Ο νόμος του Pascal και οι εφαρμογές του
Σύμφωνα με το νόμο του Pascal, η πίεση που ασκείται σε ένα ρευστό σε ένα καλά σφραγισμένο δοχείο κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλα ή σε οποιοδήποτε σημείο μέσα στο υγρό και δρα προς όλες τις κατευθύνσεις. Ο νόμος του Πασκάλ ισχύει τόσο για στερεά όσο και για υγρά.
Ο Blaise Pascal, Γάλλος φυσικός και μαθηματικός, πρότεινε τον νόμο. Όταν ένα υγρό βρίσκεται σε ηρεμία, παρατήρησε ότι η ίδια πίεση ασκείται σε όλα τα σημεία στο ίδιο ύψος. Τώρα καταλαβαίνουμε ότι η πίεση δεν είναι διανυσματική ποσότητα και επομένως δεν μπορεί να αποδοθεί σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Αν πάρουμε το ρευστό ως μια οριζόντια ράβδο με ομοιόμορφη διατομή σε κατάσταση ισορροπίας, μπορούμε να δούμε ότι θα ασκηθεί ίση και ισορροπημένη δύναμη και στα δύο άκρα. Ωστόσο, αν φανταστούμε μια άνιση δύναμη που εφαρμόζεται στην οριζόντια ράβδο, το υγρό θα βιώσει κάποια καθαρή δύναμη και ροή. Ως αποτέλεσμα, είναι σωστό να δηλωθεί ότι επειδή το υγρό δεν ρέει, βρίσκεται υπό την ίδια πίεση σε όλα τα σημεία.
Τύπος του νόμου Pascal
Ο τύπος του νόμου του Πασκάλ είναι
P =F/A
F =P × A
P =Εφαρμοσμένη πίεση
F =Δύναμη
A =Επιφάνεια διατομής
Απλό παράδειγμα του νόμου του Pascal
Καταλαβαίνουμε τον νόμο του Πασκάλ με ένα απλό παράδειγμα,
Μια πίεση 1000 Pa μεταδίδεται σε μια στήλη υγρού με την εφαρμογή δύναμης σε ένα έμβολο. Εάν το έμβολο έχει επιφάνεια 0,5 m2, ποια είναι η δύναμη που εφαρμόζεται;
Λύση:
Δεδομένου,
P =1000 Pa
A =0,5 m2,
Σύμφωνα με τον τύπο του νόμου του Pascal, γνωρίζουμε ότι
F =1000 × 0,5
F =500 N
Εφαρμογές του νόμου του Pascal
Υπάρχουν πολλές εφαρμογές του νόμου του Pascal. Είναι οι εξής:
- Υδραυλικός ανελκυστήρας:Ένας υδραυλικός ανελκυστήρας έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Περιλαμβάνει ένα υδραυλικό σύστημα που του επιτρέπει να ανυψώνει μεγάλα αντικείμενα. Η δύναμη που παρέχεται στους υδραυλικούς ανελκυστήρες παρέχει "ανύψωση" και "εργασία".
Λειτουργεί με την υπόθεση της ίσης κατανομής πίεσης σε όλο το ρευστό. Ένας στενός κύλινδρος (Α) συνδέεται με έναν μεγαλύτερο κύλινδρο (Β) που είναι γεμάτος με ασυμπίεστο ρευστό και έχει αεροστεγή έμβολα. Η μαθηματική περιγραφή του νόμου του Pascal βοηθά στον προσδιορισμό της ποσότητας πίεσης που μπορεί να ασκηθεί στο ρευστό στο έμβολο για να δημιουργήσει επαρκή δύναμη για την ανύψωση και την κίνηση ενός αντικειμένου.
Όταν η πίεση του εμβόλου Α μεταφέρεται στο έμβολο Β, το έμβολο Β ανυψώνει μεγάλα αντικείμενα όπως μηχανές και αυτοκίνητα. Η τεχνολογία υδραυλικής ανύψωσης χρησιμοποιείται σε μια ποικιλία βιομηχανιών, όπως η κατασκευή, οι κατασκευές και οι μεταφορές.
- Υδραυλικό γρύλο:Η αρχή του νόμου του Pascal ακολουθείται από υδραυλικούς γρύλους, οι οποίοι ταξινομούνται ως κλειστά δοχεία. Χρησιμοποιούνται για να βοηθήσουν τους ανθρώπους να μετακινούν μεγάλα αντικείμενα.
Ο υδραυλικός γρύλος αποτελείται από δύο κυλίνδρους, έναν μεγαλύτερο και έναν μικρότερο, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους. Όταν η λαβή πιέζεται προς τα κάτω, μια βαλβίδα κλείνει, αναγκάζοντας το ρευστό μέσω μιας άλλης βαλβίδας σε έναν μεγαλύτερο κύλινδρο, ο οποίος στη συνέχεια παρέχει μια μεγάλη δύναμη που πρέπει να μεταδοθεί στο φορτίο. Ως αποτέλεσμα, μπορούμε να δηλώσουμε ότι όταν ασκείται δύναμη, ασκείται πίεση σε όλο τον όγκο και την επιφάνεια του κυλίνδρου.
