העיקרון של פסקל [מוסבר בקלות]

הפיזיקאי והמתמטיקאי הצרפתי בלז פסקל (1623-1662), תרם תרומות שונות בתורת ההסתברות, במתמטיקה ובהיסטוריה של הטבע. הידוע ביותר הוא העיקרון של פסקל בנושא התנהגות נוזלים.

ההנחה של פסקל זה פשוט למדי, קל להבנה ושימושי מאוד. באמצעות ניסויים, פסקל מגלה שהלחץ בנוזלים, במצב של מנוחה, מועבר בצורה אחידה לאורך כל הנפח ולכל הכיוונים.

הצהרתו של פסקל, בהתבסס על חקר הנוזלים, הוא משמש לעיצוב מגוון רחב של ציוד הידראולי כגון לחיצות, מעליות, בלמי רכב, בין היתר.

מושגי יסוד להבנת העקרון של פסקל

לחץ

הלחץ הוא היחס בין הכוח המופעל ליחידת שטח. הוא נמדד ביחידות כמו פסקל, בר, אטמוספירה, קילוגרמים לסנטימטר מרובע, psi (פאונד לאינץ 'מרובע), בין היתר. [1]

הלחץ הוא פרופורציונלי הפוך למשטח או לשטח המיושם: ככל שהאזור גדול יותר, פחות הלחץ, פחות השטח, הלחץ גדול יותר. לדוגמא, באיור 2 מופעל כוח של 10 N על מסמר שקצהו בעל שטח קטן מאוד, ואילו אותו כוח של 10 N מופעל על איזמל שקצהו גדול יותר מקצה הציפורן. מכיוון שלציפורן יש קצה קטן מאוד, כל הכוח מופעל על קצהו, תוך שהוא מפעיל עליו לחץ גדול, בעוד שבאיזמל השטח הגדול יותר מאפשר לחלק את הכוח יותר, ויוצר פחות לחץ.

ניתן לראות השפעה זו גם בחול או בשלג. אם אישה נועלת נעל ספורט או נעל עקב קטנה מאוד, עם נעל עקב דקה מאוד היא נוטה לשקוע עוד מכיוון שכל משקלה מרוכז באזור קטן מאוד (העקב).

לחץ הידרוסטטי

זהו הלחץ שמפעיל נוזל במנוחה על כל אחד מקירות המיכל המכיל את הנוזל. הסיבה לכך היא שהנוזל מקבל את צורת המיכל וזה במצב מנוחה, וכתוצאה מכך, קורה שכוח אחיד פועל על כל אחד מהקירות.

נוזלים

חומר יכול להיות במצב מוצק, נוזלי, גזי או פלזמי. חומר במצב מוצק הוא בעל צורה ונפח מוגדרים. לנוזלים יש נפח מוגדר, אך לא צורה מוגדרת, המאמצים את צורת המיכל המכיל אותם, ואילו לגזים אין נפח מוגדר וגם לא צורה מוגדרת.

נוזלים וגזים נחשבים ל"נוזלים ", מכיוון שבמולקולות אלה מוחזקים כוחות מגובשים חלשים, כאשר הם נתונים לכוחות משיקים שהם נוטים לזרום, והם נעים במיכל המכיל אותם. נוזלים הם מערכות הנמצאות בתנועה מתמדת.

מוצקים מעבירים את הכוח המופעל עליו, בעוד שבנוזלים ובגזים מועבר לחץ.

עקרון פסקל

הפיזיקאי והמתמטיקאי הצרפתי בלייז פסקל, תרם תרומות שונות בתורת ההסתברות, במתמטיקה ובהיסטוריה של הטבע. הידוע ביותר הוא העיקרון הנושא את שמו בהתנהגות הנוזלים. [2]

הצהרת עקרון פסקל

העיקרון של פסקל קובע כי הלחץ המופעל בכל מקום בנוזל סגור ובלתי נדחס מועבר באופן שווה לכל הכיוונים בכל הנוזל, כלומר הלחץ בכל הנוזל הוא קבוע. [3].

דוגמה לעיקרון של פסקל ניתן לראות באיור 3. חורים נוצרו במיכל וכוסו בפקקים, ואז מלאו במים (נוזל) והונח מכסה. כאשר מופעל כוח על מכסה המיכל, מוצג לחץ במים השווה לכל הכיוונים, מה שגורם לכל הפקקים שהיו בחורים לצאת.

אחד הניסויים הידועים ביותר שלו היה המזרק של פסקל. המזרק התמלא בנוזל וחובר לצינורות, כאשר הופעל לחץ על הבוכנה של המזרק, הנוזל עלה לאותו גובה בכל אחת מהצינורות. כך נמצא כי עליית הלחץ של נוזל שנמצא במנוחה מועברת באופן אחיד לאורך כל הנפח ולכל הכיוונים. [4].

יישומי עיקרון הפסקאל

היישומים של העיקרון של פסקל ניתן לראות אותם בחיי היומיום במכשירים הידראוליים רבים כגון מכבשים הידראוליים, מנופים, בלמים ושקעים.

לחץ הידראולי

המכבש ההידראולי זהו מכשיר המאפשר להגביר כוחות. עקרון ההפעלה, המבוסס על עקרון פסקל, משמש במכבשים, מעליות, בלמים ובמגוון רחב של מכשירים הידראוליים.

