Propozycja doświadczenia na Konkurs ZZZ Imię i nazwisko ucznia 1

1
Propozycja doświadczenia na Konkurs ZZZ
Imię i nazwisko ucznia 1
Patrycja Zawadzka
Imię i nazwisko ucznia 2
Katarzyna Tomaszewicz
Numer grupy / numer zespołu
312/G/NYS/OPO_ZES_NR_4
Nazwa i adres szkoły
Gimnazjum nr 3 im. Żołnierzy Armii Krajowej
w Nysie
ul. T. Kościuszki 10 48-300 Nysa
Imię i nazwisko nauczyciela
Beata Krzan
Tytuł pokazu
Prawo Pascala w praktyce, czyli
kilka słów o urządzeniach hydraulicznych.
Dział fizyki
Hydrostatyka
•
•
•
Potrzebne materiały do doświadczeń
•
•
Koszt materiałów do doświadczeń
strzykawki jednorazowe 2 ml – 2 sztuki
strzykawki jednorazowe 10 ml – 3 sztuki
3 kawałki wężyka igielitowego (o
długości ok. 20 cm każdy),
woda zabarwiona atramentem (lub
farbką, nadmanganianem potasu)
(wskazany - trójnik od kroplówek)
strzykawki - około 4 zł
reszta: materiały znalezione w domu
Wykorzystane eksperymenty
nie więcej niż trzy połączone tematycznie
Nazwa / tytuł
1. Cele przeprowadzenia doświadczeń:
1. Model prasy hydraulicznej.
2. Model hydraulicznego układu hamulcowego.
2
1. Poznanie prawa Pascala wykorzystywanego w urządzeniach hydraulicznych .
2. Pokazanie jak działa prasa hydrauliczna oraz hydrauliczny układ hamulcowy samochodu
oraz na czym polega i dlaczego jest groźne zapowietrzenie układu hamulcowego.
2.
Opis wykonania doświadczeń:
Doświadczenie - Model prasy hydraulicznej.
1. Nałożyć wężyk igielitowy na małą 2 ml strzykawkę i napełnić go zabarwionym płynem.; zdjąć
ze strzykawki. (uwaga: aby płyn nie „uciekł” najpierw zatkać palcem wolny koniec wężyka,
a potem dopiero zdjąć go ze strzykawki).
2. Małą strzykawkę opróżnić z pęcherzyków powietrza i napełnić 1 ml zabarwionego płynu.
Większą 10 ml strzykawkę też napełnić 1 ml płynu.
3. Połączyć obie strzykawki wężykiem igielitowym, tak by w cieczy nie było pęcherzyków
powietrza.
4. Nacisnąć tłok dużej strzykawki i zaobserwować, jak przesuwa się tłok małej strzykawki.
5. Teraz nacisnąć tłok małej strzykawki i zaobserwować, jak przesuwa się tłok dużej.
6. Obserwacja: Zauważamy, że łatwiej przesuwać ciecz tłokiem małej strzykawki, niż dużej.
Doświadczenie – Model hamulca hydraulicznego.
1. Łączymy jedną małą strzykawkę 2 ml z dwiema dużymi 10 ml za pomocą trójnika od
kroplówek. Następnie napełniamy strzykawki, a także wężyki zabarwionym płynem
uważając, aby w systemie, który stworzyliśmy występował tylko jeden mały pęcherzyk
powietrza w dużej strzykawce. Strzykawki powinny leżeć obok siebie przy rozgałęzieniu
wężyka.
2. Jeśli nie mamy trójnika można połączyć układ tak jak w poprzednim doświadczeniu,
używając raz dokładnie napełnionej, a raz zapowietrzonej strzykawki (jak na zdjęciach).
3. Naciskamy tłok małej strzykawki. Obserwujemy jak zachowuje się tłok dużej strzykawki
wypełnionej cieczą, a jak tłok dużej strzykawki zapowietrzonej (ciecz zawiera pęcherzyk
powietrza).
4. Obserwacja: zauważamy, że w strzykawce bez pęcherza powietrza ruch tłoka następuje
szybciej i przesunięcie jest większe. W strzykawce z pęcherzem powietrza ruch tłoka
następował z opóźnieniem i jego przesunięcie było mniejsze.
3. Zdjęcia, rysunki do opisu wykonania doświadczeń (nie więcej niż 6 szt. o zmniejszonej
rozdzielczości):
Doświadczenie - Model prasy hydraulicznej:
3
Doświadczenie – Model hamulca hydraulicznego
Hamulec sprawny, niezapowietrzony (model).
Hamulec zapowietrzony (model).
Zapowietrzenie: ciecz z pęcherzami powietrza.
4. Wyjaśnienie teoretyczne:
Doświadczenie - Model prasy hydraulicznej.
