Para entender como funciona uma prensa hidráulica, vamos relembrar a regra dos vasos comunicantes. Seu autor Blaise Pascal descobriu que, se eles são preenchidos com um líquido homogêneo, seu nível em todos os vasos é o mesmo. Nesse caso, a configuração dos contêineres e suas dimensões não importam. O artigo descreverá vários experimentos com contêineres comunicantes que nos ajudarão a entender a estrutura e o princípio de operação de uma prensa hidráulica.
Experiência
Digamos que temos vasos comunicantes com diferentes áreas de seção transversal. Denotamos a área do menor por s, o maior - por S. Vamos encher os recipientes com líquido. De acordo com a lei dos vasos comunicantes, as superfícies dos líquidos estão na mesma altura.
Vamos fechar os vasos por cima com pistões. Podemos supor que s e S são as áreas dos pistões. Pressione o menor com força f. Ele vai descer, o líquido vaifluir para o cilindro maior, e o pistão à esquerda começará a subir. Para impedir que ele se levante, também vamos aplicar força nele. Denote F.
Para entender melhor como funciona uma prensa hidráulica, vamos tentar encontrar uma conexão entre essas duas forças. Partimos da condição de equilíbrio. Antes de cobrirmos os vasos com pistões, os líquidos estavam em equilíbrio. A pressão nos tanques foi a mesma (p=P). Pressione ambos os pistões para que o líquido ainda permaneça em equilíbrio. As pressões p e P irão, naturalmente, aumentar. No entanto, eles ainda permanecerão os mesmos, porque aumentarão no mesmo valor adicional. Esta é a quantidade de pressão criada pelos pistões. É transmitido em todos os lugares de acordo com a lei de Pascal.
Aqui está a condição de equilíbrio: p=P. Você pode considerar a pressão criada pelos pistões ou a pressão da coluna de líquido. O resultado será o mesmo. Observe que a pressão criada pelos pistões é mil vezes maior que a pressão hidrostática da coluna líquida. Uma coluna de água de alguns centímetros de altura cria uma pressão de centenas de pascais. E a pressão do pistão é de centenas de quilopascais e, às vezes, de megapascais. Portanto, no que se segue, desprezaremos a pressão da coluna de líquido e assumiremos que as pressões p e P são criadas exclusivamente pelas forças f e F.
Dependência da força de pressão dos pistões em sua área
Vamos derivar a fórmula, o princípio de funcionamento da prensa hidráulica sem ela será incompreensível. p=f/s e similarmente P=F/S. Vamos fazer uma substituição na condição de equilíbrio. f/s=F/S. E agora vamos comparar as forças f e F. Para fazer isso, as partes esquerda e direita da expressãomultiplique por S e divida por f. Obtemos fS/sf=FS/Sf. Vamos cancelar f e S em ambas as partes. O resultado será a igualdade F/f=S/s.
O conceito de ganhar é válido
Se S>s, então a força de pressão no pistão no vaso grande será tantas vezes maior que a força que pressiona o pistão pequeno, quantas vezes a área do pistão maior excede a área de o pequeno. Em outras palavras, aplicando uma pequena força a um pequeno pistão, em um grande vaso obteremos uma força muito maior do que aquela com a qual pressionamos um pequeno pistão. Este é um efeito chamado ganho de força. Mostra quantas vezes as forças diferem, ou seja, qual é a razão de F para f. Se pegarmos navios cujas áreas transversais são muito diferentes, podemos obter um ganho de força por um fator de dez ou mil. A análise de força deixa claro: o ganho de força é igual à razão das áreas do pistão grande e pequeno.
Movimento dos pistões de uma máquina hidráulica
Muitas indústrias utilizam o princípio da prensa hidráulica: física, construção, processamento de materiais, agricultura, automotiva, etc. Exemplos de aplicação de máquinas hidráulicas são mostrados na figura.
Vamos considerar todos os mesmos dois vasos comunicantes com pistões, mas agora vamos prestar atenção não na força, mas na distância que os pistões percorrem quando se movem. Imagine que a posição inicial deles seja diferente. O pistão com área S está localizado abaixo do pistão com área s. Vamos mover o pistão menor a uma distância h. A água de um recipiente menor passou para um maior epressionado no pistão. Ele se moveu para a altura H.
Sabendo a razão entre as áreas, encontramos a razão entre as alturas. O volume que passou sob pressão do cilindro esquerdo para o direito é denotado por v. Um líquido de volume V entrou no cilindro direito. O líquido é incompressível. Como isso pode ser escrito matematicamente? v=v. Expresse o volume em termos de área e altura. v=sh e V=SH. Então sh=SH. S/s=h/H. Portanto, o ganho de força é F/f=h/H. Essa proporção nos dá uma compreensão de como funciona uma prensa hidráulica. Concluímos que como F é maior que f, então H é menor que h, e pelo mesmo fator.
Digamos que uma máquina hidráulica dá cem vezes mais força. Isso significa que se abaixarmos o pistão menor em 100 mm, o outro pistão subirá apenas 1 mm. E há máquinas que dão mil vezes um ganho de força. Mas e quando há um carro no pistão e ele precisa ser elevado a uma altura de vários metros?
Projeto e princípio de funcionamento da prensa hidráulica
No pistão de uma pequena área há uma válvula que fecha o tubo que leva ao reservatório de óleo do motor. A água geralmente não é usada em prensas hidráulicas porque é corrosiva e tem um ponto de ebulição relativamente baixo. O pistão aciona o punho. O fluido é transferido do cilindro menor para o maior através de um tubo.
O vaso grande também tem uma válvula e um pistão. Quando levantamos a alavanca, o óleo, com a ajuda da atmosferapressão é sugada para dentro do cilindro menor. Quando abaixamos o pistão, a válvula fecha, não há para onde ir o óleo, então ele vai para um vaso maior. Ele levanta a válvula nele, o volume de óleo aumenta, por isso o pistão sobe. Quando levantamos o pistão pequeno novamente, a válvula no recipiente grande fecha, de modo que o óleo não vai a lugar algum e o pistão permanece no lugar.
O princípio de funcionamento da prensa hidráulica é tal que qualquer oscilação do pistão pequeno sempre leva ao movimento do pistão grande para cima. O dispositivo possui um mecanismo que permite que o pistão grande desça. Esta é uma mangueira com uma torneira em uma embarcação maior. Quando fechamos a torneira, selamos o cilindro grande, e quando abrimos, voltamos a prensa hidráulica à sua posição original, o óleo escoa. Ele retorna ao reservatório, o que permite que o pistão seja abaixado.
