Индивидуальный исследовательский проект по физике на тему "Основы и принципы гидравлики и где она применяется" представляет собой рассмотрение учеником 9 класса значения понятия "гидравлика", ее принципов, а также изучение на практике работы гидравлической системы.

Автор готовой исследовательской работы (проекта) по физике на тему "Основы и принципы гидравлики и где она применяется" приходит к выводу о том, что гидравлика повсеместно используется в производстве бытовых вещей, а гидравлические прессы мало затратны в производстве, но при этом они - одни из самых мощных прессов сейчас.

Оглавление

Введение

1. История гидравлики
2. Принципы гидравлики
3. Что такое давление?
4. Давление в сжатой жидкости
5. Преобразование энергии гидравлического рычага
6. Что такое поток?
7. Давление и сила
8. Где применяется гидравлика?

Заключение
Список использованной литературы

Гидравлика в наши дни прочно укоренилась в различных машинах и механизмах. Гидросистемы нашли широкое распространение в станочной технике, манипуляторах, подъемных устройствах, дорожной технике, автотранспорте, в механизмах летательных аппаратов, водного транспорта и т.д.

Повсеместное применение гидравлических систем взамен систем механических приводов обусловлено прежде всего простотой преобразования вращательного движения гидронасоса в поступательное (линейное) или вращательное движение исполнительного гидродвигателя.

Целью данного проекта является изучение гидравлической системы на практике.

Задачи:

• Узнать, как работает гидравлическая система на практике
• Обобщить, систематизировать отобранный материал
• Выполнить творческую работу - действующую модель гидравлической системы

Гидра́влика (др.-греч. ὑδραυλικός — водяной; от др.-греч. ὕδωρ — вода + др.-греч. αὐλός — трубка) — прикладная наука о законах движения, равновесии жидкостей и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики.

Некоторые принципы гидростатики были установлены ещё Архимедом, возникновение гидродинамики также относится к античному периоду, однако формирование гидравлики как науки начинается с середины XV века, когда Леонардо да Винчи лабораторными опытами положил начало экспериментальному методу в гидравлике. В XVI—XVII веках С. Стевин, Г. Галилей и Б. Паскаль разработали основы гидростатики как науки, а Э. Торричелли дал известную формулу для скорости жидкости, вытекающей из отверстия.

В дальнейшем И. Ньютон высказал основные положения о внутреннем трении в жидкостях. В XVIII веке Д. Бернулли и Л. Эйлер разработали общие уравнения движения идеальной жидкости, послужившие основой для дальнейшего развития гидромеханики и гидравлики.

Особо заслуживают упоминания, исследования Н. Е. Жуковского, из которых для гидравлики наибольшее значение имели работы о гидравлическом ударе и о движении грунтовых вод.

В XX веке быстрый рост гидротехники, теплоэнергетики, гидромашиностроения, а также авиационной техники привёл к интенсивному развитию гидравлики. Большой вклад в развитие науки сделали советские учёные — Н. Н. Павловский, Л. С. Лейбензон, М. А. Великанова и др.

Практическое значение гидравлики возросло в связи с потребностями современной техники в решении вопросов транспортирования жидкостей и газов различного назначения и использования их для разнообразных целей.

Если ранее в гидравлике изучалась лишь одна жидкость — вода, то в современных условиях всё большее внимание уделяется изучению закономерностей движения вязких жидкостей (нефти и её продуктов), газов, неоднородных и т. н. неньютоновских жидкостей. Меняются и методы исследования и решения гидравлических задач. Постепенно гидравлика превращается в один из прикладных разделов общей науки о движении жидкостей — механики жидкости.

Назначение давления и потока. При изучении основ гидравлики были использованы следующие термины: сила, передача энергии, работа и мощность. Эти термины используются при описании взаимоотношения давления и потока. Давление и поток - два основных параметра каждой гидравлической системы.

Давление и поток взаимосвязаны, но выполняют разную работу. Давление сжимает или прикладывает усилие. Поток двигает предметы Водяной пистолет является хорошим примером давления и потока в применении. Нажатие на спусковой крючок создаёт давление внутри водяного пистолета. Вода под давлением вылетает из водяного пистолета и таким образом сбивает деревянного солдатика.

Давайте подумаем, как и почему создаётся давление. Текучая среда (газ и жидкость) стремится к расширению или происходит сопротивление при их сжатии. Это и есть давление. Когда вы накачиваете шину, вы создаёте в шине давление. Вы закачиваете в шину воздух больше и больше. Когда шина полностью наполнена воздухом, происходит нажатие на стенки шины.

Такое нажатие является видом давления. Воздух является видом газа и может быть сжат. Сжатый воздух давит на стенки шины с одинаковой силой в каждой точке. Жидкость находится под давлением. Основное отличие состоит в том, что газы могут сжиматься в большей степени, чем жидкости.

Если вы нажмёте на сжатую жидкость, возникнет давление. Так же как и в случае с шиной, давление одинаково в каждой точке бочки, содержащей жидкость. Если давление слишком велико, бочка может сломаться. Бочка сломается в слабом месте, а не там, где больше давление, потому что давление одинаково в каждой точке.

