Гидравлический пресс

Возьмите два шприца заметно разного размера — например, 5 мл и 50 мл. Измерьте диаметр цилиндра каждого с помощью штангенциркуля.

Вычислите площади: A = π d² / 4.

Вычислите отношение A₂/A₁. Это единственное число предсказывает всё, что будет делать машина, поэтому запишите его, прежде чем что-либо тестировать.

Соедините два шприца трубкой и заполните всю систему водой, выгоняя каждый пузырёк.

Воздух — враг, и это не мелочь. Воздух сжимается; вода практически не сжимается. Пузырёк поглощает ваш ход как сжатие вместо того, чтобы передавать его дальше, поэтому пресс ощущается мягким и развивает лишь часть своего усилия.

Каждая гидравлическая система, когда-либо созданная, имеет процедуру удаления воздуха именно по этой причине.

Поставьте большой шприц вертикально и положите кухонные весы под его поршень. Надавите на малый шприц известной силой — положите на него груз известной массы.

Считайте силу на большом шприце.

Сравните с предсказанным соотношением из шага 1. Ожидайте совпадения в пределах, возможно, 10–20% — недостаток объясняется трением в уплотнениях, которое является реальной платой за каждую гидравлическую машину и тем, с чем Брама не смог справиться в одиночку.

Отметьте оба поршня. Передвиньте малый на измеренные 50 мм и измерьте, насколько переместился большой.

Ожидаемое значение: 50 мм ÷ (A₂/A₁).

Умножьте силу на расстояние на каждом конце. Оба произведения должны быть примерно равны. Вы не создали энергию — вы изменили её соотношение силы и пути. Это стоит понимать осознанно, потому что именно этот момент люди чаще всего упускают при изучении гидравлики.

Повторите шаг 3 с сухими плунжерами, затем с лёгкой смазкой.

Ожидайте, что смазанная версия обеспечит заметно большее усилие при том же входном воздействии.

Разница обусловлена трением уплотнения, и оно возрастает с давлением — чем сильнее вы нажимаете, тем сильнее уплотнение прижимается к стенке цилиндра. Пресс, эффективный при низком давлении, может быть плохим при высоком давлении, именно эту проблему и призваны были решить кожаная манжетная прокладка и, позднее, O-образное кольцо.

Патент. Британский патент 2045, «Получение и применение движущей силы», Джозеф Брама, 31 марта 1795. Паскаль сформулировал принцип в 1653 году; Брама построил машину.

Она протекала, и Генри Модсли её исправил. Первые прессы не могли удерживать давление — уплотнение вокруг плунжера выдавливалось тем самым давлением, которое оно должно было удерживать. Сотрудник Брамы Генри Модсли разработал самоуплотняющуюся кожаную манжетную втулку: кожаная чашка обращена к давлению, так что чем сильнее жидкость давит, тем плотнее уплотнение прижимается к стенке цилиндра. Давление герметизирует собственный сосуд. Без этого патент 2045 был бы хорошей идеей, которая не работает, и имя Модсли по праву стоит рядом с именем Брамы — он впоследствии сам стал одним из основоположников станкостроения.

Самоуплотнение под давлением — идея, пережившая пресс. Кожаная манжета, современное манжетное уплотнение, O-кольцо в канавке и поршневое кольцо в цилиндре работают одинаково: геометрия превращает запечатываемое давление в силу, которая и обеспечивает уплотнение.

Куда это пришло. Пресс Брамы сделал возможными ковку, прессование тюков и — вместе с гидроаккумулятором Армстронга полвека спустя — гидравлические силовые сети, которые приводили в действие портовые краны, поворотные мосты и театральные подъёмники в викторианских городах. Централизованные гидравлические магистрали были реальной муниципальной службой, в Лондоне — до 1977 года.

Честное ограничение. Гидравлический пресс медленный, а его ход короткий из-за шага 4. Это неподходящая машина там, где важны скорость или перемещение, и правильная там, где важна сила, — поэтому прессы гидравлические, а токарные станки — нет.