Использование давления в практических целях

Использование давления в практических целях

Человек давно научился использовать давление в своей практической деятельности.

Давление твёрдых тел на службе человеку

Использование давления в практических целях

Трудно назвать точный период, когда появилась первая лопата. Скорее всего, ещё в древние времена, когда люди начали заниматься земледелием. Казалось бы, какое отношение имеет этот инструмент к использованию давления в практических целях? Оказывается, самое прямое.

Из формулы расчёта давления мы знаем, что чем меньше площадь поверхности твёрдого тела, к которому приложена сила, тем бóльшим будет давление, создаваемое этой силой на единицу площади. Конструкция лопаты такова, что когда мы ею копаем землю, то своим весом создаём большое давление на поверхность очень маленькой площади. Чем острее заточена лопата, тем меньшее усилие нам нужно приложить, чтобы она вошла глубоко в землю.

Использование давления в практических целях

По такому же принципу создаёт давление обычная канцелярская кнопка. Достаточно придавить её пальцем, как её заострённый конец легко входит в деревянную поверхность.

Сконцентрировать силу на малой площади и тем самым увеличить давление можно с помощью простого приспособления, называемого клином.

Использование давления в практических целях

Клин представляет собой призму, рабочие поверхности которой сходятся под острым углом. Если приложить силу к основанию этой призму, то она разложится на 2 составляющие, перпендикулярные рабочей поверхности. Каждая из этих сил создаёт давление на поверхность тела, в которое этот клин вгоняется. Используя клин, например, раскалывают древесину. В Древнем Египте с помощью бронзовых клиньев откалывали каменные блоки для строительства.

Клин - один из простейших механизмов, позволяющих ещё и увеличивать приложенную силу. Отношение силы, которую развивает механизм (нагрузки) к прикладываемой силе (усилию) называется выигрышем силы. Выигрыш силы для клина равен отношению его длины к толщине тупого конца. По принципу клина действуют топор, игла, пилá, нож.

Использование давления воздуха в технических устройствах

Использование давления в практических целях

Простейшее устройство, использующее в своей работе атмосферное давление, - медицинский шприц. Он состоит из прозрачного цилиндра, внутри которого ходит поршень. Когда нам нужно набрать в шприц лекарственный раствор, мы начинаем поднимать поршень. Воздух между дном и поршнем разрежается. И за счёт разницы давлений внутри шприца и наружного атмосферного давления жидкость будет подниматься вверх, пока не заполнит свободное пространство.

Так же поднимается жидкость в пипетке. По такому же принципу устроены доильный аппарат, поилка для птиц, мыльница на присосках, пылесос.

Всасывающий водяной насос

Использование давления в практических целях

Первым устройством, использующим атмосферное давление, был всасывающий водяной насос. Его изобрёл и описал древнегреческий механик Ктептизий в 1 веке до н.э. В те времена металлов ещё не было, и насосы изготавливались из дерева. Конечно, они часто ломались и были недолговечны. Но их успешно использовали для тушения пожаров. Позднее, когда началась промышленная революция, с помощью таких насосов стали откачивать воду из шахт и рудников. В наше время водяные насосы используются для подъёма воды из скважин и колодцев.

Самый простой всасывающий насос, как и шприц, также состоит из цилиндра, внутри которого движется плотно пригнанный к стенкам цилиндра поршень. Но в отличие от шприца, в самом поршне и в нижней части цилиндра имеются 2 клапана. Они открываются только вверх. Когда поршень поднимается вверх, воздух в цилиндре разрежается, давление понижается. Открывается нижний клапан, и вода под воздействием атмосферного давления устремляется вверх за поршнем. Когда поршень начинает двигаться вниз, вода давит на нижний клапан, и он закрывается. Но в это же время под давлением воды открывается клапан в самом поршне, разрешая воде заполнять пространство над ним. Когда поршень снова начнёт своё движение вверх, находящаяся в цилиндре над ним вода также будет подниматься и начнёт выливаться в трубу.

Воздушный насос

Использование давления в практических целях

Воздушный насос, которым мы накачиваем мяч или автомобильную шину, использует в своей работе сжатый воздух. Простейший воздушный насос похож на шприц. Конечно, его цилиндр и поршень отличается от аналогичных частей шприца размерами и материалом, из которого они изготовлены. Кроме того, такой насос имеет в корпусе 2 отверстия. Одно предназначено для забора воздуха, а в другое вставлен резиновый шланг с ниппелем на конце. Воздух попадает в корпус, когда поршень движется вверх. Опускаясь, поршень сжимает воздух и выталкивает его через ниппель в шину или мяч.

