Страница 92 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

26.7 [н] Рассмотрите рисунок к предыдущей задаче и решите, куда бы вы переместили клапаны насоса, чтобы превратить его из вакуумного в нагнетательный. Сделайте рисунок в тетради.

Для того чтобы превратить вакуумный насос в нагнетательный, необходимо изменить направление перекачивания воздуха. Вместо откачивания воздуха из сосуда в атмосферу, насос должен забирать воздух из атмосферы и нагнетать его в сосуд. Для этого нужно изменить конфигурацию клапанов.

Конфигурация клапанов вакуумного насоса

В поршневом вакуумном насосе, который, вероятно, изображен на рисунке к предыдущей задаче, обычно есть два клапана:

• Клапан 1: Расположен в патрубке, который соединяет цилиндр с сосудом. Он пропускает воздух только в одном направлении — из сосуда в цилиндр.
• Клапан 2: Расположен непосредственно в поршне. Он пропускает воздух также в одном направлении — из-под поршня наружу, в атмосферу.

Перемещение клапанов для создания нагнетательного насоса

Чтобы ответить на вопрос, куда следует переместить клапаны, нужно поменять их местами. То есть:

• Клапан 2, который был в поршне, перемещается в патрубок, ведущий к сосуду.
• Клапан 1, который был в патрубке, перемещается в поршень.

Принцип работы получившегося нагнетательного насоса

После перемещения клапанов насос будет работать следующим образом:

1. Движение поршня вверх: Объем под поршнем увеличивается, что приводит к падению давления. Когда давление в цилиндре становится ниже атмосферного, клапан в поршне (бывший клапан 1) открывается, и воздух из атмосферы засасывается в цилиндр. В это время клапан в патрубке (бывший клапан 2) закрыт, так как давление в сосуде выше, чем в цилиндре.

2. Движение поршня вниз: Объем под поршнем уменьшается. Клапан в поршне закрывается. Давление воздуха в цилиндре возрастает. Когда это давление превысит давление в сосуде, клапан в патрубке открывается, и порция воздуха выталкивается из цилиндра в сосуд.

Таким образом, насос будет забирать воздух из атмосферы и нагнетать его в сосуд, повышая в нем давление.

На рисунке для нагнетательного насоса следует изобразить цилиндр с поршнем. В поршне — клапан, открывающийся внутрь рабочей камеры (вниз). От дна цилиндра отходит патрубок к сосуду, в котором установлен клапан, открывающийся наружу (в сторону сосуда).

Ответ: Чтобы превратить вакуумный насос в нагнетательный, необходимо поменять местами его клапаны. Клапан, который был в поршне, нужно установить в патрубок, соединяющий насос с сосудом, а клапан из патрубка — в поршень.

26.8 [589] Зачем шланги к насосам, используемым для откачивания воздуха из баллонов, делают из толстостенной резиновой трубки (иногда усиленной стальной спиралью)?

Решение

Когда насос откачивает воздух из баллона, он создает внутри соединительного шланга область сильно пониженного давления, то есть вакуум. В то же время снаружи на шланг действует нормальное атмосферное давление, которое значительно выше, чем давление внутри шланга. Обозначим давление внутри шланга как $P_{внутр}$, а атмосферное давление как $P_{атм}$.

Возникает большая разность давлений $\Delta P = P_{атм} - P_{внутр}$. Эта разность давлений создает силу, которая действует на стенки шланга и направлена снаружи внутрь. Эта сила стремится сжать, или, как говорят, "схлопнуть" шланг. Если бы шланг был изготовлен из тонкостенной резины, он бы не выдержал такого воздействия и сплющился, перекрыв тем самым путь для откачиваемого воздуха и сделав работу насоса невозможной.

Для того чтобы противостоять сжимающей силе атмосферного давления, шланги для вакуумных систем изготавливают из толстостенной резины. Толстые стенки придают шлангу необходимую жесткость и прочность, позволяя ему сохранять свою форму и не деформироваться под действием внешнего давления.

Усиление шланга стальной спиралью является дополнительной мерой для увеличения его прочности на сжатие. Спираль работает как каркас, который эффективно сопротивляется деформации и предотвращает схлопывание шланга даже при создании глубокого вакуума или при его изгибах.

Ответ: Шланги для откачивания воздуха делают из толстостенной резины, чтобы они могли противостоять внешнему атмосферному давлению и не сжиматься (не схлопываться), когда внутри насосом создается вакуум. Усиление стальной спиралью придает дополнительную жесткость и прочность, предотвращая деформацию шланга.

26.9 [590] Объясните, как работает насос, схема которого изображена на рисунке III-73.

Рис. III-73

На изображении представлена схема поршневого насоса двойного действия. Он состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень, соединенный со штоком. Насос имеет два патрубка: нижний — для всасывания жидкости, и верхний — для ее нагнетания (подачи). На самом поршне установлены четыре клапана (по два с каждой стороны), которые регулируют поток жидкости.

