Розділ ІІІ Взаємодія тіл. Сила
& 29. МАНОМЕТРИ. НАСОСИ. ГІДРАВЛІЧНИЙ ПРЕС
Металічний манометр
Манометром називають прилад, призначений для вимірювання тисків, що значно більші чи менші за атмосферний. Металевий манометр складається із зігнутої дугою еластичної металевої трубки, один кінець якої запаяний, а інший з’єднаний із резервуаром, в якому вимірюється тиск. Коли повітря чи інший газ під великим тиском входить у трубку, вона трохи розпрямляється і через систему важелів та зубчастих коліс обертає стрілку приладу за годинниковою
Мал. 29.1. Металічний манометр.
Рідинні манометри.
Рідинні манометри дозволяють вимірювати тиск із більшою точністю, ніж металеві. Вони складаються з вигнутої у вигляді літери U скляної трубки, дві сторони якої називають лівим і правим колінами манометра. У трубку наливають рідину; як правило, це ртуть, але використовуються і водяні манометри. Одне коліно
Розглянемо випадок, коли рівень рідини в правому коліні манометра вищий, ніж у лівому (мал. 29.2). Це означає, що тиск “р” в балоні більший за атмосферний на величину р ∙ g ∙h, тобто p = pa + p ∙ g ∙ h, де “Ра” – атмосферний тиск, а “р” – густина рідини в манометрі. Якщо рівень рідини у правому коліні нижчий, то тиск у балоні менший за атмосферний на величину р ∙ g ∙ h.
Мал. 29.2. Відкритий рідинний манометр.
Чому вода слідує за поршнем
Набирайте у шприц воду, стежачи за тим, як вода піднімається за поршнем (мал. 29.4). Люди кілька тисячоліть не могли зрозуміти цього явища! Давньогрецький учений Аристотель пояснював його так: коли поршень рухається вгору по трубці насоса, під ним утворюється пустота, яку вода змушена заповнити. Люди тоді просто не могли собі уявити, що може існувати нічим не заповнений простір, тобто вакуум. Як вияснилося після дослідів Тор – річеллі, Паскаля і Геріке, воду “втискає” під поршень сила атмосферного тиску, яка діє на вільну поверхню води в посудині і передається в усі точки і в усіх напрямках – у тому числі і вгору. Коли почали закачувати воду на велику висоту, виявилося, що природа “боїться” пустоти лишень до висоти, яка приблизно становить 10,5 м, а далі “відмовляється” йти за поршнем, оскільки сила тиску стовпа води врівноважує силу атмосферного тиску.
Мал. 29.3. Закритий манометр міряє малі тиски.
Мал. 29.4. Вода слідує за поршнем насоса, бо її туди “втискає” сила атмосферного тиску.
Поршневі насоси
Розглянемо конструкцію і принцип дії водяного насоса – звичайної ручної водяної помпи. Вона складається із циліндра з поршнем і двох клапанів (мал. 29.5). Вхідний клапан знаходиться у верхній частині труби, яка з’єднує насос із водоносним шаром грунту і впускає воду вгору за ходом поршня, але не випускає назад при русі поршня униз. Другий клапан знаходиться в поршні і пропускає воду вгору, коли поршень рухається вниз. При наступному ході поршня вгору верхній клапан закривається і частина води, яка знаходиться над ним, виливається у відро.
У манометра, який призначений для вимірювання дуже малих тисків, праве коліно запаяне і повністю заповнене рідиною перед початком вимірювань (мал. 29.3. а) – це так званий вкорочений манометр. На мал. 29.3 б над ртуттю у правому коліні вакуум, тому тиск у колбі дорівнює надлишковому тиску стовпчика ртуті над лінією рівноваги (пунктир), тобто p ∙ g ∙ h.
Мал. 29.5. Клапани водяної помпи пропускають воду вгору і не дають їй “втекти” вниз.
Цікаво знати. Цікаву конструкцію насоса винайшов Архімед (мал. 29.6). “Гвинт Архімеда” знаходиться у трубі, один кінець якої треба опустити у воду. При обертанні гвинта в певному напрямку вода починає підніматися вгору по трубі. Подібна конструкція застосована в домашній ручній м’ясорубці.
