В заметке Г. Трушина рассматривается физический эксперимент с двумя жёстко связанными поршнями, между которыми находится вода. На первый взгляд кажется, что опустить систему вниз проще, чем поднять её вверх, однако из‑за практической несжимаемости воды усилие при движении вниз оказывается в сотни тонн. При подъёме же сопротивление создают вес поршней, воды и разница атмосферного давления на верхний и нижний поршни. Эта сила измеряется десятками килограммов и остаётся постоянной при любом перемещении. Очерк демонстрирует наглядный пример того, как свойства жидкости и атмосферное давление влияют на работу гидравлических систем.
Два поршня разных диаметров жёстко связаны между собой с помощью штока. Пространство между поршнями заполнено водой (воду можно налить через отверстие в верхнем поршне, после чего отверстие можно заделать).
Что труднее: сдвинуть поршни вниз или вверх?
По первому впечатлению может показаться, что для перемещения поршней вниз надо приложить меньшее усилие, чем при смещении вверх, так как во втором случае надо преодолеть вес поршней и воды. В действительности же дело обстоит как раз наоборот. Усилие для перемещения поршней вниз должно быть в тысячи раз больше, чем при смещении вверх. Секрет тут кроется в практической несжимаемости воды.
Чтобы представить себе, как ничтожно мало сжимается вода от давления, приведём такой пример. Если на поверхность воды, налитой в обыкновенный стакан, надавить силой в 14 Тонн, то уровень води в стакане понизится всего на 2 миллиметра (мы допускаем, что стенки стакана не подвергаются никаким деформациям), а объем воды уменьшится всего на 1/40. Если усилить давление на воду в стакане, то эффект от сжатия будет ещё меньший. При давлении в 70 тонн уровень воды в стакане понизится всего на 5,5 миллиметра, а объем уменьшится на 1/15.
При перемещении поршней вниз происходит сжатие воды, так как пространство между поршнями при этом уменьшается. Для этого потребуются усилия в сотни тонн.
Совсем иное дело при подъёме поршней. В этом случае пространство между поршнями увеличивается. Над водой образуется пустота. Подъёму поршней сопротивляются их вес и эта пустота.
Почему же образовавшееся безвоздушное пространство оказывает дополнительное сопротивление подъёму поршней?
Известно, что окружающий нас воздух создаёт давление, называемое атмосферами и равное приблизительно 1 килограмму на каждый квадратный сантиметр. Поэтому сверху на наружную поверхность большого поршня и снизу на наружную поверхности малого поршня действует атмосферное давление. Если бы поверхности поршней были равны между собой, то атмосферное давление, действующее сверху, уравновешивалось бы через шток атмосферных давлением, действующим снизу.
В рассматриваемом же случае ввиду большей наружной поверхности верхнего поршня силы атмосферного давления не будут уравновешены. При подъёме поршней помимо веса поршней и воды придётся преодолевать разницу атмосферных давлений на верхний и нижний поршни. Эта сила измеряется несколькими десятками килограммов и при подъёме поршней на любую высоту не меняет своей величины.
Комментариев нет:
Отправить комментарий