Загальна інформація
Застосування
Рис. 1: схема досліду
Гідравлічний прес - це пресувальна машина із силовим замиканням, яка працює за гідростатичним принципом. Гідравлічні установки - це пристрої, що перетворюють силу; у них використовують рівномірне поширення тиску в рідинах у всіх напрямках. Тиском поршня передають сили, а також змінюють їхнє значення або напрямок.
Гідравлічний прес застосовують і як деталь кузова легкових автомобілів, наприклад у насосному поршні. Насосним поршнем створюють у рідині тиск, який діє також на робочий поршень (пресувальний поршень). Оскільки площа пресувального поршня значно більша за площу насосного поршня, то за законом для гідравлічних установок і сила на пресувальному поршні значно більша, ніж на насосному.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учням потрібні попередні знання про гідравлічні преси. Важливо також знати "принцип Паскаля".
Принцип
На моделі гідравлічного преса треба опрацювати принцип дії гідравлічних установок.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Цим дослідом учні мають на прикладі зрозуміти основи гідравлічного преса.
Завдання
Завдання цього досліду полягає в тому, щоб зрозуміти принцип дії гідравлічних установок. Учні мають відкрити для себе зв'язки між і .
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Гідравлічний прес ґрунтується на принципі Паскаля: тиск, прикладений до замкненої рідини, передається без змін у кожну її частину.
За принципом Паскаля тиск у рідині сталий. При цьому сила , яка діє на площу малого поршня, змінює гідростатичний тиск, і ця зміна передається на площу великого поршня. Унаслідок цього на великий поршень діє сила . Оскільки за законом Паскаля тиск рівномірно розподіляється по всій рідині, справджується
або
Із рівняння видно: площа великого поршня набагато більша за площу малого поршня, тож і сила , яка діє на великий поршень, набагато більша за . Так малу силу можна підсилити до великої.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | Торсійний динамометр, 2 Н/4 Н | 03069-03 | 1 |
| 3 | Прорізний тягарець, сріблясте бронзування, 50 г | 02206-03 | 2 |
| 4 | Прорізний тягарець, сріблясте бронзування, 50 г | 02206-03 | 2 |
| 5 | Волосінь на котушці, d = 0,5 мм, 100 м | 02090-00 | 1 |
| 6 | Тримач для газових шприців на магнітному тримачі | 02156-00 | 2 |
| 7 | Газовий шприц, 100 мл, для системи зі скляною сорочкою | 02614-00 | 2 |
| 8 | Пластина поршня для газових шприців | 02618-00 | 2 |
| 9 | Силіконові трубки, внутрішній d=7 мм | 39296-00 | 1 |
| 10 | Контрольна гиря, 500 г, для перевірки та юстування ваг і вимірювальних приладів | 44096-50 | 1 |
| 11 | Контрольна гиря, 200 г, для перевірки та юстування ваг і вимірювальних приладів | 44096-20 | 1 |
| 12 | Лабораторний маркер, змивний, чорний | 46402-01 | 1 |
| 13 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
Складання та виконання
Складання (1/2)
- Ще до уроку визнач динамометром сили тяжіння і для поршнів із пластинами поршня.
- Склади модель гідравлічного преса на демонстраційній дошці і розмісти її так, щоб пластини поршнів були на висоті верхнього краю дошки (рис. 2).
- Установи торсійний динамометр біля нижнього краю дошки під газовим шприцом на 50 мл.
Рис. 2
Складання (2/2)
- Поклади волосінь завдовжки 50 - 60 см на пластину поршня газового шприца на 50 мл і проведи її так, щоб утворена з волосіні петля після зачеплення динамометра не торкалася інших частин установки.
- За потреби притисни шланг до дошки смужкою клейкої стрічки (рис. 2).
- Установи динамометр на нуль.
- Познач і на демонстраційній дошці лабораторним маркером символічно.
Виконання (1/2)
- Запиши сили і та усвідом, що система перебуває в рівновазі і що спочатку і .
