Hydraulika

O nie! Jenny złapała gumę. Będzie musiała podnieść samochód, żeby zmienić oponę. Jak może podnieść coś tak ciężkiego jak samochód? Sama Jenny nie jest wystarczająco silna, czyli nie może wytworzyć wystarczająco dużej siły, aby podnieść samochód.

Ale na szczęście ma podnośnik, którym może wykorzystać, aby łatwo podnieść samochód. Podnośnik wykorzystuje płyn, aby zwielokrotnić siły. Posiada tak zwany układ hydrauliczny. Zobaczmy, jak to działa! Najpierw musimy pamiętać o trzech rzeczach dotyczących płynów i ciśnienia.

Po pierwsze, płynów nie da się ścisnąć, żeby zajmowały mniej miejsca. Napełnij strzykawkę wodą. Zakryj otwór palcem i spróbuj nacisnąć tłok strzykawki. Czujesz wzrost ciśnienia w strzykawce, ale tłok nie porusza się. Tłok przesunie się dopiero wtedy, gdy przestaniesz zakrywać palcem otwór strzykawki, a woda będzie mogła z niej wypłynąć.

Objętość cieczy nie zmienia się pod ciśnieniem: mówimy, że płyny są nieściśliwe. Po drugie, siła przyłożona do cieczy z jednej strony wytwarza wszędzie w płynie jednakowy nacisk. Po naciśnięciu tłoka pełnej strzykawki, ciśnienie rozkłada się równomiernie w płynie oraz na ścianach strzykawki. Ciśnienie w cieczach rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach. Po trzecie, ciśnienie równa się sile podzielonej przez powierzchnię, na którą działa siła.

Jaką rolę odgrywają więc te właściwości w hydraulicznym podnośniku Jenny? Podnośnik ma dwa połączone ze sobą cylindry. Każdy cylinder jest wypełniony płynem i zawiera metalową część, która może przesuwać się w górę i w dół, czyli tłok. Jeden z cylindrów jest znacznie mniejszy od drugiego. Kiedy Jenny naciska dźwignię podnośnika, tłok wewnątrz mniejszego cylindra wywiera nacisk na płyn.

Ciecz nie może zostać ściśnięta, więc przesuwa się do drugiego cylindra i popycha większy tłok w górę. Ciśnienie również rozkłada się równomiernie w całej cieczy. Tak więc, ponieważ oba cylindry są połączone, ciśnienie w większym cylindrze musi być równe ciśnieniu w mniejszym cylindrze. Jednakże cylindry i tłoki mają różne powierzchnie, więc na każdy tłok działa inna siła. Jak bardzo różnią się od siebie te siły?

Użyjmy wzoru na ciśnienie, aby się przekonać! Siła, jaką Jenny przykłada do mniejszego tłoka wynosi 200 niutonów. Powierzchnia mniejszego tłoka wynosi 0,1 m2 [metra kwadratowego]. Nacisk, który stworzyła ma wartość 200 niutonów podzielone przez 0,1 m2 [metra kwadratowego] i wynosi 2000 paskali. Powierzchnia większego tłoka wynosi 0,8 m2 [metra kwadratowego].

Nacisk wywierany na duży tłok wynosi 2000 paskali. Tak więc siła wywierana na powierzchnię dużego tłoka wynosi 2000 paskali razy 0,8 m2 [metra kwadratowego], co odpowiada 1600 niutonom. Jenny przyłożyła po swojej stronie siłę wynoszącą 200 niutonów, który zamieniła się w 1600 niutonów po drugiej stronie. Siła została zwielokrotniona! Za każdym razem, gdy Jenny naciska dźwignię podnośnika, zwiększa ciśnienie w cieczy, co z kolei zwiększa siłę większego tłoka, który powoli podnosi samochód!

Układy hydrauliczne jak ten w podnośniku samochodowym mają wiele zastosowań: od maszyn takich jak dźwigi i koparki, po hamulce samochodowe i diabelskie młyny. To wcale nie takie ciężkie, płyn wykonuje za mnie całą ciężką pracę!