Решение

Работа насоса основана на возвратно-поступательном движении поршня. Рассмотрим оба такта его работы.

Когда поршень движется вправо, объем в левой камере цилиндра увеличивается, создавая область пониженного давления. Вследствие этого нижний левый клапан открывается, и жидкость засасывается в левую камеру из нижнего патрубка. В это же время верхний левый клапан остается закрытым под действием более высокого давления в нагнетательном патрубке. Одновременно с этим в правой камере объем уменьшается, давление жидкости возрастает. Это давление закрывает нижний правый клапан и открывает верхний правый клапан, выталкивая жидкость из правой камеры в верхний нагнетательный патрубок.

Когда поршень движется влево, процессы в камерах меняются местами. В правой камере создается разрежение, что приводит к открытию нижнего правого клапана и всасыванию жидкости. Верхний правый клапан при этом закрыт. В левой камере поршень сжимает жидкость, увеличивая давление. В результате нижний левый клапан закрывается, а верхний левый открывается, и жидкость выталкивается в нагнетательный патрубок.

Таким образом, насос выполняет полезную работу (всасывание и нагнетание) при движении поршня в обе стороны. Такая конструкция называется насосом двойного действия и обеспечивает более равномерную и непрерывную подачу жидкости, чем насос простого действия, работающий только в одном направлении хода поршня.

Ответ: представленный на схеме насос является поршневым насосом двойного действия. При движении поршня в любую сторону одна его полость всасывает жидкость из нижнего патрубка, а другая одновременно выталкивает ранее всосанную жидкость в верхний патрубок. Управление потоками осуществляется четырьмя клапанами, расположенными на поршне, которые открываются и закрываются под действием разности давлений, возникающей при движении поршня. Это обеспечивает непрерывный процесс перекачки жидкости.

26.10 [591] Объясните, как работают насосы, схемы которых изображены на рисунке III-74.

Рис. III-74

На рисунке изображены два типа поршневых насосов. Принцип их действия основан на создании разности давлений с помощью движущегося поршня, что заставляет жидкость перемещаться в нужном направлении. Работа насосов была бы невозможна без клапанов, которые пропускают жидкость только в одну сторону.

Насос, изображенный слева

Это нагнетательный насос, который перекачивает жидкость из нижнего резервуара в верхний. Он состоит из цилиндра, поршня и двух клапанов: всасывающего (внизу) и нагнетательного (в боковом отводе).

1. Ход поршня вверх (всасывание): Когда поршень движется вверх, объем под ним увеличивается, а давление падает. Атмосферное давление, действующее на поверхность жидкости в нижнем сосуде, становится больше, чем давление под поршнем. В результате этой разности давлений жидкость устремляется в цилиндр, открывая нижний (всасывающий) клапан. Верхний (нагнетательный) клапан в это время закрыт, так как давление в отводящей трубке выше, чем в цилиндре.

2. Ход поршня вниз (нагнетание): Когда поршень движется вниз, он сжимает жидкость, находящуюся под ним, и ее давление резко возрастает. Это высокое давление закрывает нижний (всасывающий) клапан, не давая жидкости вернуться обратно в источник. Одновременно возросшее давление становится больше, чем давление в отводящей трубке, и открывает верхний (нагнетательный) клапан. Жидкость выталкивается из цилиндра в отводящую трубу и поступает в верхний резервуар.

Циклы всасывания и нагнетания повторяются, обеспечивая перекачку жидкости.

Ответ: Левый насос является нагнетательным поршневым насосом. При движении поршня вверх жидкость засасывается в цилиндр под действием атмосферного давления. При движении поршня вниз жидкость выталкивается из цилиндра в нагнетательную трубу. Работа насоса обеспечивается двумя клапанами, которые открываются и закрываются в зависимости от направления движения поршня и создаваемой разности давлений.

Насос, изображенный справа

Это водяной подъемный насос (например, колодезная колонка). Его особенность в том, что один из клапанов находится непосредственно в поршне.

1. Ход поршня вверх (подъем воды): Когда рукоятку опускают, поршень движется вверх. Под поршнем создается разрежение (пониженное давление). Атмосферное давление на поверхность воды в источнике (колодце) заставляет воду подниматься по всасывающей трубе, открывать нижний клапан (у основания цилиндра) и заполнять пространство под поршнем. В это же время клапан, расположенный в самом поршне, закрыт под весом столба воды, который находится над поршнем. Эта вода поднимается вместе с поршнем и выливается через излив (носик) насоса.

2. Ход поршня вниз (перепуск воды): Когда рукоятку поднимают, поршень движется вниз. Он давит на воду, находящуюся под ним в цилиндре. Под действием этого давления нижний клапан закрывается, не позволяя воде уйти обратно в источник. В то же время давление воды под поршнем открывает клапан в самом поршне, и вода перетекает из пространства под поршнем в пространство над ним.

