Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар
§ 33. Гідростатичні та пневматичні пристрої
Водій екскаватора допомагає сховати електромережу під землю, пілот вправно випускає шасі під час посадки літака, а художник-графітіст виражає свою творчість на полотні. Що об’єднує ці сфери діяльності? Дізнаємося.
1. Які гідравлічні та пневматичні пристрої ви знаєте?
Аби полум’я не згасло, людина вдихає повітря та дмухає на вугілля. У такий спосіб легені виконують функцію, подібну до роботи пневматичного пристрою. Розглянемо деякі із цих пристроїв.
Для керування першими літаками вистачало лише мускульної сили пілота. У сучасних літаках навіть казковому велетню не вистачило б довжини рук та сили мускулів, щоб випустити або сховати шасі. Сучасний пілот робить це легко, дотиком пальця, бо йому допомагають гідравлічні пристрої. На рис. 33.1 зображено крило сучасного літака в момент приземлення. За допомогою гідравлічних пристроїв частина крила розкривається, щоб прискорити зупинку літака.
Рис. 33.1. Гідравлічні прилади допомагають «розкрити» крила сучасного літака та сприяють більш швидкому гальмуванню під час посадки
Є безліч змагань, на яких екскаваторники вражають глядачів своєю винятковою майстерністю. Наприклад, ковшем екскаватора грають із м’ячем або відкорковують пляшки. Металева конструкція здатна виконувати різні приголомшливі дії не тільки завдяки майстерності оператора, а й завдяки роботі гідравлічних приладів. Інша дорожня техніка, зокрема самоскиди й бульдозери, теж не може працювати без допомоги гідравлічних механізмів.
Балончик із фарбою слугує яскравим прикладом одноразового пневматичного пристрою для фарбування. У промисловості використовують фарбопульти, що під’єднані до лінії, яка постійно подає до пульта повітря під високим тиском (рис. 33.2). Подібні лінії також допомагають будівельникам: вони приводять у дію відбійні молотки.
Рис. 33.2. Промислове фарбування сталевих конструкцій за допомогою фарбопульта
Гідравлічні та пневматичні пристрої є досить складним обладнанням. У цьому параграфі ми розглянемо лише найпростіші винаходи. Незважаючи на те що перші зразки були створені досить давно, вони продовжують вірно служити людству.
ДОСЛІДЖЕННЯ
Знайдіть у домашньому господарстві вашої родини щонайменше 5 різних гідравлічних та пневматичних пристроїв. Поясніть, як вони працюють.
2. Як підняти автомобіль однією рукою?
У виготовленні деталей для машин і механізмів, у процесах віджимання олії, пресування фанери тощо широко застосовують гідравличний прес.
Гідравлічний прес — це найпростіша гідравлічна машина, призначена для створення великих сил тиску.
Гідравлічний прес складається з двох сполучених між собою циліндрів різного діаметра, які заповнені робочою рідиною (частіше машинним мастилом) і закриті рухомими поршнями (рис. 33.3).
Рис. 33.3. Гідравлічний прес дає змогу одержати виграш у силі: діючи на малий поршень із площею S1 меншою силою F1 можна стискати (пресувати) тіло, розташоване над поршнем із площею S2, більшою силою F2
Сила, що діє з боку рідини на великий поршень, є більшою за силу, що діє на малий поршень, у стільки разів, у скільки площа великого поршня більша за площу малого:
За таким принципом працюють й інші гідравлічні пристрої. Наприклад, гідравлічний підйомник дозволяє, приклавши невелику силу, підняти важкий автомобіль, гідравличне гальмо дозволяє зупинити автомобіль, приклавши незначну силу тиску ноги, тощо.
А ЯК НАСПРАВДІ?
Природні алмази утворюються на глибині сотень кілометрів під впливом тисків мільйонів кілопаскаль за температури вище 1000 °С. Ученим вдалося відтворити природний процес утворення алмазів за допомогою використання суперпресів у поєднанні з нагріванням до високих температур. Виробництво штучних алмазів зараз реалізується на промисловому рівні. Існує технологія, яка нібито дозволяє отримувати якісні алмази за низького тиску. Як ви думаєте, чи є це правдою?
