Сегодня гидравлические системы используется очень широко на строительной технике: самосвал, пресс, горный комбайн, отбойный молоток, экскаваторы и т.д. Использование гидравлических систем постоянно увеличивается. И чтобы понять, как действует современная техника, стоит знать главные законы физики.

Закон Паскаля – один из основных законов физики, поэтому он нашел огромное применение в современном мире. Именно открытие этого закона лежит в основе создания гидравлических систем. Однако, все эти механизмы достаточно сложны и громоздки, поэтому мне захотелось создать устройство, в основе действия которого лежит закон Паскаля, чтобы разобраться в принципе их работы. Может, и мне в будущем предстоит поработать на таком механизме. И я решил сделать модель экскаватора, так как на многих экскаваторах гидравлическая система используется для подъёма и опускания стрелы, работы ковша и управления поворотной платформой.

Цель моей работы: опытное подтверждение закона Паскаля (модель экскаватора).

Для достижения цели своей работы мне необходимо решить следующие задачи:

Объяснить закон Паскаля;

Показать практическую значимость закона Паскаля;

Изготовить модель экскаватора.

Блез Паскаль

Блез Паска́ль - гениальный учёный, физик, математик, изобретатель, писатель, философ и религиозный мыслитель Блез Паскаль был необыкновенно одарённым человеком. Родился Паскаль 19 июня 1623 г. во Франции. Отец Паскаля прекрасно разбирался в математике, был знаком с такими известными математиками, как Ферма и Декарт. Именно отец составил для Блеза Паскаля план обучения. Согласно этому плану, с 12 лет Блез должен был изучать древние языки, а с математикой он планировал познакомить сына в 15 лет. Но знакомство Блеза с математикой произошло гораздо раньше. Его очень интересовала геометрия. Хотя он не знал геометрических терминов и окружность называл «колечком», а прямую линию «палочкой», он начал находить соотношения между ними, и вскоре смог доказать Евклидову теорему о сумме углов треугольника. После этого с помощью отца он начал изучать геометрию Евклида, познакомился с работами Архимеда. В 1639 г, когда Паскалю исполнилось всего 16 лет, им была сформулирована одна из основных теорем проективной геометрии – теорема Паскаля о треугольнике, вписанном в окружность или в любое другое коническое сечение. В этом же возрасте он исследовал конические сечения. Спустя 2 года Паскаль начал работу над созданием первой вычислительной машины. Она представляла собой ящик, внутри которого располагались шестерёнки, связанные друг с другом. Машина Паскаля («Паскалина») выполняла простейшие математические операции. Это был примитивный арифмометр, ставший основой большинства вычислительных устройств. Занимаясь изучением вероятности выигрыша, Паскаль положил начало теории вероятности, которую он называл «математикой случая».

Физика была вторым увлечением Блеза Паскаля. Он подтвердил предположение Торричелли о том, что атмосферное давление существует. Кроме того, он высказал мысль, что с увеличением высоты атмосферное давление уменьшается. И когда в 1647 г. по описаниям Паскаля провели опыт, то оказалось, что на вершине горы давление атмосферы действительно ниже, чем у основания. Паскаль доказал, что воздух имеет вес, и вычислил приблизительную массу атмосферы. Он предложил использовать барометр для предсказания погоды, так как установил, что показания барометра зависят от температуры и влажности воздуха. В 1648 г. очень убедительно продемонстрировал, что давление зависит от высоты столба жидкости. Он вставил в закрытую бочку, наполненную водой, узкую трубку, и, поднявшись на балкон второго этажа дома, вылил в эту трубку кружку воды. Из-за малой толщины трубки вода в ней поднялась до большой высоты, и давление в бочке увеличилось на столько, что крепления бочки не выдержали, и она треснула. Полученные нами результаты справедливы не только для жидкостей, но и для газов. Их слои также давят друг на друга, и потому в них тоже существует гидростатическое давление. В 1653 г. Паскаль сформулировал основной закон гидростатики, согласно которому давление на жидкость передается ею равномерно без изменения во все стороны. Этот закон назван законом Паскаля, а самого Паскаля считают основоположником классической гидростатики – науки о жидкости или газе в состояния равновесия (покоя).

К сожалению, жизнь гениального учёного оказалась короткой. Его здоровье постоянно ухудшалось с 1658 г. Ужасные головные боли мучили его. Физически он стал очень слаб, хотя ему было всего 35 лет. Врачи запретили любые умственные нагрузки. А в 1660 г. Паскаль выглядел, как старик. Умер Блез Паскаль в 1662 г.

В честь Паскаля названа единица измерения давления в системе СИ. Один из первых языков программирования называется Pascal.

Закон Паскаля

Природа давления жидкости, газа и твердого тела отличается. Хотя у давлений жидкости и газа различная природа, у их давлений есть один одинаковый эффект, отличающий их от твердых тел. Этот эффект, а точнее физическое явление, описывает закон Паскаля.

