Номер 4, страница 173 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

Проекты и исследования. Итоги главы 3. Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов - номер 4, страница 173.

4. «Гидравлические машины на службе у человека» (возможная форма: презентация, изготовление модели, опыты).

Решение

Данный вопрос представляет собой тему для проектной или исследовательской работы. Ниже представлен развернутый материал, который можно использовать для подготовки презентации, а также инструкции по изготовлению модели и проведению опытов.

1. Презентация: Теоретические основы и применение гидравлических машин

Введение

Гидравлические машины — это устройства, использующие жидкость (обычно специальное масло) для передачи энергии и создания больших усилий. Их работа основана на фундаментальном принципе гидростатики — законе Паскаля.

Закон Паскаля

Закон Паскаля гласит, что давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях. В простейшей гидравлической машине, такой как гидравлический пресс, используются два соединенных сосуда с поршнями разной площади.

Давление $p$ определяется как отношение силы $F$ к площади $S$, на которую эта сила действует:

$p = \frac{F}{S}$

Согласно закону Паскаля, давление под малым поршнем ($p_1$) равно давлению под большим поршнем ($p_2$):

$p_1 = p_2$

Отсюда следует ключевое соотношение для гидравлической машины:

$\frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2}$

где $F_1$ и $S_1$ — сила и площадь малого поршня, а $F_2$ и $S_2$ — сила и площадь большого поршня. Из этой формулы можно выразить силу на большом поршне:

$F_2 = F_1 \cdot \frac{S_2}{S_1}$

Это соотношение показывает, что сила на большом поршне во столько раз больше силы, приложенной к малому поршню, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого. Это и есть выигрыш в силе.

При этом, согласно закону сохранения энергии, работа, совершаемая силами, одинакова (в идеальном случае, без учета трения): $A_1 = A_2$. Так как работа $A = F \cdot h$ (где $h$ — высота перемещения поршня), то $F_1 \cdot h_1 = F_2 \cdot h_2$. Это означает, что малый поршень должен пройти больший путь, чтобы поднять большой поршень на меньшую высоту. Мы проигрываем в расстоянии, выигрывая в силе.

Применение гидравлических машин

• Гидравлический пресс: Используется в промышленности для штамповки, ковки, прессования отходов, производства пластмассовых изделий.

• Гидравлический домкрат и подъемник: Широко применяются в автомастерских для подъема автомобилей.

• Гидравлические тормоза: Являются стандартной системой в большинстве автомобилей. Усилие от ноги водителя на педаль тормоза передается через жидкость к тормозным колодкам на колесах.

• Строительная техника: Экскаваторы, бульдозеры, краны и погрузчики используют гидравлику для управления своими рабочими органами (ковшами, стрелами), что позволяет им развивать огромные усилия.

• Авиация и космонавтика: Гидравлические системы используются для управления шасси, закрылками, рулями высоты и направления самолетов.

Ответ: Принцип действия гидравлических машин основан на законе Паскаля, который позволяет получать значительный выигрыш в силе за счет разницы площадей поршней; это находит широкое применение в транспорте, промышленности и строительстве для выполнения работ, требующих больших усилий.

2. Изготовление модели: Простой гидравлический подъемник

Для наглядной демонстрации принципа работы гидравлической машины можно собрать простую действующую модель.

Необходимые материалы:

• Два медицинских шприца без игл разного объема, например, на 5 мл и 20 мл.

• Гибкая прозрачная трубка (например, от медицинской капельницы) длиной 20-30 см.

• Вода (можно подкрасить пищевым красителем для наглядности).

• Картон, фанера или пластик для изготовления платформы подъемника.

• Клеевой пистолет или прочный скотч.

• Небольшой груз для испытаний (например, ластик, машинка).

Порядок сборки:

1. Наберите в больший шприц (20 мл) подкрашенную воду, оставив поршень примерно посередине.

2. Наденьте один конец трубки на носик этого шприца. Аккуратно надавливайте на поршень, пока вода не заполнит всю трубку, вытеснив воздух.

3. Полностью опустите поршень малого шприца (5 мл) и наденьте на его носик второй конец трубки с водой.

4. Теперь у вас есть замкнутая гидравлическая система. Проверьте ее: нажимая на поршень одного шприца, вы должны видеть, как выдвигается поршень другого. В системе не должно быть пузырьков воздуха.

5. Изготовьте из картона или фанеры небольшую П-образную конструкцию или простую платформу. Закрепите больший шприц вертикально так, чтобы его поршень мог поднимать платформу.

6. Малый шприц будет служить "пультом управления". Модель готова.

Ответ: Простую модель гидравлического подъемника можно изготовить из двух шприцев разного объема, соединенных трубкой и заполненных водой; такая модель наглядно демонстрирует передачу усилия и выигрыш в силе.

3. Опыты: Исследование работы гидравлической модели

С помощью собранной модели можно провести несколько наглядных опытов.

Опыт 1: Демонстрация выигрыша в силе

Поставьте на платформу, закрепленную на большом шприце, небольшой груз. Попробуйте поднять его, нажимая на поршень малого шприца. Вы почувствуете, что для этого требуется небольшое усилие. Теперь поменяйте шприцы местами: попробуйте поднять тот же груз, нажимая на поршень большого шприца (при этом груз должен стоять на малом). Вы заметите, что теперь требуется значительно большее усилие. Этот опыт качественно доказывает, что система дает выигрыш в силе, когда мы прикладываем усилие к меньшему поршню.

Опыт 2: Соотношение перемещений

Возьмите линейку. Полностью вдвиньте поршень малого шприца (5 мл). Измерьте, на какое расстояние $h_1$ он переместился. Одновременно измерьте, на какое расстояние $h_2$ выдвинулся поршень большого шприца (20 мл). Вы увидите, что $h_1 > h_2$. Это демонстрирует проигрыш в расстоянии, который сопутствует выигрышу в силе.

Опыт 3: Проверка теоретических расчетов (при наличии данных)

Если известны диаметры поршней шприцев ($d_1$ и $d_2$), можно проверить основное соотношение. Площадь поршня $S = \pi R^2 = \pi (d/2)^2 = \frac{\pi d^2}{4}$. Отношение площадей:

$\frac{S_2}{S_1} = \frac{\pi d_2^2 / 4}{\pi d_1^2 / 4} = (\frac{d_2}{d_1})^2$

Из предыдущего опыта у вас есть отношение перемещений $h_1/h_2$. В идеальной системе должно выполняться равенство:

$\frac{F_2}{F_1} = \frac{h_1}{h_2} = \frac{S_2}{S_1}$

Сравните полученное из опыта отношение $h_1/h_2$ с расчетным отношением площадей $(d_2/d_1)^2$. Они должны быть близки. Расхождения могут быть вызваны трением в шприцах и наличием воздуха в системе.

Ответ: Опыты с моделью из шприцев подтверждают теоретические принципы: прикладывая силу к меньшему поршню, мы получаем выигрыш в силе на большем поршне, но проигрываем в расстоянии, на которое он перемещается, что соответствует закону сохранения энергии.