Мал. 29.6. Гвинт Архімеда дозволяє перекачувати пульпу (суміш глини і води).
Повітряні насоси і компресори
Щоб накачати повітря у футбольний м’яч, камеру велосипеда чи автомобіля, використовують повітряні насоси (мал. 29.7). Завдання полягає втому, щоб накачати в камеру повітря до певного тиску і зробити так, щоб воно назад із камери не виходило. Поршень насоса зроблено зі шкіри так, що його розпирає при нагнітанні повітря. У цьому випадку краї поршня міцно притискуються до стінок циліндра і не дають повітрю “втекти”. При зворотному ході поршня тиск у циліндрі зменшується, бо клапан не випускає повітря з камери. Краї шкіри зминаються, і повітря знову заповнює простір під поршнем. Для кращої герметизації поршень і стінки циліндра повинні бути змащені спеціальним мастилом. Простір під поршнем через систему вентилів і трубочок з’єднаний зі штуцером (трубка, до якої приєднують шланг насоса при накачуванні камери.
Мал. 29.7. Велосипедний насос.
Дослід 29.1
“Дослідження вакууму”.
Закрийте отвір шприца (без голки) пальцем і потягніть за ручку поршня. Що ви відчуваєте, тримаючи ручку рукою? Відпустіть поршень, і він різко повернеться на попереднє місце. Поясніть дослід.
Поршневий компресор (від латинського compressus – стиснутий) – це нагнітальний повітряний насос, поршень якого приводиться в дію двигуном. Він використовується для подачі стисненого повітря у пневматичні інструменти. Ви, напевно, бачили (і чули!) як працюють пневматичний молоток чи викрутка. За допомогою компресора накачують автомобільні шини, переганяють природний газ у газопроводах, розпиляють фарбу пульверизатором. Спеціальний кривошипно-шатунний механізм рухає поршень компресора “туди-сюди”, а два клапани – впускний і випускний – змушують повітря рухатися в потрібному напрямку (мал. 29.8).
Мал. 29.8. Поршневий компресор.
Гідравлічний прес
Гідравлічні пристрої, наприклад гідропідсилювач керма в автомобілі, широко застосовуються в сучасній техніці. Із назви зрозуміло, що йдеться пропристрої, які використовують рідину і багатократно підсилюють початкову дію. Легко натиснувши на гідравлічне гальмо (мал. 29.9), можна зупинити вантажний автомобіль чи поїзд. Гідравлічний підйомник піднімає й утримує автомобіль (мал. 29.10). Гідравлічний прес штампує будь-який профіль, навіть із товстого сталевого листа.
Усі ці машини і механізми діють за єдиним принципом – принципом гідравлічного преса, винайденого Паскалем. Гідравлічний прес складається з двох циліндрів із різними діаметрами (мал. 29.11). Усередині циліндрів рухаються поршні. Циліндри герметично з’єднані між собою і заповнені рідиною (як правило, мінеральним маслом).
Нехай на менший поршень площею S1 діє сила F1. Поршень тисне на рідину, створюючи в ній тиск р = F1/S1. За законом Паскаля, цей тискпередається в усі точки рідини. Тоді на другий поршень, площа якого більша й дорівнює S2 , діятиме сила F2 = р – S2 = F1 ∙ S2/S1. Отже, зусилля яке розвиває другий поршень, у стільки разів більше від початкового, у скільки разів площа більшого поршня більша від площі малого поршня:
F2/F1 = S2/S1. (29.1)
У потужних гідравлічних машинах малий поршень є частиною насоса, який швидко накачує рідину в циліндр із великим поршнем. Якщо замінити у пресі рідину на повітря, він теж працюватиме. Такі пристрої називають пневматичними. Оскільки повітря легко стискається, то пневматичні гальма діють “м’якше”. У громадському транспорті двері відчиняються і зачиняються пневматичними пристроями, тому ви не постраждаєте, навіть якщо опинитесь у їх полоні.
Мал. 29.9. Гідравлічне гальмо автомобіля.
Мал. 29.10. Гідравлічний підйомник.
Мал. 29.11. Схема будови гідравлічного преса.