При следующем движении поршня вверх цикл повторяется: новая порция воды засасывается в цилиндр, а та, что оказалась над поршнем, поднимается и выливается.

Ответ: Правый насос — это водяной подъемный насос. При движении поршня вверх под ним создается разрежение, и вода из источника под действием атмосферного давления поступает в цилиндр, одновременно порция воды над поршнем выливается наружу. При движении поршня вниз вода из-под поршня через клапан в нем перетекает в пространство над поршнем.

26.11 [592] По схеме рисунка III-75 объясните действие пожарного насоса. Какое назначение имеет воздушная камера А?

Рис. III-75

По схеме рисунка III-75 объясните действие пожарного насоса

Представленный на рисунке пожарный насос является двухцилиндровым поршневым насосом. Его работа основана на попеременном движении двух поршней, соединенных с коромыслом, что обеспечивает непрерывную подачу воды.

Когда один поршень (например, левый) движется вверх, под ним создается область пониженного давления. В результате атмосферное давление заставляет воду из резервуара поступать через всасывающий клапан в цилиндр.

В это же время второй поршень (правый) движется вниз. Он создает в своем цилиндре высокое давление, которое выталкивает воду через нагнетательный клапан в общую воздушную камеру А.

Когда поршни меняют направление движения, циклы всасывания и нагнетания в цилиндрах меняются местами. Левый поршень начинает выталкивать воду, а правый — всасывать. Таким образом, в любой момент времени один из цилиндров работает на нагнетание, что и делает подачу воды практически непрерывной.

Ответ: Действие насоса основано на попеременной работе двух поршней. Когда один поршень всасывает воду, другой в это же время выталкивает ее в нагнетательную магистраль. Благодаря этому обеспечивается непрерывная подача воды.

Какое назначение имеет воздушная камера А?

Воздушная камера А, также называемая воздушным колпаком, служит для сглаживания пульсаций потока воды. Поршневой насос подает воду прерывисто, отдельными порциями, что создает неравномерную, дерганую струю на выходе.

Когда поршень выталкивает порцию воды, она поступает в камеру А. Часть этой воды сжимает воздух, находящийся в верхней части камеры, а остальная часть уходит в выходной патрубок. Давление в камере при этом возрастает.

В промежутках между толчками поршней (например, в моменты смены их направления) сжатый воздух в камере расширяется и продолжает выталкивать воду, поддерживая давление и обеспечивая непрерывность потока.

Таким образом, воздушная камера превращает прерывистый поток от поршней в более ровную и мощную струю.

Ответ: Воздушная камера А сглаживает пульсации потока, создаваемые поршнями. Сжатый в ней воздух обеспечивает равномерный выход воды из насоса, превращая прерывистую подачу в непрерывную струю.

26.12 [593] Объясните, как работает насос, схема которого изображена на рисунке III-76.

Резина

Рис. III-76

Решение

Насос, показанный на схеме, является насосом диафрагменного (или мембранного) типа. Его работа основана на периодическом изменении объема гибкой резиновой камеры и действии двух односторонних клапанов.

Рассмотрим два такта работы насоса:

1. Такт сжатия. На резиновую камеру оказывается внешнее сжимающее воздействие. Объем камеры уменьшается, что приводит к увеличению давления жидкости (или газа) внутри нее. Это повышенное давление действует на оба клапана. Левый (впускной) клапан закрывается, так как давление внутри камеры становится выше, чем в подводящей трубе. Правый (выпускной) клапан, наоборот, открывается, так как давление в камере преодолевает силу его пружины и давление в отводящей трубе. В результате жидкость выталкивается из насоса вправо.
2. Такт расширения (всасывания). Внешнее воздействие на камеру прекращается. Благодаря упругости материала (резины) камера самостоятельно возвращается к своей первоначальной форме, то есть расширяется. Объем камеры увеличивается, а давление внутри нее падает и становится ниже атмосферного (создается разрежение). Из-за разницы давлений правый (выпускной) клапан плотно закрывается. В то же время левый (впускной) клапан открывается, так как давление в подводящей трубе теперь выше, чем в камере, и жидкость засасывается внутрь насоса.

При циклическом повторении этих двух тактов (сжатия и расширения) происходит непрерывная (хотя и пульсирующая) перекачка жидкости или газа слева направо.

Ответ: Работа насоса основана на периодическом изменении объема упругой резиновой камеры. При сжатии камеры давление внутри нее растет, что приводит к закрытию впускного клапана и открытию выпускного — среда (жидкость или газ) выталкивается. При последующем расширении камеры за счет сил упругости давление внутри падает, впускной клапан открывается, а выпускной закрывается — насос засасывает новую порцию среды. Чередование этих циклов обеспечивает перекачку среды в одном направлении.