3. Як кораблі долають греблі?
Напевно, ви бачили струмок або невеличку річку, на якій побудована гребля та створений ставок (водосховище). Рівень води до та після греблі може відрізнятися на кілька метрів, проте на великій річці ця різниця сягне подекуди сотні метрів. Як тоді забезпечити судноплавство? Запропонувати кораблям «стрибати» з греблі? Для вирішення проблеми винайшли шлюз.
Найпростіший судноплавний шлюз — це коридор без стелі, що з’єднує обидві сторони греблі та обладнаний воротами. Розміри коридору досить великі, що дозволяє водним суднам увійти всередину (рис. 33.4).
Судноплавний шлюз — гідротехнічна споруда для забезпечення переходу судна на плаву з однієї водойму в іншу з різними рівнями води.
Рис. 33.4. Зовнішній вигляд (а) та схематичне зображення (б) шлюзу
Як працює шлюз? За своєю суттю шлюз — це система сполучених посудин. Розглянемо процес підняття корабля у водосховище. Судно повільно підходить до зачинених воріт шлюзу, де рівень води однаковий із рівнем води біля корабля. Нижні ворота відчиняються, і судно входить у шлюз. Після цього нижні ворота зачиняються. Поряд із верхніми воротами відкривається невеликий отвір, і вода поступово заповнює шлюз. Після того як рівень води в шлюзі вирівнюється з рівнем води у водосховищі, верхні ворота відчиняються і корабель повільно виходить зі шлюзу. Дії для спуску корабля виконуються у зворотному порядку.
Зверніть увагу на слово «повільно». Більшість шлюзів має розміри, які незначно перевищують розміри великих кораблів (рис. 33.5). Інша небезпека чекає на маленькі катери та яхти. Швидкість наповнення шлюзу водою може призвести до того, що судно перевернеться. Отже, і капітанам, і операторам шлюзів треба бути надзвичайно обережними.
Рис. 33.5. Схематичне зображення корабля всередині шлюзу
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
На фотозаставці до параграфа зображено корабель, що прямує Панамським каналом. Цей канал — одна з найбільших гідротехнічних споруд у світі. Довжина каналу скорочена завдяки існуючим водоймищам, зокрема великому озеру Гатун. Однак рівень води в озері майже на 26 м вищий за рівень води у Світовому океані. Це вимагало створення шлюзів як з боку Тихого, так і з боку Атлантичного океанів. Незважаючи на свої величезні розміри, ці шлюзи обмежують розміри кораблів. Судна довжиною більше 300 м не можуть пройти через Панамський канал. Це спричинило встановлення стандарту світового судноплавства, відомого як Панамакс.
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
Гідравлічний прес — це гідравлічна машина, яку використовують для створення великих сил тиску.
Принцип дії шлюзів заснований на властивості рідини в сполучених посудинах встановлюватися на одному рівні.
Дія гідравлічної машини базується на властивості рідин передавати тиск однаково в усіх напрямах.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Доведіть, що властивість рідин і газів передавати тиск у всіх напрямках має неабияке значення в нашому житті. 2. Що таке гідравлічний прес і де його застосовують? 3. Для чого призначений і як працює шлюз?
ВПРАВА № 33
1. Уявіть, що ви оператор шлюзу. Складіть систему команд для переведення судна через камери шлюзу. Дозволяється використовувати команди: відчинити (зачинити) ворота (1, 2, 3, 4); спустити (запустити) воду з камери (I, II, III); перейти в камеру.
2. Площа малого поршня гідравлічної машини становить 15 см2, а великого — 3 дм2. Визначте максимальну масу вантажу, який можна підняти, приклавши до малого поршня силу 200 Н.
3. Під дією сили 300 Н малий поршень гідравлічної машини опустився на 4 см, а великий піднявся на 1 см. Визначте силу, яка діяла на великий поршень.
4. Дізнайтеся, як працюють деякі гідравлічні пристрої (наприклад, гідравлічна система гальмування автомобіля, гідравлічні ножиці, тощо).
Ключові терміни
Гідростатичні пристрої • Гідравлічний прес • Шлюз