Сжатая жидкость удобна при передаче силы по трубам, на изгибе, вверх, вниз, потому что жидкости почти несжимаемы и передача энергии происходит немедленно. Многие гидравлические системы используют масло. Это потому, что масло почти не сжимается. В тоже время, масло может использовать в качестве смазки.

Закон Паскаля: Давление, производимое внешними силами на поверхность жидкости или газа, передаётся по всем направлениям без изменения.

По закону Паскаля, отношение между давлением и силой выражается формулами: P = F/A F = P × S, где P – давление, F – сила, S – площадь Гидравлический рычаг На модели поршня, показанной на рисунке ниже, можно увидеть пример уравновешивания различного веса через гидравлический рычаг.

Паскаль открыл, как видно на этом примере, что малый вес малого поршня уравновешивает большой вес большого поршня, доказывая, что площадь поршня пропорционально весу. Это открытие применительно к сжимаемой жидкости. Причина, почему это возможно, это то, что жидкость всегда действует с равной силой на равную площадь.

На рисунке изображён груз 2 кг и груз 100 кг. Площадь одного груза, весом 2 кг – 1см², давление составляет 2 кг/см². Площадь другого груза, весом 100 кг – 50 см², давление составляет 2 кг/см². Два веса уравновешивают друг друга.

Механический рычаг Та же ситуация может быть проиллюстрирована на примере механического рычага на рисунке ниже. Кот весом 1 кг сидит на расстоянии 5 метров от центра тяжести рычага и уравновешивает кота весом 5 кг на расстоянии 1 метра от центра тяжести, подобно грузу на примере гидравлического рычага.

Важно помнить, что жидкость действует равной силой на равную площадь. При работе это очень сильно помогает. Имеется два цилиндра одинакового размера. Когда мы нажимаем на один поршень с усилием 10 кг, другой поршень выдавливается с усилием 10 кг, потому что площадь каждого цилиндра одинаковая. Если площади разные, силы тоже разные.

Например, допустим, что большой поршень имеет площадь 50 см², а маленький поршень имеет площадь 1 см², при усилии в 10 кг на маленький поршень происходит воздействие 10 кг/см² на каждую часть большого клапана согласно закона Паскаля, поэтому большой поршень получает общую силу 500 кг. Мы используем давление для передачи энергии и выполнения работы.

Имеется важный пункт при преобразовании энергии, а именно, отношение между силой и расстоянием. Вспомни, на механическом рычаге, малый вес требует длинный рычаг для достижения равновесия. Для того, чтобы поднять кота весом 5 кг на 10 см, кот весом 1 кг должен опустить рычаг на 50 см вниз.

Давайте посмотрим на рисунок гидравлического рычага снова и подумаем о ходе малого поршня. Ход малого поршня 50 см необходим для передачи достаточного количества жидкости для передвижения поршня большого цилиндра на 1 см.

При разнице давления в двух точках гидравлической системы, жидкость стремится к точке с наименьшим давлением. Такое движение жидкости называется потоком. Вода в городском водопроводе создаёт давление. Когда мы поворачиваем кран, то за счёт разности давления из крана течёт вода.
В гидравлической системе поток создаёт насос. Насос создаёт непрерывный поток.

Скорость и величина потока используются для измерения потока.
Скорость показывает расстояние, пройденное за определённый промежуток времени.
Величина потока показывает, сколько жидкости протекает через определённую точку за данный момент времени.

Величина потока и скорость
В гидравлическом цилиндре легко рассмотреть отношение между величиной потока и скоростью.
Во-первых, мы должны подумать об объёме цилиндра, который мы должны заполнить и затем подумать о ходе поршня.

На рисунке показан цилиндр А длинной 2 метра и объёмом 10 литров и цилиндр В длинной 1 метр и объёмом 10 литров. Если закачать 10 литров жидкости в минуту в каждый цилиндр, полный ход обоих поршней длится 1 минуту. Поршень цилиндра А двигается в два раза быстрее, чем цилиндра В. Это происходит потому, что поршень должен пройти расстояние в два раза больше за один и тот же промежуток времени.

Это значит, что цилиндр с меньшим диаметром двигается быстрее, чем цилиндр с большим диаметром при одинаковой скорости потока для обоих цилиндров. Если мы увеличим скорость потока до 20 л/мин, обе камеры цилиндра наполнятся в два раза быстрее. Скорость поршня должна увеличиться в два раза.

Таким образом, мы имеем два пути увеличения скорости цилиндра. Один путём уменьшения размера цилиндра и другой за счёт увеличения скорости потока. Скорость цилиндра, таким образом, пропорциональна скорости потока и обратно пропорционально площади поршня.

Если вы надавите на пробку в бочке, заполненную жидкостью, пробка будет остановлена жидкостью. При нажатии, жидкость под давлением давит на стенки бочки. При чрезмерном нажатии возможен разрыв бочки.

