Реферат на тему «Гидравлические машины на службе у человека»

Введение

Когда водитель нажимает на педаль тормоза, усилие его ноги в несколько десятков ньютонов превращается в силу, способную за секунды остановить машину массой полторы тонны. Когда экскаватор поднимает ковш с грунтом, а автомобиль в шиномонтаже без труда приподнимают на подъёмнике, в основе снова лежит одна и та же идея: жидкость почти не сжимается и передаёт давление во все стороны одинаково. Эту закономерность в середине XVII века описал Блез Паскаль, и с тех пор на ней построено множество машин, без которых трудно представить современное хозяйство. Слово «гидравлика» происходит от греческих слов, означающих воду и трубу, но сегодня в большинстве гидравлических систем работает не вода, а минеральное масло.

Гидравлическими машинами в технике называют устройства, которые либо сообщают энергию жидкости, либо отбирают её у потока. К первым относятся насосы, ко вторым гидравлические двигатели и турбины, а гидравлический пресс, домкрат и тормозная система автомобиля представляют собой сочетание насоса и двигателя, соединённых трубопроводом. Такое деление удобно, потому что сразу показывает, откуда в машине берётся энергия и куда она уходит. Человеку, далёкому от техники, гидравлика обычно видится чем-то узкоспециальным, хотя её приходится встречать каждый день, от водопроводного крана до лифта в многоэтажном доме.

Насколько широко гидравлика вошла в жизнь, видно уже по простому перечню машин, которые можно встретить в городе, на стройке, в поле и на электростанции. Одни из них развивают огромное усилие при небольшом ходе, другие перекачивают тысячи кубометров воды, третьи превращают энергию падающей реки в электрический ток. Наиболее распространённые гидравлические машины, принцип их работы и области применения сведены в таблицу 1.

Таблица 1 — Гидравлические машины и их применение

По таблице заметно, что одни машины служат для того, чтобы развить большое усилие, а другие для того, чтобы перекачать жидкость или получить от неё энергию. Первые обычно работают при высоком давлении, иногда в сотни атмосфер, и небольшом расходе масла, вторые, наоборот, пропускают через себя огромные объёмы воды при сравнительно невысоком напоре. Общим остаётся то, что во всех случаях энергия передаётся через жидкость, и это даёт гидравлике особые достоинства: плавность хода, возможность передавать усилие по гибким шлангам и точно управлять им с помощью клапанов.

Реферат состоит из трёх глав. В первой рассматриваются физические основы гидравлики и история её развития, от опытов Паскаля до первых промышленных прессов, а также гидравлические турбины, на которых держится гидроэнергетика. Во второй главе речь идёт о гидравлике в транспорте, строительстве и промышленности, а в третьей о насосах, водоснабжении и перспективах гидропривода. Материалом послужили школьный учебник физики, учебные пособия по гидравлике и гидромашинам, а также открытые данные о крупнейших гидроэлектростанциях России.

Глава 1. Физические основы и история гидравлических машин

1.1. Закон Паскаля и гидравлический пресс

Закон Паскаля утверждает, что давление, производимое на жидкость или газ, передаётся в любую точку без изменения во всех направлениях. Паскаль изложил эту мысль в «Трактате о равновесии жидкостей», написанном в 1650-х годах и изданном уже после смерти учёного, в 1663 году. В том же трактате он описал и то, что позже назовут гидравлическим прессом: если соединить трубкой два сосуда с поршнями разной площади, то человек, надавив на узкий поршень, сможет удержать на широком груз, во много раз превышающий его собственное усилие. Паскаль даже назвал такое устройство новой машиной для умножения сил.

Выигрыш в силе легко посчитать. Давление под обоими поршнями одинаково, а сила равна давлению, умноженному на площадь, поэтому отношение сил равно отношению площадей поршней. Если площадь большого поршня в сто раз больше площади малого, то усилие в 100 ньютонов на малом поршне создаёт на большом силу в 10 000 ньютонов, то есть около тонны. При этом, как и в случае рычага, выигрыш в силе оплачивается проигрышем в расстоянии: чтобы поднять большой поршень на один сантиметр, малый придётся опустить на целый метр, и работа в идеальном случае остаётся одинаковой.

На практике идея Паскаля долго оставалась любопытным опытом, потому что в XVII веке не умели делать плотные манжеты, которые не пропускали бы воду под высоким давлением. Решение нашёл английский изобретатель Джозеф Брама, получивший в 1795 году патент на гидравлический пресс. Его помощник Генри Модсли придумал кожаную манжету, которая тем плотнее прижималась к стенкам цилиндра, чем выше становилось давление, и пресс наконец заработал. Уже в начале XIX века такие прессы применялись для упаковки хлопка, отжима масла из семян и испытания якорных цепей, а в конце века гидравлика пришла в лифты, подъёмные мосты и портовые краны.

Сегодня гидравлические прессы развивают усилие в десятки тысяч тонн. Самые крупные прессы России, работающие на металлургических заводах в Верхней Салде и Самаре, развивают усилие около 75 000 тонн-сил, и на них штампуют большие детали для самолётов. Принцип его работы остался тем же, что у Паскаля, только жидкость подаётся мощными насосами, а движение поршней контролирует автоматика. Так школьный закон, который обычно проверяют на уроке с помощью шара Паскаля с отверстиями, стал основой одной из главных машин тяжёлой промышленности.

1.2. Гидравлические турбины и гидроэнергетика

Если пресс использует жидкость для передачи усилия, то турбина забирает у потока его собственную энергию. Предком турбины было водяное колесо, известное ещё в античности и веками приводившее в движение мельницы, кузнечные молоты и лесопилки. В XIX веке инженеры научились делать колёса с изогнутыми лопатками, которые работали заметно эффективнее, и так появились три основных типа турбин, используемых до сих пор: радиально-осевая турбина Фрэнсиса, ковшовая турбина Пелтона для очень высоких напоров и поворотно-лопастная турбина Каплана для рек с большим расходом воды и небольшим напором.

Выбор турбины зависит от того, с какой высоты падает вода и сколько её проходит через станцию за секунду. На горной реке, где напор достигает сотен метров, а расход невелик, выгоднее ковшовая турбина, на равнинной реке с плотиной в двадцать метров ставят поворотно-лопастные машины. Коэффициент полезного действия современных крупных гидротурбин превышает 90 процентов, и по этому показателю они превосходят почти все другие тепловые и механические двигатели. Неудивительно, что гидроэлектростанции до сих пор остаются одним из самых дешёвых источников электроэнергии.

Россия занимает одно из первых мест в мире по запасам гидроэнергии, и самые мощные её станции построены на сибирских реках, прежде всего на Енисее и Ангаре. Установленная мощность крупнейших российских ГЭС показана на рисунке 1.

Саяно-Шушенская ГЭС мощностью 6400 мегаватт вырабатывает в многоводный год больше 20 миллиардов киловатт-часов, и этого хватило бы на снабжение нескольких крупных городов. Авария на этой станции в августе 2009 года, когда разрушился один из гидроагрегатов и погибли 75 человек, показала, что огромная энергия воды требует особенно тщательного контроля за состоянием оборудования. После восстановления станция получила новые турбины, и её опыт заметно изменил правила эксплуатации гидроагрегатов по всей стране.

Гидротурбины и прессы находятся на противоположных концах гидравлической техники, но их объединяет один физический принцип: давление жидкости, её масса и скорость можно превратить в полезную работу. Между этими крайностями находится огромное число машин поменьше, от тормоза автомобиля до гидроусилителя руля и экскаватора. О том, как гидравлика служит человеку в транспорте, строительстве и промышленности, рассказывает вторая глава реферата.