā cilindra uz labo, tiek apzīmēts ar v. Labajā cilindrā iekļuva šķidrums ar tilpumu V. Šķidrums ir nesaspiežams. Kā to var uzrakstīt matemātiski? v=v. Izsakiet tilpumu platības un augstuma izteiksmē. v=sh un V=SH. Tātad sh=SH. S/s=h/H. Tāpēc stiprības pieaugums ir F/f=h/H. Šī attiecība ļauj mums saprast, kā darbojas hidrauliskā prese. Mēs secinām, ka, tā kā F ir lielāks par f, tad H ir mazāks par h, un ar to pašu koeficientu.
Pieņemsim, ka hidrauliskā iekārta sniedz simtkārtīgu spēka pieaugumu. Tas nozīmē, ka, nolaižot mazāko virzuli par 100 mm, otrs virzulis pacelsies tikai par 1 mm. Un ir mašīnas, kas tūkstoškārt palielina spēku. Bet kā tad, kad uz virzuļa ir automašīna un tā jāpaceļ vairāku metru augstumā?
Hidrauliskās preses dizains un darbības princips
Neliela laukuma virzulī ir vārsts, kas aizver cauruli, kas ved uz dzinēja eļļas rezervuāru. Ūdeni parasti neizmanto hidrauliskajās presēs, jo tas ir kodīgs un tam ir salīdzinoši zems viršanas punkts. Virzulis dzen rokturi. Šķidrums tiek pārnests no mazākā cilindra uz lielāko caur cauruli.
Lielajam kuģim ir arī vārsts un virzulis. Kad mēs paceļam sviru, eļļu, ar atmosfēras palīdzībuspiediens tiek iesūkts mazākajā cilindrā. Kad nolaižam virzuli, vārsts aizveras, eļļai nav kur iet, tāpēc tā nonāk lielākā traukā. Tas paceļ tajā esošo vārstu, palielinās eļļas tilpums, tāpēc virzulis paceļas. Kad atkal paceļam mazo virzuli, lielajā traukā vārsts aizveras, tāpēc eļļa nekur nenonāk un virzulis paliek savā vietā.
Hidrauliskās preses darbības princips ir tāds, ka jebkura mazā virzuļa svārstība vienmēr noved pie lielā virzuļa kustības uz augšu. Ierīcei ir mehānisms, kas ļauj lielajam virzulim nolaisties. Šī ir šļūtene ar jaucējkrānu lielākā traukā. Aizverot krānu noblīvējam lielo cilindru un atverot hidraulisko presi atgriežam sākotnējā stāvoklī, eļļa notek. Tas atgriežas rezervuārā, kas ļauj nolaist virzuli.