הוא מורכב משני צילינדרים, מאזורים שונים, מלאים בשמן (או נוזל אחר) ומתוקשרים זה עם זה. יש גם שתי בוכנות או בוכנות שמתאימות לצילינדרים, כך שהן במגע עם הנוזל. [5].

דוגמה למכבש הידראולי מוצגת באיור 4. כאשר מופעל כוח F1 על הבוכנה של שטח קטן יותר A1, נוצר לחץ בנוזל המועבר באופן מיידי בתוך הגלילים. בבוכנה עם שטח גדול יותר A2, מנוסה כוח F2, גדול בהרבה מזה המופעל, שתלוי ביחסי האזורים A2 / A1.

תרגיל 1. כדי להרים מכונית, אתה רוצה לבנות שקע הידראולי. איזה קשר חייבים להיות בקטרים ​​של בוכנות האילן ההידראוליות על ידי הפעלת כוח של 100 N הוא יכול להרים מכונית של 2500 ק"ג על הבוכנה הגדולה יותר? ראה איור 5.

פתרון

בשקעים הידראוליים, העיקרון של פסקל מתקיים, כאשר לחץ השמן בתוך השקע ההידראולי זהה, אך הכוחות "מתרבה" כאשר לבוכנות יש אזורים שונים. לקביעת יחס השטח של בוכנות הג'ק ההידראוליות:

• בהתחשב במסת המכונית, 2.500 ק"ג, שיש להרים, משקל המכונית נקבע על פי החוק השני של ניוטון. [6]

אנו מזמינים אתכם לראות את המאמר חוקי ניוטון "קלים להבנה"

• העיקרון של פסקל מוחל, ומשווה את הלחצים בבוכנות.
• יחס האזור של הבוכנות מנוקה והערכים מוחלפים. ראה איור 6.

אזורי הבוכנה צריכים להיות בעלי יחס של 24,52, למשל, אם יש לך בוכנה קטנה ברדיוס של 3 ס"מ (שטח A₁= 28,27 ס"מ²), הבוכנה הגדולה צריכה להיות ברדיוס של 14,8 ס"מ (שטח A₂= 693,18 ס"מ²).

מעלית הידראולית

מעלית הידראולית היא מכשיר מכני המשמש להרמת חפצים כבדים. מעליות הידראוליות משמשות בחנויות אוטומטיות רבות לביצוע תיקונים מתחת לרכב.

הפעלת מעליות הידראוליות מבוססת על העיקרון של פסקל. מעליות בדרך כלל משתמשות בשמן להעברת לחץ לבוכנות. מנוע חשמלי מפעיל משאבה הידראולית המפעילה לחץ על הבוכנה עם האזור הקטן ביותר. בבוכנה עם השטח הגדול ביותר, הכוח "מוכפל", ויכול להרים את הרכבים לתיקון. ראה איור 7.

תרגיל 2. מצא את העומס המרבי שניתן להרים באמצעות מעלית הידראולית ששטחה של הבוכנה הקטנה ביותר הוא 28 ס"מ, וזה של הבוכנה הגדולה ביותר הוא 2 ס"מ, כאשר הכוח המרבי שניתן להפעיל הוא 1520 נ '. הספרה 2.

פתרון:

מכיוון שעקרונו של פסקל מתגשם במרימים הידראוליים, הלחצים על הבוכנות יהיו שווים, וכך לדעת את הכוח המרבי שניתן להפעיל על הבוכנה הקטנה יותר, מחושב הכוח המרבי שיופעל על הבוכנה הגדולה (F2), מוצג באיור 9.

בידיעת המשקל המרבי (F2) שניתן להרים, נקבעת המסה באמצעות החוק השני של ניוטון [6], וכך ניתן להרים כלי רכב במשקל של עד 2766,85 ק"ג. ראה איור 10. על פי הטבלה באיור 8, ממסות הרכב הממוצעות, המעלית תוכל להרים רק מכוניות קומפקטיות עם מסה ממוצעת של 2.500 ק"ג.

בלמים הידראוליים

בלמים משמשים לרכבים כדי להאט אותם או לעצור אותם לחלוטין. באופן כללי, לבלמים הידראוליים יש מנגנון כמו זה שמוצג באיור. לחיצה על דוושת הבלם מפעילה כוח המועבר לבוכנת שטח קטנה. הכוח המופעל יוצר לחץ בתוך נוזל הבלמים. [7].

בנוזל הלחץ מועבר לכל הכיוונים, עד לבוכנה שנייה בה מוגבר הכוח. הבוכנה פועלת על דיסקים או תופים כדי לבלום את צמיגי הרכב.

מסקנות

העיקרון של פסקל קובע כי, לנוזלים שאינם דחוסים במנוחה, הלחץ קבוע בכל הנוזל. הלחץ המופעל בכל מקום בנוזל הסגור מועבר באופן שווה לכל הכיוונים והכיוונים.

בין היישומים של העיקרון של פסקל ישנם ציוד הידראולי רב כגון לחיצות, מעליות, בלמים ושקעים, מכשירים המאפשרים הגברת כוחות, על פי יחס אזורים בבוכנות המכשיר.

אל תפסיק לסקור באתר שלנו את חוק ניוטון, עקרונות תרמודינמיים, העיקרון של ברנולי בין היתר מאוד מעניין.

רפואה

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]