Prasa hydrauliczna — zadanie: podano średnice, nie pola
Średnice tłoków idealnej prasy wynoszą 2 cm i 10 cm. Jaką siłą należy naciskać mały tłok, aby równoważyć obciążenie 2500 N na dużym? Jak daleko należy przesunąć mały tłok, aby duży podniósł się o 8 mm? Przyjmij warunki idealnej prasy z tłokami na jednakowej wysokości.
Dalsze części: b) Sprawdź pracę obu sił dla podniesienia o 8 mm. c) Konstruktor chce uzyskać stosunek sił 100 przy tym samym małym tłoku o średnicy 2 cm. Jaką średnicę musi mieć duży tłok i jaką drogę wykona wtedy mały tłok, aby duży podniósł się o 8 mm? Nadal używaj modelu idealnego, z pominięciem różnic hydrostatycznych.
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Podnieś do kwadratu stosunek średnic. Potem osobno zastosuj równanie sił i równanie wypartych objętości. W projekcie nowej prasy wyznacz średnicę ze stosunku pól, więc potrzebny będzie pierwiastek.
Rozwiązanie
1. Przechodzimy od średnicy do pola
Dla koła pole wynosi πd²/4. W ilorazie pól stałe się skracają, a stosunek średnic 10/2 = 5 trzeba podnieść do kwadratu:
\frac{S_2}{S_1}=\left(\frac{10}{2}\right)^2=25.
To nie prasa o przełożeniu 5. Dwukrotnie większy wymiar liniowy daje czterokrotne pole, a pięciokrotny — dwudziestopięciokrotne. Rysunek przekrojów pozwala zobaczyć, skąd bierze się kwadrat.
2. Wyznaczamy wejściową siłę i drogę
F_1=\frac{2500}{25}=100\ \mathrm{N},\qquad x_1=25\cdot8\ \mathrm{mm}=200\ \mathrm{mm}=20\ \mathrm{cm}.
Odpowiedź: trzeba naciskać siłą 100 N i przesunąć mały tłok o 20 cm. Mniejsza siła wymaga większej drogi. Bez tej drugiej części opis sugerowałby pozorną możliwość uzyskiwania pracy za darmo.
3. Kontrola pracy
Na wejściu mamy 100 · 0,20 = 20 J. Na wyjściu 2500 · 0,008 = 20 J. Przeliczenie 8 mm na 0,008 m jest konieczne. Wynik 2500 · 8 nie miałby jednostki J, tylko N·mm.
4. Projekt przełożenia 100
Stosunek średnic musi być pierwiastkiem ze stosunku pól: √100 = 10. Mały tłok ma 2 cm, więc duży potrzebuje średnicy 20 cm. Dla skoku wyjściowego 8 mm mały tłok musi przebyć 100 · 8 mm = 800 mm = 80 cm.
Nowy projekt: duża średnica 20 cm i droga wejściowa 80 cm. Przy tym samym obciążeniu 2500 N wystarczyłoby 25 N, lecz 25 · 0,80 nadal daje 20 J. Zysk siły nie usuwa ograniczenia dostępnego skoku. W praktyce układy z pompką i zaworami pozwalają dostarczać objętość wieloma ruchami; nie zmienia to zasady bilansu energii.
Jak porównywać oba projekty na jednym rysunku?
Mały tłok pozostaje ten sam. Powiększenie dużej średnicy z 10 do 20 cm podwaja wymiar liniowy, ale czterokrotnie powiększa pole: przełożenie rośnie z 25 do 100. Dla tego samego podniesienia o 8 mm droga wejściowa też rośnie czterokrotnie, z 20 do 80 cm. Siła wejściowa przy obciążeniu 2500 N maleje czterokrotnie, ze 100 do 25 N. Iloczyn tych dwóch zmian wynosi jeden, dlatego praca nadal jest równa 20 J. Tę zgodność można sprawdzić jeszcze przed przeliczaniem milimetrów.
Powiązana teoria
Prawo Pascala. Prasa zwiększa siłę, ale nie energię
Dalsza lektura
Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »
← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto