Para entender cómo funciona una prensa hidráulica, recordemos la regla de los vasos comunicantes. Su autor, Blaise Pascal, descubrió que si están llenos de un líquido homogéneo, entonces su nivel en todos los recipientes es el mismo. En este caso, la configuración de los contenedores y sus dimensiones no importan. El artículo describirá varios experimentos con contenedores comunicantes que nos ayudarán a comprender la estructura y el principio de funcionamiento de una prensa hidráulica.
Experimento
Digamos que tenemos vasos comunicantes con diferentes áreas transversales. Denotamos el área del más pequeño por s, el más grande - por S. Llenemos los recipientes con líquido. Según la ley de los vasos comunicantes, las superficies de los líquidos están a la misma altura.
Cerremos los recipientes desde arriba con pistones. Podemos suponer que s y S son las áreas de los pistones. Presione sobre el más pequeño con fuerza f. Bajará, el líquidofluya hacia el cilindro más grande, y el pistón de la izquierda comenzará a subir. Para evitar que se levante, también le aplicaremos fuerza. Indicarlo F.
Para acercarnos a entender cómo funciona una prensa hidráulica, intentemos encontrar una conexión entre estas dos fuerzas. Partiremos de la condición de equilibrio. Antes de cubrir los recipientes con pistones, los líquidos estaban en equilibrio. La presión en los tanques era la misma (p=P). Presione hacia abajo ambos pistones para que el líquido aún permanezca en equilibrio. Las presiones p y P, por supuesto, aumentarán. Sin embargo, seguirán siendo los mismos, porque aumentarán en la misma cantidad adicional. Esta es la cantidad de presión creada por los pistones. Se transmite a todas partes según la ley de Pascal.
Esta es la condición de equilibrio: p=P. Puede considerar la presión creada por los pistones o la presión de la columna de líquido. El resultado será el mismo. Tenga en cuenta que la presión creada por los pistones es mil veces mayor que la presión hidrostática de la columna de líquido. Una columna de agua de unos pocos centímetros de altura crea una presión de cientos de pascales. Y la presión del pistón es de cientos de kilopascales y, a veces, de megapascales. Por lo tanto, en lo que sigue despreciaremos la presión de la columna de líquido y supondremos que las presiones p y P son creadas exclusivamente por las fuerzas f y F.
Dependencia de la fuerza de presión de los pistones en su área
Vamos a derivar la fórmula, el principio de funcionamiento de la prensa hidráulica sin ella será incomprensible. p=f/s y de manera similar P=F/S. Hagamos una sustitución en la condición de equilibrio. f/s=F/E. Y ahora comparemos las fuerzas f y F. Para hacer esto, tanto la parte izquierda como la derecha de la expresiónmultiplicar por S y dividir por f. Obtenemos fS/sf=FS/Sf. Cancelemos f y S en ambas partes. El resultado será la igualdad F/f=S/s.
El concepto de ganar es válido
Si S>s, entonces la fuerza de presión sobre el pistón en el recipiente grande será tantas veces mayor que la fuerza que presiona sobre el pistón pequeño, ¿cuántas veces el área del pistón más grande excede el área de el pequeño En otras palabras, al aplicar una pequeña fuerza a un pistón pequeño, en un recipiente grande obtendremos una fuerza mucho mayor que la que ejercemos sobre un pistón pequeño. Este es un efecto llamado aumento de fuerza. Muestra cuántas veces difieren las fuerzas, es decir, cuál es la relación entre F y f. Si tomamos recipientes cuyas áreas de sección transversal son muy diferentes, podemos obtener una ganancia en fuerza tanto diez como mil veces. El análisis de fuerza lo deja claro: la ganancia de fuerza es igual a la relación de las áreas del pistón grande y pequeño.
Movimiento de los pistones de una máquina hidráulica
Muchas industrias utilizan el principio de la prensa hidráulica: física, construcción, procesamiento de materiales, agricultura, automoción, etc. En la figura se muestran ejemplos de la aplicación de máquinas hidráulicas.
Consideremos todos los mismos dos vasos comunicantes con pistones, pero ahora no prestaremos atención a la fuerza, sino a la distancia que recorren los pistones cuando se mueven. Imagina que su posición inicial es diferente. El pistón con área S está ubicado debajo del pistón con área s. Muevamos el pistón más pequeño a una distancia h. El agua de un recipiente más pequeño pasó a uno más grande ypresionado sobre el pistón. Se movió a la altura H.
Sabiendo la razón entre las áreas, encontramos la razón entre las alturas. El volumen que pasó bajo presión del cilindro izquierdo al derecho se denota por v. En el cilindro derecho entró un líquido de volumen V. El líquido es incompresible. ¿Cómo se puede escribir esto matemáticamente? v=v. Exprese el volumen en términos de área y altura. v=sh y V=SH. Entonces sh=SH. S/s=h/H. Por lo tanto, la ganancia de fuerza es F/f=h/H. Esta relación nos da una idea de cómo funciona una prensa hidráulica. Concluimos que como F es mayor que f, entonces H es menor que h, y por el mismo factor.
Digamos que una máquina hidráulica aumenta cien veces su fuerza. Esto significa que si bajamos el pistón más pequeño 100 mm, el otro pistón subirá solo 1 mm. Y hay máquinas que dan una ganancia de fuerza mil veces. Pero, ¿qué sucede cuando hay un automóvil en el pistón y debe elevarse a una altura de varios metros?
Diseño y principio de funcionamiento de la prensa hidráulica
En el pistón de un área pequeña hay una válvula que cierra el tubo que va al depósito de aceite del motor. El agua generalmente no se usa en las prensas hidráulicas porque es corrosiva y tiene un punto de ebullición relativamente bajo. El pistón impulsa el mango. El fluido se transfiere del cilindro más pequeño al más grande a través de un tubo.
El recipiente grande también tiene una válvula y un pistón. Cuando levantamos la palanca, el aceite, con la ayuda de la atmósferala presión es absorbida por el cilindro más pequeño. Cuando bajamos el pistón, la válvula se cierra, no hay lugar para que el aceite vaya, por lo que va a un recipiente más grande. Levanta la válvula en él, aumenta el volumen de aceite, debido a esto sube el pistón. Cuando volvemos a levantar el pistón pequeño, la válvula del recipiente grande se cierra, por lo que el aceite no se va a ninguna parte y el pistón permanece en su sitio.
El principio de funcionamiento de la prensa hidráulica es tal que cualquier oscilación del pistón pequeño siempre conduce al movimiento del pistón grande hacia arriba. El dispositivo tiene un mecanismo que permite que el pistón grande descienda. Esta es una manguera con un grifo en un recipiente más grande. Cuando cerramos el grifo, sellamos el cilindro grande, y cuando lo abrimos, volvemos a colocar la prensa hidráulica en su posición original, el aceite se escurre. Vuelve al depósito, lo que permite bajar el pistón.
