1 Propozycja doświadczenia na Konkurs ZZZ Imię i nazwisko ucznia 1 Patrycja Zawadzka Imię i nazwisko ucznia 2 Katarzyna Tomaszewicz Numer grupy / numer zespołu Nazwa i adres szkoły Imię i nazwisko nauczyciela 312/G/NYS/OPO_ZES_NR_4 Gimnazjum nr 3 im. Żołnierzy Armii Krajowej w Nysie ul. T. Kościuszki 10 48-300 Nysa Beata Krzan Tytuł pokazu Prawo Pascala w praktyce, czyli kilka słów o urządzeniach hydraulicznych. Dział fizyki Potrzebne materiały do doświadczeń Koszt materiałów do doświadczeń Hydrostatyka 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 1. Model prasy hydraulicznej. 2. Model hydraulicznego układu hamulcowego. Nazwa / tytuł 1. Cele przeprowadzenia doświadczeń:
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 F 1 na tłok pompy (mały tłok), to na tłok roboczy (duży tłok) działa znacznie większa siła F 2.
4 Tłok pompy o powierzchni S 1, na który działa siła F 1, wywołuje w układzie ciśnienie p: p = F 1 /S 1 Zgodnie z prawem Pascala ciśnienie to rozchodzi się we wszystkich kierunkach, więc działa także na tłok roboczy o powierzchni S 2 wywołując siłę F 2. F 2 = p*s 2 = F 1 /S 1 * S 2 = S 2 /S 1 * F 1 Ze wzoru wynika, że siła F 2 działająca na tłok roboczy jest tyle razy większa od siły F 1 działającej na tłok pompy, ile razy powierzchnia S 2 tłoka roboczego jest większa od powierzchni S 1 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 F 1 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.