הבנת חוק פסקל
כיצד פועל מגבה/מעלית הידראולית כאשר משתמשים בה להרמת מכונית? כיצד פועלים בלמים הידראוליים כאשר משתמשים בהם להאטת מכונית?
כפי שלמדנו בנושא לחץ נוזלים , כל נוזל מפעיל לחץ על כל החפצים שהוא בא איתם במגע. מים שאנו שמים בכוס מפעילים לחץ על דפנות הזכוכית. באופן דומה, כשאנו מתרחצים בבריכת שחייה או במי ים, המים מפעילים לחץ על כל גופנו.
לחץ המים הכולל בעומק נתון, לדוגמה, לחץ מי ים בעומק של 200 מטרים, הוא סכום הלחץ האטמוספרי המופעל על פני הים והלחץ הנמדד בעומק של 200 מטרים. לכן, בנוסף לשכבת המים העליונה המפעילה לחץ על המים שמתחתיה, ישנה גם האטמוספירה, או האוויר, המפעילה לחץ על פני הים.
את הלחץ שמפעילה שכבת הנוזל שמעליה ניתן לתאר כלחץ פנימי מכיוון שמקורו בתוך הנוזל, בעוד שלחץ אטמוספרי ניתן לתאר כלחץ חיצוני מכיוון שהאטמוספרה נפרדת מהנוזל. לחץ אטמוספרי פועל על כל פני השטח של הנוזל ומועבר לכל אורך הנוזל. לכן, לחץ הנוזל הכולל בעומק נתון מושפע לא רק מלחץ שכבת הנוזל שמעליה אלא גם מלחץ אטמוספרי.
כדי להבין טוב יותר את ההסבר הזה, בואו נסתכל על נוזל במיכל.
לחץ הנוזל בתחתית המיכל גדול באופן טבעי מלחץ הנוזל שמעליו. ככל שיורדים נמוך יותר, כך לחץ הנוזל גדול יותר; לעומת זאת, ככל שמתקרבים לראש המיכל, כך לחץ הנוזל יורד.
גודל הלחץ פרופורציונלי ל-ρ gh (ρ = צפיפות, g = תאוצת כוח הכבידה ו-h = גובה או עומק). בכל נקודה באותו עומק, גודל הלחץ זהה. זה חל על כל הנוזלים בכל מיכל ואינו תלוי בצורת המיכל.
אם נפעיל לחץ חיצוני, למשל על ידי לחיצה על פני השטח של נוזל, העלייה בלחץ בתוך הנוזל זהה בכל מקום. לכן, כאשר מפעילים לחץ חיצוני, כל חלק בנוזל מקבל את אותו נתח לחץ. לכן, הלחץ תמיד זהה בכל נקודה באותו עומק. זהו עקרון פסקל, שהוצע ונקרא על שם מייסדו, בלז פסקל (1623–1662). פסקל היה פילוסוף ומדען צרפתי.
עקרון פסקל קובע כי לחץ המופעל על נוזל במיכל סגור יועבר באופן שווה לכל חלקי הנוזל ולדפנות המיכל.
מבחינה מתמטית ניתן לכתוב זאת כך:
מידע:
p = לחץ, F = כוח, A = שטח פנים
המילה "פנים" מייצגת את הלחץ המופעל, בעוד המילה "חוצה" מייצגת את הלחץ המועבר הלאה.
יישום עקרון פסקל
בהנחיית עקרון פסקל, פיתחו בני אדם מספר כלים, פשוטים ומתוחכמים כאחד, כדי להקל על החיים. חלקם כוללים מגבהים הידראוליים, מעליות הידראוליות, בלמים הידראוליים ועוד.
ג'ק הידראולי או הרמה
כיצד פועל מגבה או מעלית הידראולית מוצג בתמונה.
מגבה הידראולי מורכב מכלי בעל שני משטחים. על שני המשטחים נמצאת בוכנה, כאשר שטח הפנים של הבוכנה משמאל קטן משטח הפנים של הבוכנה מימין. שטח הפנים של הבוכנה מותאם לשטח הפנים של הכלי. הכלי מלא בנוזל, כגון חומר סיכה.
אם הבוכנה, בעלת שטח פנים קטן, נדחפת כלפי מטה, אז כל חלק מהנוזל גם הולך איתה.
לחוץ. כמות הלחץ שמפעילה הבוכנה בעלת שטח פנים קטן (תמונה שמאלית) מועברת לכל חלקי הנוזל. כתוצאה מכך, הנוזל לוחץ על הבוכנה בעלת שטח פנים גדול יותר (תמונה ימנית) עד שהבוכנה נדחפת כלפי מעלה. שטח הפנים של הבוכנה הנלחצת קטן, ולכן גם הכוח הנדרש ללחיצת הנוזל קטן. אך מכיוון שהלחץ (לחץ = כוח / יחידת שטח) מועבר בכל הנוזל, הכוח הקטן הופך לכוח גדול מאוד כאשר הנוזל לוחץ על הבוכנה מימין בעלת שטח פנים גדול. נדיר שאנשים מפעילים כוח קלט על בוכנה בעלת שטח פנים גדול, מכיוון שזה לא משתלם. בחלק העליון של הבוכנה בעלת שטח הפנים הגדול, בדרך כלל ממוקמים החפץ או חלק מהחפץ שיש להרים (לדוגמה, מכונית).
אל תתפלאו אם מכונית בעלת מסה גדולה מאוד ניתנת להרמה בקלות על ידי לחיצה פשוטה על אחת הבוכנות. שטח הפנים של הבוכנה קטן מאוד, ולכן גם הכוח שאנו מפעילים קטן. עם זאת, כוח קלט קטן זה יכול להפוך לכוח פלט גדול מאוד אם שטח הפנים של הפלט גדול מאוד.
אם מגבה הידראולי מתוכנן להרים מכונית כבדה מאוד, המתכנן צריך לקחת בחשבון את כוח המשיכה של המכונית ואת כוח היציאה של המגבה. ככל שמשקל המכונית המורמת גדול יותר, כך שטח הפנים של המגבה גדול יותר. לכל הפחות, כוח היציאה שנוצר על ידי מגבה הידראולי צריך להיות גדול או שווה למשקל החפץ המורם.
שאלה לדוגמה 1:
A1 = 100 סמ"ר
A2 = 250 סמ"ר
F1 = 200 ניוטון
נשאל: פ 2
דִיוּן
שאלה לדוגמה 2:
ידוע כי:
A1 = 100 סמ"ר = 100 x 10-4 מ"ר = 0,01 מ"ר
A2 = 250 סמ"ר = 250 x 10-4 מ"ר = 0,025 מ"ר
מסת עומס = 200 ק"ג
צפיפות שמן (ρ) = 780 ק"ג/ מ"ק
גובה עמודת הנפט (h) = 2 מטרים
תאוצת כוח הכבידה (g) = 10 מטר/שנייה 2
נשאל: מהו כוח הקלט המינימלי (F) כדי שהמטען יהיה מאוזן (המטען לא זז)?
תשובה:
