Ответьте на вопросы, страница 145 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему гидравлическую машину заполняют минеральным маслом, а не водой?

2. Почему при использовании гидравлической машины выигрыш в силе всегда меньше отношения площадей его поршней?

3. Почему предохранительный клапан $K_3$ устанавливают в большом цилиндре гидравлического пресса, а не в малом?

4. Почему при использовании гидравлического пресса необходимо произвести несколько ходов малым поршнем?

1. Почему гидравлическую машину заполняют минеральным маслом, а не водой?

Гидравлические машины заполняют минеральным маслом вместо воды по нескольким ключевым причинам, связанным с эксплуатационными характеристиками и долговечностью оборудования.

Во-первых, вода является сильным окислителем для металлов, из которых сделаны детали машины (например, для стали и чугуна). Ее использование привело бы к быстрой коррозии (ржавлению) цилиндров, поршней и других внутренних поверхностей, что вызвало бы их разрушение и заклинивание. Минеральное масло, напротив, не вызывает коррозии и обладает антикоррозийными свойствами, защищая металлические детали.

Во-вторых, масло является хорошей смазкой. Оно создает тонкую пленку между движущимися частями, такими как поршни и стенки цилиндров, значительно уменьшая трение и износ. Вода же обладает очень плохими смазывающими свойствами, что привело бы к повышенному трению, перегреву и быстрому износу деталей.

В-третьих, масло имеет более широкий диапазон рабочих температур. Вода замерзает при 0°C и кипит при 100°C (при нормальном давлении). Замерзание воды может разрушить систему, а закипание и образование пара сделают ее неработоспособной, так как пар, в отличие от жидкости, легко сжимаем. Специальные гидравлические масла имеют низкую температуру замерзания (до -40°C и ниже) и высокую температуру кипения (свыше 200°C), что позволяет использовать машину в различных климатических и производственных условиях.

Ответ: Минеральное масло используют потому, что оно, в отличие от воды, обладает смазывающими и антикоррозийными свойствами, а также имеет более широкий диапазон рабочих температур, что обеспечивает надежную и долговечную работу гидравлической машины.

2. Почему при использовании гидравлической машины выигрыш в силе всегда меньше отношения площадей его поршней?

В идеальной гидравлической машине, где нет никаких потерь энергии, выигрыш в силе точно равен отношению площадей поршней. Это следует из закона Паскаля, согласно которому давление $\text{p}$, создаваемое в жидкости малым поршнем, передается без изменений во все точки жидкости. Таким образом, давление под обоими поршнями одинаково: $p_1 = p_2$. Поскольку давление – это сила, деленная на площадь ($p = F/S$), то $F_1/S_1 = F_2/S_2$. Отсюда теоретический выигрыш в силе равен: $F_2/F_1 = S_2/S_1$.

Однако в реальной гидравлической машине всегда существуют потери энергии, из-за которых фактический выигрыш в силе оказывается меньше теоретического. Основные причины этих потерь:

1. Сила трения. Между поршнями и стенками цилиндров, а также в уплотнениях, возникает сила трения, направленная против движения поршней. Часть приложенной силы $F_1$ тратится на преодоление трения в малом цилиндре, а сила $F_2$, создаваемая большим поршнем, уменьшается на величину силы трения в большом цилиндре.

2. Вес поршней. Часть силы, создаваемой давлением жидкости, расходуется на подъем большого поршня, масса которого может быть значительной.

3. Вязкость жидкости. При движении жидкости возникают силы внутреннего трения (вязкость), которые также приводят к потерям энергии.

Из-за этих потерь работа, совершаемая большим поршнем, всегда меньше работы, совершаемой малым поршнем. Следовательно, и реальный выигрыш в силе всегда меньше, чем отношение площадей $S_2/S_1$.

Ответ: Реальный выигрыш в силе меньше теоретического из-за неизбежных потерь энергии на преодоление сил трения (между поршнями и цилиндрами, а также внутри жидкости) и на подъем поршней.

3. Почему предохранительный клапан К3 устанавливают в большом цилиндре гидравлического пресса, а не в малом?

Согласно закону Паскаля, давление в любой точке покоящейся жидкости одинаково. Это означает, что давление в малом и большом цилиндрах гидравлического пресса в любой момент времени одно и то же. Таким образом, с точки зрения измерения давления, место установки клапана не имеет принципиального значения — он сработает при достижении заданного давления независимо от того, где он находится.

Однако предохранительный клапан устанавливают в большом цилиндре из соображений функциональной безопасности и логики работы пресса. Главная задача пресса — создавать большое усилие $F_2$ на большом поршне, которое равно произведению давления на площадь этого поршня: $F_2 = p \cdot S_2$. Предохранительный клапан предназначен для того, чтобы ограничить это максимальное усилие и предотвратить повреждение пресса или обрабатываемой детали, если давление в системе превысит допустимое значение.

Установка клапана непосредственно в большом цилиндре связывает его срабатывание с той частью системы, где генерируется и прикладывается конечное, потенциально опасное усилие. Это наиболее прямое и надежное место для контроля параметра (давления), который непосредственно определяет величину этого усилия. Хотя давление одинаково, именно в большом цилиндре оно "превращается" в огромную силу, которую и нужно контролировать.

Ответ: Предохранительный клапан устанавливают в большом цилиндре, потому что его основная задача — ограничить максимальное выходное усилие пресса. Так как это усилие создается именно большим поршнем, размещение клапана в большом цилиндре обеспечивает наиболее прямой и надежный контроль над давлением в той части системы, которая отвечает за создание этого усилия.

4. Почему при использовании гидравлического пресса необходимо произвести несколько ходов малым поршнем?

Это связано с принципом работы гидравлического пресса, который дает выигрыш в силе за счет проигрыша в расстоянии. В основе этого лежит закон сохранения объема для практически несжимаемой жидкости.

Когда малый поршень с площадью $S_1$ опускается на высоту $h_1$, он вытесняет объем жидкости $V_1 = S_1 \cdot h_1$. Этот же объем жидкости поступает в большой цилиндр и заставляет большой поршень с площадью $S_2$ подняться на высоту $h_2$. Объем жидкости, поднявший большой поршень, равен $V_2 = S_2 \cdot h_2$.

Поскольку жидкость несжимаема, вытесненный объем равен поступившему: $V_1 = V_2$, то есть $S_1 \cdot h_1 = S_2 \cdot h_2$.

Из этого соотношения можно выразить высоту подъема большого поршня: $h_2 = h_1 \cdot (S_1 / S_2)$.

Так как площадь большого поршня $S_2$ значительно больше площади малого поршня $S_1$, то и высота подъема большого поршня $h_2$ за один ход малого поршня будет во столько же раз меньше высоты хода малого поршня $h_1$.

Чтобы поднять большой поршень на заметную, практически полезную высоту, необходимо "перекачать" в большой цилиндр значительный объем жидкости. Это достигается путем многократного повторения циклов: малый поршень совершает ход, выталкивая порцию жидкости, затем возвращается в исходное положение (засасывая новую порцию из резервуара через специальный клапан), и снова совершает рабочий ход. Каждый такой ход добавляет небольшой объем жидкости в большой цилиндр, понемногу поднимая большой поршень.

Ответ: За один ход малый поршень перемещает большой поршень на очень малое расстояние, так как выигрыш в силе достигается за счет проигрыша в расстоянии ($h_2 = h_1 \cdot S_1 / S_2$). Чтобы поднять большой поршень на значимую высоту, необходимо суммировать эти малые перемещения, совершая несколько ходов малым поршнем.