Путь наименьшего сопротивления.
Если имеется бочка с водой и отверстием. При нажатии на крышку сверху, вода вытекает из отверстия. Вода, проходя через отверстие, не встречает сопротивления.
Когда сила прикладывается к сжатой жидкости, жидкость ищет путь наименьшего сопротивления.
Естественное давление.

Мы разговаривали про давление и поток, но часто давление существует без потока. Сила тяжести является хорошим примером. Если мы имеем три взаимосвязанных резервуара разного уровня, как показано на рисунке, сила тяжести сохраняет жидкости во всех резервуарах на одном уровне. Это другой принцип, который мы можем использовать в гидравлической системе.

Масса жидкости
Масса жидкости также создаёт давление. В, который ныряет в море, скажет, что он не может нырять слишком глубоко. Если дайвер опустится слишком глубоко, давление раздавит его. Это давление создаётся массой воды. Таким образом, мы имеем вид давления, которое появляется самостоятельно от веса воды.

Давление возрастает пропорционально глубине и мы можем точно измерить давление на глубине. На рисунке изображена квадратная колонна с водой высотой 10 метров. Известно, что один кубический метр воды весит 1000 кг.

При увеличении высоты колонны до 10 метров, вес колонны увеличится до 10000 кг. На дне образуется один квадратный метр. Таким образом вес распределяется на 10000 квадратных сантиметров. Если мы разделим 10000 кг на 10000 квадратных сантиметров, то получится, что давление на этой глубине составляет 1 кг на 1 квадратный сантиметр.

Что вызывает давление?
Когда давление смешивается с потоком, мы имеем гидравлическую силу. Откуда поступает давление в гидравлическую систему. Часть - это результат силы тяжести, но откуда берётся остальное давление.

Нагрузка создает давление. Большая часть давления появляется от воздействия нагрузки. На рисунке ниже, насос подаёт масло непрерывно. Масло из насоса находит путь наименьшего сопротивления и направляется через шланг к рабочему цилиндру. Вес нагрузки создаёт давление, величина которого зависит от веса.

Сфера промышленного применения гидравлики и пневматики в современном мире очень широка и разнообразна. Здесь и металлургическое производство, и строительство, и многое-многое другое. Давайте рассмотрим лишь несколько примеров нынешнего внедрения столь простой, как может показаться на первый взгляд, технологии.

Металлургическое производство целиком стоит на гидравлике. Здесь всюду используются гидравлические подъемники, поворотные узлы, краны, манипуляторы, подъемно-качающие столы, желоба, системы регулирования валков прокатных станов, транспортные и сортировочные устройства.
Гидравлика — неотъемлемый атрибут металлорежущих станков.

Гидропривод позволяет выполнять точные операции при высокой мощности станка. Дает высокую производительность при небольших габаритах и оптимальной массе.

Не обойтись без гидропривода и в мощных кузнечно-прессовых механизмах. Кузнечный пресс, например, использует в своей работе силу сжатия до 120000 кгс, что просто недостижимо без использования гидравлики.

Старые автомобильные кузова прессуют в пакеты и режут при помощи специального гидравлического устройства. Здесь загрузка, вертикальное и горизонтальное сжатие, выталкивание на конвейер и погрузка готовых пакетов выполняются только благодаря гидравлическим устройствам.

Изделия пластика: бутылки, корпуса бытовой техники, различные предметы интерьера и т.д., - создаются тысячами лишь благодаря литью под давлением, которое осуществимо только с помощью гидравлического привода.

Нельзя не упомянуть и современную строительную технику. Высокая удельная мощность, так необходимая здесь, достигается только при помощи гидравлики. Яркий пример такой техники — гидравлический экскаватор.

Краны, применяемые при поведении погрузочно-разгрузочных работ на строительных площадках и особенно в портах, должны выполнять все операции очень быстро и точно. Эти краны используют гидравлику, в результате чего достигают высокой подвижности стрелы и надлежащей скорости вращения несущей рамы, способны быстро выполнять подъем.

Промышленные роботы — особая область применения гидравлического привода. Данные роботы с успехом выполняют покраску и сварку, например в ходе автоматизированной сборки автомобилей. На заводах такие роботы обслуживают прессы, металлорежущие станки, кузнечные молоты и т.п.

В ходе индивидуального исследовательского проекта по физике на тему "Основы и принципы гидравлики и где она применяется" учащийся определил, что Гидравлика – неотъемлемая часть нашей жизни, она обильно используется в производстве множества бытовых вещей, гидравлические прессы не очень затратны в производстве, но при том, несмотря на свою старость, они – одни из самых мощных прессов доступных сейчас человечеству.
Гидравлика, это не просто технология, это целая наука.

1. Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика. — М.: Стройиздат, 1972.
2. Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика. — М., 1965.
3. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М. — Л., 1960.
4. Киселев П, Г. Справочник по гидравлическим расчетам. 3-е изд. — М. — Л., 1961.
5. Чугаев Р. Р. Гидравлика. — М. — Л., 1970.
6. Чугаев Р. С. Гидравлика. — М.: Госэнергоиздат, 1970.
7. Пашков Н. Н., Долгачев Ф. М. Гидравлика. Основы гидрологии. — М., 1977.