Zauważyliśmy, że tłok małej strzykawki naciska się z mniejszym wysiłkiem niż tłok dużej strzykawki:
ciecz w zamkniętym układzie łatwiej przesuwać tłokiem małej strzykawki, niż dużej.
Dzieje się tak, ponieważ tłok w dużej strzykawce ma większą powierzchnię. Wytłumaczenie działania
prezentowanego układu strzykawek (modelu prasy hydraulicznej), oparte jest na prawie Pascala.
Prawo Pascala mówi, że jeśli na ciecz lub gaz w zbiorniku zamkniętym wywieramy ciśnienie
zewnętrzne, to ciśnienie wewnątrz zbiornika jest wszędzie jednakowe i równe ciśnieniu
zewnętrznemu, ciśnienie to rozchodzi się jednakowo we wszystkich kierunkach.
Prasa hydrauliczna – urządzenie techniczne
zwielokrotniające
siłę
nacisku
dzięki
wykorzystaniu
zjawiska stałości
ciśnienia
w zamkniętym układzie hydraulicznym.
Budowa: Prosta prasa hydrauliczna zbudowana
jest z dwóch połączonych ze sobą cylindrów,
które są wypełnione olejem hydraulicznym
i zamknięte szczelnymi tłokami. Cylinder roboczy
ma przeważnie znacznie większą średnicę niż
cylinder spełniający rolę pompy.
Zasada działania: Jeśli działamy określoną siłą F1
na tłok pompy (mały tłok), to na tłok roboczy
(duży tłok) działa znacznie większa siła F2.
4
Tłok pompy o powierzchni S1, na który działa siła
F1, wywołuje w układzie ciśnienie p: p = F1/S1
Zgodnie z prawem Pascala ciśnienie to rozchodzi
się we wszystkich kierunkach, więc działa także
na tłok roboczy o powierzchni S2 wywołując siłę
F2 = p*S2 = F1/S1 * S2 = S2/S1 * F1
F2.
Ze wzoru wynika, że siła F2 działająca na tłok
roboczy jest tyle razy większa od siły F1
działającej na tłok pompy, ile razy
powierzchnia S2 tłoka roboczego jest większa
od powierzchni S1 tłoka pompy.
Dlatego tłok małej strzykawki (odpowiednik
cylindra pompy) naciska się z mniejszym
wysiłkiem niż tłok dużej strzykawki (odpowiednik cylindra roboczego) i ciecz łatwiej jest przesuwać
tłokiem małej strzykawki, niż dużej.
W prasie hydraulicznej jest spełniona zasada zachowania energii. Praca (energia) wykonana przez
tłok pompy (o mniejszej powierzchni) jest równa sile F1 pomnożonej przez przesunięcie, które z kolei
jest tyle razy większe od przesunięcia tłoka roboczego (o większej powierzchni), ile razy przekrój
tłoka roboczego jest większy od przekroju tłoka pompy. Praca wykonana przez tłok roboczy jest
więc taka sama jak praca tłoka pompy.
Interpretacja fizyczna:
Zjawisko ciśnienia w cieczy wyobrażamy sobie podobnie, jak w gazie. Istnieją jednak pewne różnice,
wynikające z tego, że w gazie cząsteczki prawie ze sobą nie oddziałują (z powodu dużych odległości
międzycząsteczkowych), a w cieczy oddziałują silnie. Cząsteczki cieczy, podobnie jak cząsteczki gazu,
nie tworzą regularnej struktury. Bezustannie poruszają się i przesuwają względem siebie. Dlatego
ciecz może dostosowywać swój kształt do kształtu naczynia w którym się znajduje. Dlatego ciśnienie
może „rozchodzić się” w cieczy. W cieczach cząsteczki są blisko siebie i silnie ze sobą oddziaływają.
Można sobie wyobrazić, że cząsteczki naciśniete tłokiem w jednym miejscu „popychają się”
nawzajem. Udział tego oddziaływania w wyrównywaniu się ciśnienia ma istotne znaczenie.
Doświadczenie – Model hamulca hydraulicznego
W modelu hamulca hydraulicznego, zauważyliśmy, że w strzykawce bez pęcherza powietrza ruch
tłoka następował szybciej i przesunięcie było większe. W strzykawce zawierającej pęcherz powietrza
(zapowietrzonej) ruch tłoka następował z opóźnieniem i jego przesunięcie było mniejsze. Dzieje się
tak dlatego, że pęcherz powietrza (gaz) jest dużo bardziej ściśliwy (sprężysty) niż ciecz w strzykawce.
Zapowietrzone hamulce są groźne, gdyż następuje spadek skuteczności hamowania (zagrożenie
bezpieczeństwa jazdy). W przypadku sprawnych hamulców , gdy naciskamy pedał hamulca ściskamy
płyn hamulcowy w przewodach, a on dociska okładzinę klocków hamulcowych do tarczy w celu
hamowania. W hamulcu zapowietrzonym ściskamy najpierw powietrze, a żeby zacząć ściskać płyn
trzeba mocniej naciskać pedał (musi on wykonać większy skok). Czasem nawet maksymalne
naciśnięcie pedału nie wystarczy, by dostatecznie mocno docisnąć klocki hamulcowe do tarczy w efekcie: hamulec hamuje zbyt słabo lub wcale.