Το φορτίο ανυψώνεται επαρκώς από τη δεξαμενή ρυθμιστή ροής υδραυλικού ρευστού στον μικρό κύλινδρο μετακινώντας τη λαβή πάνω και κάτω επανειλημμένα. Οι υδραυλικοί γρύλοι είναι αρκετά χρήσιμοι στον τομέα των αυτοκινήτων και χρησιμοποιούνται συχνά για την ανύψωση αυτοκινήτων από το έδαφος για επισκευές και συντήρηση.
- Υδραυλικά φρένα:Ο υδραυλικός μηχανισμός πέδησης που παρατηρείται στα αυτοκίνητα είναι ένα από τα πιο κοινά παραδείγματα του νόμου του Pascal. Η αρχή του νόμου του Πασκάλ ισχύει κάθε φορά που βλέπετε ένα αυτοκίνητο να σταματάει.
Το σύστημα πέδησης στα αυτοκίνητα αποτελείται από διάφορα εξαρτήματα. Το έμβολο και η ράβδος στον κύριο κύλινδρο κινούνται όταν ασκείται πίεση στο πεντάλ του φρένου. Η πίεση από το πεντάλ του φρένου μεταδίδεται στους τροχούς του αυτοκινήτου ενάντια στους δίσκους πέδησης ή τα τύμπανα φρένων μέσω ενός υγρού που είναι γνωστό ως υγρό φρένων ή υδραυλικό, το οποίο περικλείεται στο δοχείο. Το όχημα σταματά λόγω της δύναμης τριβής μεταξύ αυτών των στοιχείων δύναμης. Τα αυτοκίνητα, οι μοτοσικλέτες και τα φορτηγά χρησιμοποιούν υδραυλικά φρένα.
- Υδραυλικές αντλίες:Η κίνηση ενός ρευστού υποβοηθείται από υδραυλικές αντλίες, οι οποίες μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε υδραυλική ενέργεια, και εδώ είναι που ο νόμος του Πασκάλ μπαίνει ξανά στο παιχνίδι.
Η εκκένωση υγρού υποβοηθάται από υδραυλικές αντλίες. Έχει έναν μικροσκοπικό κύλινδρο που συνδέεται με έναν μεγαλύτερο κύλινδρο, και οι δύο είναι γεμάτοι με λάδι. Η επιφάνεια του λαδιού συμπιέζεται από πεπιεσμένο αέρα που παρέχεται στον μικροσκοπικό κύλινδρο. Το λάδι μεταδίδει αυτήν την πίεση στον κύριο κύλινδρο, όπου δρα σε ένα τεράστιο έμβολο για να δημιουργήσει μια δύναμη αρκετά ισχυρή για να ανυψώσει ένα αυτοκίνητο.
Στον τομέα των οχημάτων, χρησιμοποιούνται συνήθως υδραυλικές αντλίες.
- Υδραυλικό σύστημα αεροσκαφών:Το υδραυλικό σύστημα ισχύος βοηθά στη διαχείριση των πτερυγίων, του εξοπλισμού προσγείωσης και των επιφανειών ελέγχου πτήσης, καθώς και στην επιβράδυνση των αεροπλάνων στους διαδρόμους προσγείωσης.
Τρία σημαντικά μηχανικά εξαρτήματα και υδραυλικό υγρό συνθέτουν ένα υδραυλικό σύστημα αεροπλάνου. Ακόμη και ένας μικροσκοπικός όγκος υδραυλικού υγρού μπορεί να βοηθήσει στη μετάδοση σημαντικής δύναμης. Υπάρχουν διαφορετικές πιέσεις στο υδραυλικό υγρό σε επαφή με τους κυλίνδρους/έμβολα. Το λάδι μπορεί να αντληθεί και στις δύο πλευρές της κεφαλής του εμβόλου, καθώς είναι σε υψηλότερη πίεση. Η βαλβίδα επιλογής χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της κατεύθυνσης ροής του υγρού.
Συμπέρασμα
Ο νόμος του Pascal, κοινώς γνωστός ως η αρχή της μετάδοσης πίεσης ρευστού ή η αρχή του Pascal, είναι μια σημαντική θεωρία της μηχανικής των ρευστών. Ο νόμος διατυπώθηκε για πρώτη φορά το 1653 από τον Γάλλο μαθηματικό και φυσικό Blaise Pascal και είναι γνωστός ως νόμος του Πασκάλ ή Αρχή του Πασκάλ μετά από αυτόν.
Μια αλλαγή της πίεσης σε οποιοδήποτε σημείο ενός περιορισμένου ασυμπίεστου στατικού ρευστού διαδίδεται ομοιόμορφα σε όλο το υγρό προς όλες τις κατευθύνσεις, σύμφωνα με το νόμο του Pascal.
