Zasada Pascala [łatwo wyjaśnić]
Francuski fizyk i matematyk Blaise Pascal (1623-1662) wniósł różnorodny wkład do teorii prawdopodobieństwa, matematyki i historii naturalnej. Najbardziej znana jest zasada Pascala dotycząca zachowania płynów.
Postulat Pascala jest dość prosty, łatwy do zrozumienia i bardzo użyteczny. Dzięki eksperymentom Pascal odkrył, że ciśnienie cieczy w stanie spoczynku jest przenoszone równomiernie w całej objętości i we wszystkich kierunkach.
oświadczenie Pascala, W oparciu o badania płynów służy do projektowania szerokiej gamy urządzeń hydraulicznych, takich jak między innymi prasy, windy, hamulce samochodowe.
Podstawowe pojęcia do zrozumienia zasady Pascala
Ciśnienie
Presja to stosunek przyłożonej siły na jednostkę powierzchni. Jest mierzony między innymi w jednostkach takich jak Pascal, bar, atmosfera, kilogramy na centymetr kwadratowy, psi (funt na cal kwadratowy). [1]
Presja jest odwrotnie proporcjonalna do zastosowanej powierzchni lub obszaru: im większa powierzchnia, tym mniejsze ciśnienie, im mniejsza powierzchnia, tym większe ciśnienie. Na przykład na fig. 2 siła 10 N jest przyłożona do gwoździa, którego czubek ma bardzo małą powierzchnię, podczas gdy ta sama siła 10 N jest przyłożona do dłuta, którego czubek ma większą powierzchnię niż czubek gwoździa. Ponieważ gwóźdź ma bardzo mały czubek, cała siła jest przykładana do jego czubka, wywierając na niego duży nacisk, podczas gdy w dłuto większa powierzchnia pozwala na większe rozłożenie siły, generując mniejszy nacisk.
Efekt ten można również zaobserwować na piasku lub śniegu. Jeśli kobieta nosi obuwie sportowe lub bardzo mały but na obcasie, w przypadku buta na bardzo cienkim obcasie ma on tendencję do większego tonięcia, ponieważ cały jego ciężar jest skoncentrowany na bardzo małym obszarze (pięcie).
Ciśnienie hydrostatyczne
Jest to ciśnienie wywierane przez płyn w spoczynku na każdą ze ścian pojemnika zawierającego płyn. Dzieje się tak dlatego, że ciecz przybiera kształt pojemnika i jest w stanie spoczynku, w konsekwencji zdarza się, że na każdą ze ścian działa jednakowa siła.
Płyny
Materia może być w stanie stałym, ciekłym, gazowym lub plazmowym. Materia w stanie stałym ma określony kształt i objętość. Ciecze mają określoną objętość, ale nie mają określonego kształtu, przyjmując kształt pojemnika, który je zawiera, natomiast gazy nie mają określonej objętości ani określonego kształtu.
Ciecze i gazy są uważane za „płyny”, ponieważ w nich cząsteczki są utrzymywane razem przez słabe siły kohezyjne, gdy są poddawane siłom stycznym, mają tendencję do płynięcia, poruszając się w pojemniku, który je zawiera. Płyny to systemy będące w ciągłym ruchu.
Ciała stałe przenoszą wywieraną na nie siłę, podczas gdy w cieczach i gazach przenoszone jest ciśnienie.
ZASADA PASCALA
Francuski fizyk i matematyk Blaise Pascal wniósł różny wkład w teorię prawdopodobieństwa, matematykę i historię naturalną. Najbardziej znana jest zasada, która nosi jego imię na zachowaniu płynów. [2]
Stwierdzenie zasady Pascala
Zasada Pascala stwierdza, że ciśnienie wywierane w dowolnym miejscu w zamkniętym i nieściśliwym płynie jest przenoszone równomiernie we wszystkich kierunkach w płynie, to znaczy ciśnienie w płynie jest stałe. [3].
Przykład zasady Pascala można zobaczyć na rysunku 3. Otwory zrobiono w pojemniku i zakorkowano, a następnie napełniono wodą (płynem) i nałożono pokrywkę. Poprzez przyłożenie siły do wieczka pojemnika, ciśnienie w wodzie jest jednakowe we wszystkich kierunkach, powodując, że wszystkie korki, które znajdowały się w otworach, wyjdą na zewnątrz.
Jednym z jego najbardziej znanych eksperymentów był eksperyment ze strzykawką Pascala. Strzykawka została napełniona płynem i połączona z kilkoma rurkami, gdy wywierano nacisk na tłok strzykawki, ciecz w każdej z rurek unosiła się na tę samą wysokość. Stwierdzono zatem, że wzrost ciśnienia cieczy w spoczynku jest przenoszony równomiernie w całej objętości i we wszystkich kierunkach. [4].
ZASTOSOWANIA ZASADY PASCALA
Zastosowania Zasada Pascala Można je zobaczyć w życiu codziennym w licznych urządzeniach hydraulicznych, takich jak prasy hydrauliczne, wciągniki, hamulce i podnośniki.
Prasa hydrauliczna
Prasa hydrauliczna to urządzenie pozwalające na wzmocnienie sił. Zasada działania, oparta na zasadzie Pascala, jest stosowana w prasach, windach, hamulcach oraz w szerokiej gamie urządzeń hydraulicznych.