Жидкости и газы передают оказываемое на них давление по всем направлениям одинаково. Этот закон был открыт в 1653 г. французским ученым Блезом Паскалем и потому носит его имя. А вот для твердых тел этот закон не работает.

Закон Паскаля подтверждается опытом. Если в резиновом шарике, наполненном водой, проколоть очень маленькие дырочки, то вода будет сквозь них капать. Если теперь надавить в какое-нибудь одно место шарика, то из всех дырок, независимо от того, как далеко они находятся от места приложения силы, вода польется примерно одинаковыми по силе струйками. Это говорит о том, что давление распространилось по всему объему. Тоже самое произойдет, если воду заменим газом (например, дым).

Объяснить закон Паскаля можно с помощью свойств жидкостей и газов. Передача давления жидкостями и газами обусловлена достаточно высокой подвижностью частиц, из которых они состоят. Молекулы равномерно заполняют весь предоставленный объем. При опускании поршня газ, находящийся непосредственно под ним, сжимается, и частицы газа в этом месте начинают располагаться более плотно, чем внизу. Однако через некоторое время эти частицы, беспорядочно двигаясь, перемешаются с другими, и их расположение вновь станет равномерным, но более плотным, чем до опускания поршня. При этом в равной степени возрастет число ударов молекул не только о дно сосуда, но и о его боковые стенки. Это и означает, что давление поршня передается газом по всем направлениям одинаково и в каждой точке оно возрастает на одну и ту же величину. Так, если давление на газ около самого поршня увеличится на 1 Па, то во всех точках внутри газа станет больше прежнего настолько же. На 1 Па увеличится давление и на стенки сосуда, и на дно, и на поршень.

Практическая значимость закона Паскаля

Закон Паскаля находит практическое применение. Если на небольшую площадь поверхности жидкости подействовать определенной силой, то увеличение давления произойдет по всему объему жидкости. Это давление может совершить работу по перемещению большей площади поверхности. Кстати, известно, что сам Паскаль, используя открытый им закон, в ходе проведенных экспериментов изобрел гидравлический пресс.

Так, сжатый воздух используется в подводной лодке для ее подъема с глубины. При погружении специальные цистерны внутри подводной лодки заполняются водой. Масса лодки увеличивается, и она погружается. Для подъема лодки в эти цистерны закачивается сжатый воздух, который вытесняет воду. Масса лодки уменьшается, и она всплывает.

Рис.1. ПЛ в надводном положении: цистерны главного балласта (ЦГБ) не заполнены

Рис.2 .ПЛ в подводном положении: произошло заполнение водой ЦГБ

Устройства, в которых применяется сжатый воздух, называются пневматическими. К ним относится, например, отбойный молоток, которым вскрывают асфальт, рыхлят мерзлый грунт, дробят горные породы. Под действием сжатого воздуха пика отбойного молотка делает 1000—1500 ударов в минуту большой разрушительной силы.

На производстве для ковки и обработки металлов используется пневматический молот и пневматический пресс. В прессовом оборудовании пневматического типа для этих целей используется устройство, вырабатывающее сжатый воздух. В качестве такого устройства может использоваться компрессор или воздушный насос.

В грузовых автомобилях и на железнодорожном транспорте используется пневматический тормоз. В вагонах метро с помощью сжатого воздуха открываются и закрываются двери. Использование воздушных систем на транспорте связано с тем, что даже в случае утечки воздуха из системы он будет восполняться за счет работы компрессора и система будет исправно работать.

На законе Паскаля основана и работа экскаватора, где применяются гидравлические цилиндры для приведения в движение его стрел и ковша.

Горный комбайн – машина, предназначенная для выработки и погрузки в транспортное средство горной массы. Устройство горного комбайна включает: отбойный инструмент, разрыхляющий пласт породы, погрузочный инструмент, сгружающий породу на транспортное средство, двигатель, механизм передвижения устройства управления и улавливания пыли.

Гидравлический пресс – это такое оборудование, которое специально предназначено для обработки деталей и заготовок путем воздействия на них высоким давлением. Работает такой пресс за счет давления жидкости, воздействующей на элементы его конструкции.

Гидравлический домкрат — это стационарное, переносное или передвижное грузоподъемное устройство, предназначенное для тяжелых предметов. Применяется при выполнении ремонтно-строительных работ и в составе кранов, прессов, подъемников.

Подъемные механизмы с гидравлическим приводом от двигателя автомобиля. Подъемный механизм предназначен для обеспечения разгрузки кузова путем его наклона (опрокидывания) и последующего возвращения в исходное (транспортное) положение. Он также обеспечивает фиксацию кузова в любом промежуточном положении при его подъеме и опускании. Наибольшее распространение получили гидравлические подъемные механизмы, привод которых осуществляется от двигателя автомобиля. Эти механизмы компактны, надежны, безопасны в работе, обладают плавностью и быстротой действия, имеют большой срок службы.