Ниппель - специальное приспособление, пропускающее воздух только в одну сторону. Он представляет собой тоненькую металлическую трубочку, в боковой поверхности которой есть маленькое отверстие. На это отверстие надевают резиновую трубочку, которая раздувается и пропускает воздух, подающийся из насоса под давлением. Обратно выйти трубочка воздуху не позволяет. Этот процесс мы наблюдаем, когда накачиваем простым ручным насосом колесо велосипеда. Если мы не поставим ниппель на шланг насоса, воздух тут же вырвется из колеса наружу.

Насос-компрессор

Использование давления в практических целях

Работает такой насос по такому же принципу, что и воздушный насос. Но поршень приводится в движение не вручную, а с помощью специального вращающегося маховика. Цилиндр в компрессоре расположен горизонтально, поршень движется влево-вправо. В цилиндре поставлена заслонка, в которой расположен клапан, открывающийся при движении поршня вправо. В этот момент воздух, сжатый поршнем, закачивается в шину или баллон. При движении влево открывается клапан в поршне и атмосферный воздух попадает в цилиндр.

Гидравлическая машина

Использование давления в практических целях

Устройства, действующие на основе законов о равновесии жидкостей, широко используются в современной технике. Они называются гидравлическими машинами.

Простейшая гидравлическая машина состоит из двух цилиндров, имеющих разные диаметры, соединённых между собой трубкой. Внутри каждого цилиндра движется поршень соответствующего диаметра. Цилиндры заполняют жидкостью. Так как они являются сообщающимися сосудами, то жидкости в них устанавливаются на одном уровне.

Предположим, площади поршней равны S1 и S2. На поршни соответственно действуют силы F1 и F2.

Давление под поршнем меньшей площади р1 = F1/S1. Давление под бóльшим поршнем р2 = F2/S2. Согласно закону Паскаля, давление жидкости передаётся одинаково по всем направлениям. Следовательно, р1 = р2, а F1/S1 = F2/S2. Отсюда следует, что F2/F1 = S2/S1.

На бóльший поршень действует сила во столько раз превышающая силу, действующую на меньший поршень, во сколько раз площадь бóльшего поршня больше площади меньшего.

Отношение F2/F1 называют выигрышем в силе.

Гидравлическая машина позволяет с помощью малой силы уравновесить большую.

Принцип работы гидравлической машины положен в основу работы гидравлического пресса. Такие прессы применяются там, где требуется сила большой величины, например, на маслобойных заводах при выжимке масла из семян, для изготовления деталей под большим давлением на металлургических производствах и др.

Тело, которое нужно сжать, кладут на платформу, соединённую с поршнем бóльшей площади. С помощью меньшего поршня создают давление, которое передаётся на бóльший поршень. Сила, воздействующая на него, многократно превосходит силу, приложенную к малому поршню. Под её действием поднимается платформа вместе со сжимаемым телом. Так как над ней закреплена ещё одна платформа, неподвижная, то тело упирается в неё и сдавливается.

Работа шлюзов

Использование давления в практических целях

На основе закона о сообщающихся сосудах устроена работа шлюзов. Чтобы перевести судно из одного водного пространства в другое, если у них разные уровни воды, делают обводной канал со шлюзом. Например, судну нужно обойти плотину ГЭС на реке. Естественно, уровни воды до плотины и после неё различаются.

Собственно, шлюз - это герметичная камера, которая соединяет две части водного канала. По обеим её сторонам расположены металлические щиты (ворота), которые открываются попеременно в зависимости от направления движения судна. Если судно поднимается по каналу, то для его захода в шлюзовую камеру открываются нижние ворота. После того как оно туда зашло, эти ворота закрывают. Уровень воды в камере с помощью перепускного клапана повышается до её уровня в следующем участке канала. После этого открываются другие ворота, и судно выходит из шлюза. Если судно нужно перевести на участок с более низким уровнем воды, то процесс происходит в обратном направлении.

Описанные выше примеры устройств, использующих в своей работе давление, очень просты по своей конструкции. Но принципы их работы положены в основу гораздо более сложных по своим функциональным возможностям приборов и аппаратов, которые успешно применяются практически во всех отраслях промышленности.