Hiểu về Định luật Pascal
Cơ chế hoạt động của kích/cầu nâng thủy lực khi dùng để nâng xe ô tô như thế nào? Hệ thống phanh thủy lực hoạt động như thế nào khi dùng để giảm tốc độ xe ô tô?
Như chúng ta đã học trong chủ đề chính. Áp suất chất lỏngMọi chất lỏng đều tạo áp suất lên tất cả các vật thể mà nó tiếp xúc. Nước đựng trong cốc tạo áp suất lên thành cốc. Tương tự, khi chúng ta bơi trong bể bơi hoặc nước biển, nước tạo áp suất lên toàn bộ cơ thể chúng ta.
Tổng áp suất nước ở một độ sâu nhất định, ví dụ như áp suất nước biển ở độ sâu 200 mét, là tổng của áp suất khí quyển tác dụng lên bề mặt nước biển và áp suất đo được ở độ sâu 200 mét. Vì vậy, ngoài lớp nước phía trên đè lên lớp nước bên dưới, còn có cả không khí, hay khí quyển, đè lên bề mặt biển.
Áp suất do lớp chất lỏng phía trên gây ra có thể được coi là áp suất bên trong vì áp suất thực sự đến từ bên trong chất lỏng, trong khi chúng ta có thể nói đến áp suất khí quyển. áp suất bên ngoài Vì không khí tách biệt với chất lỏng, áp suất khí quyển tác động lên toàn bộ bề mặt chất lỏng và truyền đi khắp chất lỏng. Do đó, tổng áp suất chất lỏng ở một độ sâu nhất định không chỉ bị ảnh hưởng bởi áp suất của lớp chất lỏng phía trên mà còn bởi áp suất khí quyển.
Để hiểu rõ hơn lời giải thích này, chúng ta hãy xem xét một chất lỏng trong một vật chứa.
Áp suất của chất lỏng ở đáy bình chứa thường lớn hơn áp suất của chất lỏng phía trên. Càng xuống sâu, áp suất của chất lỏng càng lớn; ngược lại, càng lên gần miệng bình, áp suất của chất lỏng càng nhỏ.
Độ lớn của áp suất tỷ lệ thuận với ρ gh (trong đó ρ là mật độ, g là gia tốc trọng trường và h là chiều cao hoặc độ sâu). Tại mọi điểm có cùng độ sâu, độ lớn của áp suất là như nhau. Điều này áp dụng cho tất cả các chất lỏng trong bất kỳ vật chứa nào và không phụ thuộc vào hình dạng của vật chứa.
Nếu ta tác dụng áp suất bên ngoài, ví dụ như ấn vào bề mặt chất lỏng, thì sự tăng áp suất bên trong chất lỏng là như nhau ở mọi nơi. Do đó, khi tác dụng áp suất bên ngoài, mọi phần của chất lỏng đều nhận được cùng một lượng áp suất. Vì vậy, áp suất luôn luôn như nhau tại mọi điểm ở cùng một độ sâu. Đây là nguyên lý Pascal, được đề xuất và đặt theo tên người sáng lập, Blaise Pascal (1623–1662). Pascal là một nhà triết học và khoa học người Pháp.
Nguyên lý Pascal phát biểu rằng áp suất tác dụng lên chất lỏng trong một bình kín sẽ được truyền đều đến mọi phần của chất lỏng và thành bình.
Về mặt toán học, nó có thể được viết như sau:
Thông tin :
p = Áp suất, F = Lực, A = Diện tích bề mặt
Từ "in" biểu thị áp lực đang được tác dụng, trong khi từ "out" biểu thị áp lực đang được truyền đi.
Ứng dụng nguyên lý Pascal
Dựa trên nguyên lý của Pascal, con người đã phát triển nhiều công cụ, từ đơn giản đến phức tạp, để làm cho cuộc sống dễ dàng hơn. Một số công cụ đó bao gồm kích thủy lực, thang nâng thủy lực, phanh thủy lực, và nhiều hơn nữa.
Kích hoặc thiết bị nâng thủy lực
Hình ảnh minh họa cách thức hoạt động của kích hoặc thang nâng thủy lực.
Một kích thủy lực bao gồm một bình chứa có hai bề mặt. Trên cả hai bề mặt đều có một pít-tông, với diện tích bề mặt của pít-tông bên trái nhỏ hơn diện tích bề mặt của pít-tông bên phải. Diện tích bề mặt của pít-tông được điều chỉnh sao cho phù hợp với diện tích bề mặt của bình chứa. Bình chứa được đổ đầy chất lỏng, chẳng hạn như chất bôi trơn.
Nếu pít-tông, vốn có diện tích bề mặt nhỏ, bị đẩy xuống, thì toàn bộ chất lỏng cũng sẽ di chuyển theo.
Khi pít-tông có diện tích bề mặt nhỏ (hình bên trái), lực ép sẽ truyền đến toàn bộ chất lỏng. Kết quả là, chất lỏng sẽ ép lên pít-tông có diện tích bề mặt lớn hơn (hình bên phải) cho đến khi pít-tông bị đẩy lên. Diện tích bề mặt của pít-tông bị ép nhỏ, nên lực cần thiết để ép chất lỏng cũng nhỏ. Nhưng vì áp suất (Áp suất = lực / đơn vị diện tích) được truyền khắp chất lỏng, nên lực nhỏ sẽ biến thành lực rất lớn khi chất lỏng ép lên pít-tông bên phải có diện tích bề mặt lớn. Người ta hiếm khi tác dụng lực lên pít-tông có diện tích bề mặt lớn vì nó không hiệu quả. Thông thường, vật thể hoặc một phần của vật thể cần nâng (ví dụ: một chiếc ô tô) sẽ được đặt ở phía trên cùng của pít-tông có diện tích bề mặt lớn.
Đừng ngạc nhiên nếu một chiếc xe có khối lượng rất lớn có thể dễ dàng được nâng lên chỉ bằng cách ấn vào một trong các piston. Diện tích bề mặt của piston rất nhỏ, do đó lực chúng ta tác dụng cũng nhỏ. Tuy nhiên, lực đầu vào nhỏ này có thể được chuyển hóa thành một lực đầu ra rất lớn nếu diện tích bề mặt đầu ra rất lớn.
Nếu một kích thủy lực được thiết kế để nâng một chiếc xe rất nặng, người thiết kế cần phải xem xét trọng lực của xe và lực đầu ra của kích. Trọng lượng của xe được nâng càng lớn, diện tích bề mặt đầu ra của kích càng lớn. Tối thiểu, lực đầu ra do kích thủy lực tạo ra phải lớn hơn hoặc bằng trọng lượng của vật được nâng.
Ví dụ câu hỏi 1:
A1 = 100 cm2
A2 = 250 cm2
F1 = 200 N
Đã hỏi: F2
Cuộc thảo luận
Ví dụ câu hỏi 2:
Ai cũng biết rằng:
A1 = 100 cm2 = 100 x 10-4 m2 = 0,01 m2
A2 = 250 cm2 = 250 x 10-4 m2 = 0,025 m2
Khối lượng hàng hóa = 200 kg
Mật độ dầu (ρ) = 780 kg/m³3
Chiều cao cột dầu (h) = 2 mét
Gia tốc trọng trường (g) = 10 m/s2
Yêu cầu: Lực tác dụng tối thiểu (F) là bao nhiêu để vật ở trạng thái cân bằng (vật không di chuyển)?
Hàm:
