ทำความเข้าใจกฎของปาสคาล
แม่แรงไฮดรอลิกทำงานอย่างไรเมื่อใช้ยกตัวรถ? เบรกไฮดรอลิกทำงานอย่างไรเมื่อใช้ในการชะลอความเร็วของรถ?
ดังที่เราได้เรียนรู้ในหัวข้อเรื่องความดันของของเหลวของเหลวทุกชนิดจะออกแรงดันต่อวัตถุทุกอย่างที่สัมผัสด้วย น้ำที่เราใส่ในแก้วจะออกแรงดันต่อผนังแก้ว ในทำนองเดียวกัน เมื่อเราอาบน้ำในสระว่ายน้ำหรือน้ำทะเล น้ำจะออกแรงดันต่อร่างกายของเราทั้งหมด
แรงดันน้ำรวมที่ระดับความลึกหนึ่งๆ เช่น แรงดันน้ำทะเลที่ระดับความลึก 200 เมตร คือผลรวมของแรงดันบรรยากาศที่กระทำต่อผิวน้ำทะเลและแรงดันที่วัดได้ที่ระดับความลึก 200 เมตร ดังนั้น นอกเหนือจากชั้นน้ำด้านบนที่ออกแรงดันต่อชั้นน้ำด้านล่างแล้ว ยังมีแรงดันจากบรรยากาศหรืออากาศที่กระทำต่อผิวน้ำทะเลอีกด้วย
แรงดันที่เกิดจากชั้นของเหลวด้านบนสามารถอธิบายได้ว่าเป็นแรงดันภายในเพราะมันเกิดขึ้นภายในของเหลว ในขณะที่แรงดันบรรยากาศสามารถอธิบายได้ว่าเป็นแรงดันภายนอกเพราะบรรยากาศแยกออกจากของเหลว แรงดันบรรยากาศกระทำต่อพื้นผิวทั้งหมดของของเหลวและส่งผ่านไปทั่วของเหลว ดังนั้น แรงดันรวมของของเหลวที่ระดับความลึกที่กำหนดจึงได้รับอิทธิพลไม่เพียงแต่จากแรงดันของชั้นของเหลวด้านบนเท่านั้น แต่ยังได้รับอิทธิพลจากแรงดันบรรยากาศด้วย
เพื่อให้เข้าใจคำอธิบายนี้ได้ดียิ่งขึ้น ลองมาดูของเหลวในภาชนะกัน
โดยธรรมชาติแล้ว ความดันของของเหลวที่ก้นภาชนะจะมากกว่าความดันของของเหลวที่อยู่ด้านบน ยิ่งอยู่ต่ำลง ความดันของของเหลวก็จะยิ่งมากขึ้น ในทางกลับกัน ยิ่งอยู่ใกล้ด้านบนของภาชนะ ความดันของของเหลวก็จะยิ่งน้อยลง
ขนาดของความดันแปรผันตรงกับ ρ gh (ρ = ความหนาแน่น, g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง และ h = ความสูงหรือความลึก) ที่ทุกจุดในระดับความลึกเดียวกัน ขนาดของความดันจะมีค่าเท่ากัน หลักการนี้ใช้ได้กับของเหลวทุกชนิดในภาชนะใดๆ และไม่ขึ้นอยู่กับรูปทรงของภาชนะ
หากเราออกแรงกดจากภายนอก เช่น การกดลงบนพื้นผิวของของเหลว แรงดันภายในของเหลวจะเพิ่มขึ้นเท่ากันทุกที่ ดังนั้น เมื่อออกแรงกดจากภายนอก ทุกส่วนของของเหลวจะได้รับแรงดันในปริมาณเท่ากัน ด้วยเหตุนี้ แรงดันจึงเท่ากันเสมอในทุกจุดที่ระดับความลึกเดียวกัน นี่คือหลักการของปาสคาล ซึ่งเสนอและตั้งชื่อตามผู้คิดค้นคือ บлез ปาสคาล (ค.ศ. 1623–1662) นักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส
หลักการของปาสคาลกล่าวว่า ความดันที่กระทำต่อของเหลวในภาชนะปิดจะถูกส่งผ่านไปยังทุกส่วนของของเหลวและผนังของภาชนะอย่างเท่าเทียมกัน
ในทางคณิตศาสตร์สามารถเขียนได้ดังนี้:
ข้อสังเกต:
p = ความดัน, F = แรง, A = พื้นที่ผิว
คำว่า "in" แทนแรงดันที่ถูกกระทำ ในขณะที่คำว่า "out" แทนแรงดันที่ถูกส่งต่อ
การประยุกต์ใช้หลักการของปาสคาล