Zasada działania hamulca hydraulicznego (podstawowego układu w samochodzie osobowym) – jak
w przypadku prasy hydraulicznej – oparta jest , też na prawie Pascala.
Po naciśnięciu pedału hamulca płyn hamulcowy (ciecz) tłoczony jest w stronę tarcz (lub bębnów)
hamulcowych. Płyn hamulcowy dociska hamulce do tarcz zamocowanych przy kołach.
Hydrauliczny układ hamulcowy składa się z: pompki hamulcowej, przewodu hamulcowego,
cylinderków hamulcowych, klocków hamulcowych (szczęk hamulcowych), tarcz hamulcowych
(bębnów hamulcowych). Pompka hamulcowa i przewód hamulcowy tworzy szczelnie zamknięty
układ hydrauliczny z cylinderkiem hamulcowym. W momencie naciśnięcia hamulca (małej
strzykawki) wytwarzamy siłę powodującą powstanie ciśnienia, które działa na cylinderek hamulcowy
(tłok dużej strzykawki ). Wówczas tłok w cylinderku porusza się (duża strzykawka) powodując
5
dociśnięcie szczęk hamulcowych do tarczy hamulcowej i hamowanie. Naciskając pedał hamulca
zaczynamy tłoczyć płyn do tłoków, które znajdują się w cylindrach hamulców kół. Tłoki znajdujące
się w hamulcach kół przednich posiadają większą powierzchnię niż tłoki znajdujące się w tylnych
hamulcach. Przednie koła hamują mocniej niż tylne. Plusem tego układu hamulcowego jest to, że
siła hamowania jest rozkładana równo na koło prawe i lewe czego nie zapewniały stosowane
wcześniej układy cięgien.
Siła nacisku na pedał hamulca jest przenoszona do mechanizmów hamulcowych za pośrednictwem
cieczy (płynu hamulcowego).
5. Zastosowanie praktyczne prezentowanego zjawiska:
Praktyczne zastosowania prawa Pascala:
1. pompowanie dętki, materaca, dmuchanie balonów
2. w urządzeniach pneumatycznych ( gaz): młot pneumatyczny, prasa pneumatyczna, hamulce
pneumatyczne
3. w urządzeniach hydraulicznych (ciecz): układ hamulcowy, podnośnik hydrauliczny, prasa
hydrauliczna, pompa hydrauliczna, młot hydrauliczny, hydrauliczne napędy w obrabiarkach
skrawających, wtryskarkach, przekładniach hydrodynamicznych, podnośnikach różnego
rodzaju (np. windy), itp.
Każde urządzenie techniczne, w którym są stosowane siłowniki hydrauliczne wykorzystuje zasadę
prasy. Zalety napędów hydraulicznych to duże siły, płynny przesuw, łatwe i precyzyjne sterowanie
oraz bardzo duża trwałość. Istnieją różne zastosowania pras hydraulicznych:.
• Prasy hydrauliczne wykorzystywane są do: do obróbki plastycznej metali, do surowców
wtórnych, do badania wytrzymałości skał, do robienia wyprasek zniczowych, do
brykietowania, do fornirowania,
do prasowania proszków ceramicznych;
prasa
hydrauliczna warsztatowa o napędzie ręcznym; prasa hydrauliczna przenośna.
• Hamulce hydrauliczne wykorzystywane są np. w pojazdach samochodowych; często stosuje
się również hydrauliczne urządzenia wspomagające, których zadaniem jest zwiększenie
skuteczności hamowania i zmniejszenie wysiłku kierowcy.
• W pojazdach samochodowych wykorzystywane jest wiele pomp i siłowników hydraulicznych
i pneumatycznych: wspomaganie kierownicy, centralny zamek, pompa wodna, pompa
olejowa, pompa wtryskowa, zawieszenie hydrauliczne, hydrauliczne układy hamulcowe
6. Literatura, źródła dodatkowej informacji na temat prezentowanych zjawisk, zagadnień
http://pl.wikipedia.org/wiki/Prasa_hydrauliczna
„Spotkanie z fizyką” podręcznik fizyki dla gimnazjum, Grażyna Francuz-Ornat, Teresa Kulawik, Maria
Nowotny-Różańska
Fizyka – podręcznik dla klasy szóstej szkoły podstawowej, Jerzy Ginter, WSiP 1986 Warszawa
7. Potwierdzenie nauczyciela
Potwierdzam, że praca jest autentyczna i samodzielnie wykonana przez zespół uczniów.
Imię i nazwisko nauczyciela. Beata Krzan.