Składa się z dwóch cylindrów o różnych obszarach, wypełnionych olejem (lub inną cieczą) i połączonych ze sobą. Istnieją również dwa nurniki lub tłoki, które pasują do cylindrów, dzięki czemu stykają się z płynem. [5].
Przykład prasy hydraulicznej pokazano na rysunku 4. Kiedy siła F1 zostanie przyłożona do tłoka o mniejszej powierzchni A1, w cieczy powstaje ciśnienie, które jest natychmiast przenoszone do wnętrza cylindrów. W tłoku o większej powierzchni A2 działa siła F2, znacznie większa niż przyłożona, która zależy od stosunków powierzchni A2/A1.
Ćwiczenie 1. Aby podnieść samochód, chcesz zbudować podnośnik hydrauliczny. Jaką zależność muszą mieć średnice tłoków siłownika hydraulicznego, aby przyłożenie siły 100 N mogło podnieść samochód o wadze 2500 kg na większy tłok? Patrz rysunek 5.
Rozwiązanie
W podnośnikach hydraulicznych spełniona jest zasada Pascala, gdzie ciśnienie oleju wewnątrz podnośnika hydraulicznego jest takie samo, ale siły są „zwielokrotnione”, gdy tłoki mają różne powierzchnie. Aby określić stosunek powierzchni tłoków podnośnika hydraulicznego:
- Biorąc pod uwagę masę samochodu, 2.500 kg, którą chcesz podnieść, możesz określić masę samochodu za pomocą drugiego prawa Newtona. [6]
Zapraszamy do zapoznania się z artykułem Prawa Newtona „łatwe do zrozumienia”
- Zastosowano zasadę Pascala, wyrównując ciśnienia w tłokach.
- Relacja powierzchni nurników jest wyczyszczona, a wartości zastąpione. Patrz rysunek 6.
Obszary tłoka powinny mieć stosunek 24,52, na przykład, jeśli masz mały tłok o promieniu 3 cm (obszar A1= 28,27 cm2), duży tłok powinien mieć promień 14,8 cm (obszar A2= 693,18 cm2).
Winda hydrauliczna
Podnośnik hydrauliczny to urządzenie mechaniczne służące do podnoszenia ciężkich przedmiotów. Podnośniki hydrauliczne są używane w wielu warsztatach samochodowych do wykonywania napraw pod pojazdami.
Działanie podnośników hydraulicznych opiera się na zasadzie Pascala. Windy zazwyczaj wykorzystują olej do przenoszenia ciśnienia na tłoki. Silnik elektryczny uruchamia pompę hydrauliczną, która wywiera nacisk na tłok o najmniejszej powierzchni. W tłoku o największej powierzchni siła jest „zwielokrotniana”, umożliwiając podnoszenie naprawianych pojazdów. Patrz rysunek 7.
Ćwiczenie 2. Znajdź maksymalne obciążenie, jakie można podnieść podnośnikiem hydraulicznym, którego powierzchnia najmniejszego tłoka wynosi 28 cm2, a największego 1520 cm2, gdy maksymalna siła, jaką można przyłożyć wynosi 500 N. Zobacz Cyfra 8.
rozwiązanie:
Ponieważ zasada Pascala jest spełniona w podnośnikach hydraulicznych, ciśnienia na tłoki będą równe, a zatem znając maksymalną siłę, która może być przyłożona do mniejszego tłoka, obliczana jest maksymalna siła, która będzie wywierana na duży tłok (F2), jak pokazano na rysunku 9.
Znając maksymalną masę (F2), jaką można podnieść, masę określa się zgodnie z drugą zasadą Newtona [6], dzięki czemu można podnosić pojazdy o masie do 2766,85 kg. Patrz rysunek 10. Zgodnie z tabelą na rysunku 8, przedstawiającą średnie masy pojazdów, podnośnik będzie w stanie podnosić tylko samochody kompaktowe o średniej masie 2.500 kg.
Hamulce hydrauliczne
Hamulce są używane w pojazdach, aby je spowolnić lub całkowicie je zatrzymać. Ogólnie hamulce hydrauliczne mają mechanizm podobny do pokazanego na rysunku. Naciśnięcie pedału hamulca powoduje zastosowanie siły, która jest przenoszona na tłok o małej powierzchni. Przyłożona siła wytwarza ciśnienie wewnątrz płynu hamulcowego. [7].
W cieczy ciśnienie przenoszone jest we wszystkich kierunkach, aż do drugiego tłoka, gdzie siła jest wzmacniana. Tłok działa na tarcze lub bębny, hamując opony pojazdu.
WNIOSKI
Zasada Pascala stwierdza, że dla nieściśliwych płynów w spoczynku ciśnienie jest stałe w całym płynie. Ciśnienie wywierane w dowolnym miejscu w zamkniętym płynie jest przenoszone równomiernie we wszystkich kierunkach i kierunkach.
Wśród zastosowań Zasada Pascala Istnieje wiele urządzeń hydraulicznych, takich jak prasy, windy, hamulce i podnośniki, urządzenia pozwalające na wzmocnienie sił, zgodnie z relacją powierzchni w nurnikach urządzenia.
Nie przestawaj przeglądać na naszej stronie internetowej Prawo Newtona, Zasady termodynamiczne, Zasada Bernoulliego między innymi bardzo ciekawe.