- Запиши значення сил і , що створюють тиск, у таблицю 1.
- Навантаж робочий поршень (поршень шприца на 100 мл) масою і зчитай з динамометра силу натягу , потрібну разом із для рівноваги системи.
- Запиши і виміряне значення у таблицю 1. (Зауваження: якщо тертя між поршнем і стінками циліндра відносно велике, варто діяти так: спочатку рукою натискають на один із поршнів і вимірюють силу , яка встановлюється після відпускання. Потім так само роблять із другим поршнем, знаходять середнє значення і записують його. Через відносно великий допуск для значень доцільно округлювати числові значення до двох цифр. Тоді й числові значення для , і треба округлити відповідно (пор. результат).)
Виконання (2/2)
5. Змінюй силу , навантажуючи робочий поршень тягарцями різної маси , а отже, і .
6. Виміряй і запиши потрібну щоразу силу .
Опрацювання результатів
Спостереження
| 0 | 0,0 | 0,0 | 1,5 | 1,0 | 0,67 |
| 100 | 10,6 | 1,0 | 2,5 | 1,6 | 0,64 |
| 200 | 1,2 | 1,9 | 3,4 | 2,2 | 0,65 |
| 300 | 1,9 | 2,9 | 4,4 | 2,9 | 0,66 |
| 400 | 2,5 | 3,9 | 5,4 | 3,5 | 0,65 |
| 500 | 3,2 | 4,9 | 6,4 | 4,2 | 0,66 |
| 600 | 3,8 | 5,9 | 7,4 | 4,8 | 0,65 |
Табл. 1
Пресувальний поршень:
Робочий поршень:
Опрацювання результатів (1/2)
Спочатку обчислюють значення сили і записують їх у стовпець 3 таблиці 1. Потім обчислюють сили та і записують їх у стовпці 4 і 5.
Графік як функції дає пряму, що проходить через початок координат (рис. 2). Це означає: або
Рис. 3
Опрацювання результатів (2/2)
Цей висновок підтверджується в межах точності вимірювання після обчислення часток F1 /F2 (пор. таблицю 1, стовпець 6): їхнє середнє значення становить приблизно 0,65. Таке саме значення має частка , адже
Отже, у гідравлічному пресі сили відносяться так само, як площі перерізів, на які вони діють:
Звідси випливає: або
Тиск, створений силою , діє в нестисливій рідині скрізь однаково, а отже, і на площу .
Зауваження (1/2)
Задля економії часу модель гідравлічного преса варто скласти ще до уроку. Щоб якнайкраще уникнути бульбашок повітря в циліндрах чи у з'єднувальному шлангу, радимо діяти так: увігнати поршень газового шприца на 50 мл до дна циліндра - потримати штуцер шприца у воді і, витягуючи поршень, набрати в циліндр води на 2-3 см - перевернути шприц, засунути поршень у циліндр до упору, поставити тримач на демонстраційну дошку і затиснути шприц; насунути силіконовий шланг завдовжки близько 50 см на штуцер шприца на 100 мл - набрати поршнем воду, доки шланг і дві третини циліндра не заповняться - перевернути шприц, тримати шланг угору і вдавлювати поршень доти, доки не вийдуть бульбашки повітря, а шланг заповниться так, що вода почне витікати - надіти вільний кінець шланга на штуцер шприца на 50 мл і поставити шприц на 100 мл на дошку з другим тримачем.
Зауваження (2/2)
У цьому досліді доводиться миритися з відносно великими похибками вимірювання, бо сили тертя можуть бути доволі великі. Похибки виникають також через допуск значень, які зчитують з динамометра. Гідравлічний прес, як і інші гідравлічні установки (підіймальні платформи, автомобільні гальма тощо), працює за принципом: малою силою на пресувальний поршень з малою площею перерізу можна створити тиск, який діє на робочий поршень дуже великою силою , якщо площу його перерізу вибрати достатньо великою.