Гидравлический насос — оборудование, посредством которого механическая энергия преобразовывается в гидравлическую: из вырабатываемого двигателем крутящего момента образуется подача либо давление.

Гидравлический подъемник – это устройство, которое встречается практически в каждом СТО и автосервисе. Благодаря использованию данной установки можно быстро и качественно выполнить работы по обслуживанию транспортного средства. Однако помимо этого есть гидравлический подъемник, используемый в коммунальных целях и в строительстве.

Гидравлические краны – это краны, приводимые в действие напорной водой. Положительными качествами гидравлических кранов являются: безопасность, легкая приспособляемость к различным условиям, надежность работы. Различные операции (подъем, горизонтальное перемещение и поворот) обыкновенно выполняются отдельными гидравлическими цилиндрами с независимым друг от друга управлением.

Экскаватор

Одноковшовый экскаватор — это средство передвижения, хотя и созданное для копания, подъема и разгребания грунта и материалов. Ходовая часть этих машин очень похожа на ходовую часть танка: такой же двигатель и такая же гусеничная лента. У экскаватора есть несколько стрел, и последняя кончается ковшом для зачерпывания земли. Так же как и на подъемном кране, в экскаваторе применяются гидравлические цилиндры для приведения в движение его стрел и ковша. Другие гидравлические двигатели и клапаны управления, находящиеся в кабине, позволяют управлять движением гусениц. Гидроцилиндры приводятся в действие тем же двигателем внутреннего сгорания, что передвигает гусеницы экскаватора.

Основной двигатель приводит в действие насосы, которые создают избыточное давление масла в гидроцилиндрах, и при этом вытягивается стрела. Водитель в кабине с помощью рычагов управляет движениями ковша и щита. Стрела поднимается и удлиняется, когда поршень в цилиндре идет вверх. А когда поршень опускается, стрела укорачивается и тоже опускается. Поршень плечевого цилиндра управляет движением плеча. Ковш черпает или высыпает, когда поршень его цилиндра вытягивается или втягивается.

Для демонстрации закона Паскаля мною была также собрана модель деревянного мини-экскаватора, основа работы которого – цилиндры-поршни, наполненные водой. Что интересно, в качестве поршней, поднимающих и опускающих стрелу и ковш экскаватора, я использовал медицинские шприцы, изобретенные самим Блезом Паскалем в подтверждение его закона.

Итак, система состоит из обыкновенных медицинских шприцов по 20 мл (функция рычагов управления) и таких же шприцов по 10 мл (функция поршней). В эти шприцы мною была залита жидкость - вода. Чтобы соединить шприцы была использована система капельниц (обеспечивает герметизацию).

Для того чтобы указанная система заработала, мы надавливаем в одном месте на рычаг, давление воды передается в поршень, на пробку, пробка поднимается – экскаватор приходит в движение, опускается и поднимается стрела экскаватора и ковш.

Данный эксперимент можно продемонстрировать для демонстрации практического применения закона Паскаля на уроках физики в 7 классе.

Заключение

Почему гидравлическая система получила широкое распространение? Существует несколько причин. Одна из них, это то, что гидравлическая система является универсальной, эффективной и простой при передаче энергии. Работа гидравлической системы заключается в преобразовании энергии из одного вида в другой.

В ходе подготовки к конкурсу я:

изучил теоретический материал по выбранной теме;

создал модель экскаватора и провел экспериментальную проверку закона Паскаля на этой модели.

Результат моей работы следующий: закон Паскаля, открытый в 17 веке, актуален и широко применяется и в наше время при конструировании технических устройств и механизмов, облегчающих работу человека.

Надеюсь, что собранные мной установки будут интересны моим друзьям и одноклассникам и помогут лучше разобраться в законах физики.

Список литературы

http://sitekid.ru/matematika/blez_paskal.html

http://www.favoritservis.ru/hydraulic_chast2.html

http://virtuallab.by/publ/interesnye_stati/interesnye_stati/gidravlicheskie_mekhanizmy_svoimi_rukami/2-1-0-194

http://ru.solverbook.com/spravochnik/mexanika/gidrostatika/gidravlicheskij-press/

http://stroi-specialist.ru/instrument/mexanicheskij-instrument/domkrat-gidravlicheskij.html

http://fb.ru/article/129379/gidravlicheskiy-podyemnik-raznovidnosti-printsip-deystviya-i-tsena

http://byreniepro.ru/nasosy/gidronasos.html

http://enciklopediya-tehniki.ru

https://studfiles.net/preview/5411351/

http://azbukametalla.ru/entsiklopediya/g/gidravlicheskie-krany.html