Сервоскелет – досить екзотичний пристрій, який складається з гідравлічних трубок із поршнями і має вигляд скелета. Ви вдягаєте цю конструкцію на себе – і кожен ваш рух повторюється і підсилюється багатократно. Можна, наприклад, підійти до багатотонної вантажної машини і підняти її “руками”.
Дослід 29.2
“Побудова моделі гідравлічного преса”
З’єднайте отвори двох одноразових шприців з різного діаметру пластиковою трубкою (мал. 29.12). Проведіть досліди спочатку з повітрям. Натисніть на менший за діаметром поршень. Який з поршнів легше рухати? Котрий з них переміщується на більшу відстань? Потім наберіть в систему воду і повторіть досліди.
Мал. 29.12. Модель преса
Теми для дослідження
29.1. Опишіть роботу серця, як насоса. Як відбувається нагнітання крові в судини і як працюють серцеві клапани? Як регулюється частота, з якою “б’ється” серце? Як вимірюють артеріальний тиск?
29.2. За яким принципом діє гідравлічний домкрат?
Підведемо підсумки
– Манометри використовують для вимірювання тисків значно більших або менших за атмосферний.
– Вода слідує в трубі за поршнем насосу, тому що її туди “вганяє” атмосферний тиск.
– Гідравлічний прес підсилює дію у стільки разів, у скільки площа великого поршня більша за площу малого поршня: F2/F1 = S2/S1.
Вправа 29
1. Яке призначення манометрів?
2. Чому вода слідує за поршнем насоса?
3. Як діє велосипедний насос?
4. Чи працюватиме у вакуумі поршневий рідинний насос?
5. Для чого потрібні компресори?
6. Які інструменти називають пневматичними?
7. Із яких основних частин складається гідравлічний або пневматичний підсилювач?
8. За рахунок чого відбувається підсилення вихідної дії в гідравлічному пресі та в скільки разів?
9. Чому в гідравлічному пресі використовують рідину, а не повітря?
10. Як із повітряного нагнітального насоса зробити насос, який створює вакуум?
11. Рівень води у відкритому коліні манометра на 20 см вищий від рівня води в коліні, що приєднане до балона (мал. 29.2). Який тиск у балоні? Атмосферний тиск 100 000 Па, g = 10 Н/кг.
12. Рівень води у відкритому коліні водяного манометра на 15 см нижчий за рівень води в коліні, що приєднане до балона. Який тиск у балоні? Атмосферний тиск 100 000 Па, g = 10 Н/кг.
13. В приєднаному до резервуара коліні вкороченого ртутного манометра, рівень на 2 см нижчий, ніж у запаяній частині трубки (мал. 29.3 б). Який тиск у колбі? Атмосферний тиск становить р0 = 100 000 Па, густина ртуті 13 600 кг/м3, g = 10 Н/кг
14. Чи може рівень ртуті у закритій частині вкороченого манометра бути нижчим, ніж у під’єднаній до колби (мал. 29.3 б).
15. При атмосферному тиску, що дорівнює 750 мм рт. ст., манометр показує тиск у шинах автомобіля в 3,4 рази більший за атмосферний. Яка сила діє на кожні 100 см2 поверхні шини?
16. а) Чому за допомогою поршневого насоса можна підняти воду тільки до висоти близько 10,5 м і не вище? б) Придумайте декілька способів підняти воду за допомогою поршневого насоса на висоту 20 м і більше.
17. Об’єм повітря в циліндрі компресора зменшився утричі. Як при цьому змінилася густина повітря?
18. Який тиск в озері на глибині 40 м? Атмосферний тиск 100 000 Па, g = 10 Н/кг
19. У гідравлічному пресі площа малого поршня становить 5 см2, а великого – 1 м2. Який максимальний виграш у силі може дати цей прес?
20. Малий поршень гідравлічного преса опускається на 25 см за один хід, а великий при цьому піднімається на 5 мм. Яку силу розвиває великий поршень, якщо на малий діє сила 200 Н? Виберіть правильну відповідь: А: 1000 Н; Б: 400 Н; В: 10 000 Н; Г: 40 Н.
(2 votes, average: 4,50 out of 5)