Per entendre com funciona una premsa hidràulica, recordem la regla dels vaixells comunicants. El seu autor Blaise Pascal va trobar que si s'omplen d'un líquid homogeni, el seu nivell a tots els recipients és el mateix. En aquest cas, no importa la configuració dels contenidors i les seves dimensions. L'article descriurà diversos experiments amb contenidors comunicants que ens ajudaran a entendre l'estructura i el principi de funcionament d'una premsa hidràulica.
Experiment
Diguem que tenim vaixells comunicants amb diferents àrees de secció transversal. Denotem l'àrea del més petit per s, el més gran - per S. Omplim els recipients amb líquid. Segons la llei dels vasos comunicants, les superfícies dels líquids estan a la mateixa alçada.
Tanquem els vaixells des de d alt amb pistons. Podem suposar que s i S són les àrees dels pistons. Premeu el més petit amb força f. Baixarà, el líquid ho faràflueix al cilindre més gran i el pistó de l'esquerra començarà a pujar. Per evitar que s'aixequi, també li farem força. Indica'l F.
Per apropar-nos a entendre com funciona una premsa hidràulica, intentem trobar una connexió entre aquestes dues forces. Partirem de la condició d'equilibri. Abans de cobrir els recipients amb pistons, els líquids estaven en equilibri. La pressió als dipòsits era la mateixa (p=P). Premeu els dos pistons perquè el líquid encara es mantingui en equilibri. Les pressions p i P, per descomptat, augmentaran. No obstant això, seguiran sent els mateixos, perquè augmentaran en la mateixa quantitat addicional. Aquesta és la quantitat de pressió creada pels pistons. Es transmet a tot arreu segons la llei de Pascal.
Aquí hi ha la condició d'equilibri: p=P. Podeu considerar la pressió creada pels pistons o la pressió de la columna de líquid. El resultat serà el mateix. Tingueu en compte que la pressió creada pels pistons és mil vegades més gran que la pressió hidrostàtica de la columna líquida. Una columna d'aigua d'uns quants centímetres d'alçada crea una pressió de centenars de pascals. I la pressió del pistó és de centenars de quilopascals, i de vegades megapascals. Per tant, en el que segueix descuidarem la pressió de la columna líquida i suposarem que les pressions p i P són creades exclusivament per les forces f i F.
Dependència de la força de pressió dels pistons en la seva àrea
Derivem la fórmula, el principi de funcionament de la premsa hidràulica sense ella serà incomprensible. p=f/s i de la mateixa manera P=F/S. Fem una substitució a la condició d'equilibri. f/s=F/S. I ara comparem les forces f i F. Per fer-ho, tant les parts esquerra com dreta de l'expressiómultiplicar per S i dividir per f. Obtenim fS/sf=FS/Sf. Cancel·lem f i S en ambdues parts. El resultat serà la igu altat F/f=S/s.
El concepte de guanyar és vàlid
Si S>s, aleshores la força de pressió sobre el pistó del recipient gran serà tantes vegades més gran que la força que pressiona sobre el pistó petit, quantes vegades l'àrea del pistó més gran supera l'àrea de el petit. És a dir, aplicant una petita força a un pistó petit, en un recipient gran obtindrem una força molt més gran que la que premem sobre un pistó petit. Aquest és un efecte anomenat guany de força. Mostra quantes vegades difereixen les forces, és a dir, quina és la relació de F a f. Si prenem vaixells les àrees de secció transversal dels quals són molt diferents, podem obtenir un augment de força tant de deu com de mil vegades. L'anàlisi de la força deixa clar: el guany de força és igual a la relació de les àrees del pistó gran i petit.
Moviment dels pistons d'una màquina hidràulica
Moltes indústries utilitzen el principi de la premsa hidràulica: física, construcció, processament de materials, agricultura, automoció, etc. A la figura es mostren exemples d'aplicació de màquines hidràuliques.
Considerem igualment dos vasos comunicants amb pistons, però ara pararem atenció no a la força, sinó a la distància que recorren els pistons quan es mouen. Imagineu que la seva posició inicial és diferent. El pistó amb àrea S es troba per sota del pistó amb àrea s. Movem el pistó més petit a una distància h. L'aigua d'un recipient més petit passava a un de més gran ipressionat sobre el pistó. Va pujar a l'alçada H.
Coneixent la relació entre les àrees, trobem la relació entre les altures. El volum que va passar sota pressió del cilindre esquerre al dret es denota amb v. Al cilindre dret va entrar un líquid de volum V. El líquid és incompressible. Com es pot escriure això matemàticament? v=v. Expressa el volum en termes d'àrea i alçada. v=sh i V=SH. Així que sh=SH. S/s=h/H. Per tant, el guany de força és F/f=h/H. Aquesta relació ens permet entendre com funciona una premsa hidràulica. Arribem a la conclusió que com que F és major que f, aleshores H és menor que h i pel mateix factor.
Diguem que una màquina hidràulica dóna un augment de força cent vegades. Això vol dir que si baixem el pistó més petit 100 mm, l' altre pistó només pujarà 1 mm. I hi ha màquines que donen un augment de força mil vegades. Però, què passa quan hi ha un cotxe al pistó i cal aixecar-lo a una alçada de diversos metres?
Disseny i principi de funcionament de la premsa hidràulica
Al pistó d'una petita zona hi ha una vàlvula que tanca el tub que condueix al dipòsit d'oli del motor. L'aigua generalment no s'utilitza a les premses hidràuliques perquè és corrosiva i té un punt d'ebullició relativament baix. El pistó acciona el mànec. El fluid es transfereix del cilindre més petit al més gran a través d'un tub.
El gran vaixell també té una vàlvula i un pistó. Quan aixequem la palanca, l'oli, amb l'ajuda de l'atmosferaLa pressió s'aspira al cilindre més petit. Quan baixem el pistó, la vàlvula es tanca, no hi ha cap lloc on vagi l'oli, així que va a un recipient més gran. Aixeca la vàlvula en ella, augmenta el volum d'oli, per això el pistó puja. Quan tornem a aixecar el pistó petit, la vàlvula del recipient gran es tanca, de manera que l'oli no va enlloc i el pistó roman al seu lloc.
El principi de funcionament de la premsa hidràulica és tal que qualsevol oscil·lació del pistó petit sempre condueix al moviment del pistó gran cap amunt. El dispositiu té un mecanisme que permet baixar el pistó gran. Aquesta és una mànega amb una aixeta en un recipient més gran. Quan tanquem l'aixeta, tanquem el cilindre gran, i en obrir-lo tornem la premsa hidràulica a la seva posició original, l'oli s'escorre. Torna al dipòsit, que permet baixar el pistó.