โดยยึดหลักการของปาสคาลเป็นแนวทาง มนุษย์ได้พัฒนาเครื่องมือหลายอย่าง ทั้งแบบง่ายและซับซ้อน เพื่อทำให้ชีวิตง่ายขึ้น ตัวอย่างเช่น แม่แรงไฮดรอลิก ลิฟต์ไฮดรอลิก เบรกไฮดรอลิก และอื่นๆ อีกมากมาย
แม่แรงไฮดรอลิกหรือลิฟต์
ภาพแสดงวิธีการทำงานของแม่แรงไฮดรอลิกหรือลิฟต์ไฮดรอลิก
แม่แรงไฮดรอลิกประกอบด้วยตัวถังที่มีสองพื้นผิว บนทั้งสองพื้นผิวมีลูกสูบ โดยพื้นที่ผิวของลูกสูบด้านซ้ายมีขนาดเล็กกว่าพื้นที่ผิวของลูกสูบด้านขวา พื้นที่ผิวของลูกสูบถูกปรับให้เหมาะสมกับพื้นที่ผิวของตัวถัง ตัวถังบรรจุด้วยของเหลว เช่น สารหล่อลื่น
ถ้าลูกสูบซึ่งมีพื้นที่ผิวเล็กน้อยถูกดันลงไป ของเหลวทุกส่วนก็จะเคลื่อนที่ลงไปด้วย
แรงดันที่เกิดจากลูกสูบที่มีพื้นที่ผิวเล็ก (ภาพซ้าย) จะถูกส่งผ่านไปยังทุกส่วนของของเหลว ส่งผลให้ของเหลวกดลงบนลูกสูบที่มีพื้นที่ผิวใหญ่กว่า (ภาพขวา) จนกระทั่งลูกสูบถูกดันขึ้น พื้นที่ผิวของลูกสูบที่ถูกกดมีขนาดเล็ก ดังนั้นแรงที่ต้องใช้ในการกดของเหลวจึงมีขนาดเล็ก แต่เนื่องจากแรงดัน (แรงดัน = แรง / พื้นที่ต่อหน่วย) ถูกส่งผ่านไปทั่วของเหลว แรงเล็กน้อยจึงกลายเป็นแรงมหาศาลเมื่อของเหลวกดลงบนลูกสูบด้านขวาที่มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ โดยทั่วไปแล้วคนเราไม่ค่อยออกแรงกระทำต่อลูกสูบที่มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ เพราะไม่คุ้มค่า โดยปกติแล้วจะวางวัตถุหรือส่วนของวัตถุที่จะยก (เช่น รถยนต์) ไว้ที่ด้านบนของลูกสูบที่มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่
อย่าแปลกใจหากรถยนต์ที่มีมวลมากสามารถถูกยกขึ้นได้อย่างง่ายดายเพียงแค่กดลูกสูบตัวใดตัวหนึ่ง พื้นที่ผิวของลูกสูบมีขนาดเล็กมาก ดังนั้นแรงที่เราใช้จึงมีขนาดเล็กเช่นกัน อย่างไรก็ตาม แรงป้อนเข้าเล็กน้อยนี้สามารถแปลงเป็นแรงส่งออกขนาดใหญ่ได้ หากพื้นที่ผิวของแรงส่งออกมีขนาดใหญ่มาก
หากแม่แรงไฮดรอลิกถูกออกแบบมาเพื่อยกรถที่มีน้ำหนักมาก ผู้ออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาแรงโน้มถ่วงของรถและแรงดันที่แม่แรงสร้างขึ้น ยิ่งน้ำหนักของรถที่กำลังยกมากเท่าใด พื้นที่ผิวรับแรงของแม่แรงก็ยิ่งต้องมากขึ้นเท่านั้น อย่างน้อยที่สุด แรงดันที่สร้างขึ้นโดยแม่แรงไฮดรอลิกควรมากกว่าหรือเท่ากับน้ำหนักของวัตถุที่กำลังยก
ตัวอย่างคำถามข้อที่ 1:
A 1 = 100 cm 2
A 2 = 250 cm 2
F 1 = 200 N
ถามโดย : F 2
การอภิปราย
ตัวอย่างคำถามข้อที่ 2:
เป็นที่ทราบกันว่า:
A 1 = 100 cm 2 = 100 x 10 -4 m 2 = 0,01 m 2
A 2 = 250 cm 2 = 250 x 10 -4 m 2 = 0,025 m 2
น้ำหนักบรรทุก = 200 กก.
ความหนาแน่นของน้ำมัน (ρ) = 780 กก./ ลบ.ม.
ความสูงของคอลัมน์น้ำมัน (h) = 2 เมตร
ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (g) = 10 m/ s²
คำถาม:แรงป้อนเข้าขั้นต่ำ (F) เท่าใดที่ทำให้โหลดอยู่ในสมดุล (โหลดไม่เคลื่อนที่)?
คำตอบ :
