Jack It Up! Soulevez une charge à l'aide hydraulique

Moyenne (50 $ - 100 $)

Étant donné que des blessures mineures est possible, soyez prudent lors de l'utilisation d'un outil comme une scie. Assurez-vous de porter des lunettes de sécurité lors de l'utilisation des outils. Utilisez époxy dans une zone bien ventilée et suivre toutes les recommandations de sécurité sur l'emballage. est nécessaire surveillance d'un adulte.

Pour appliquer les principes de l'hydraulique dans la construction d'un modèle de travail d'un ascenseur hydraulique.

introduction

Une force répartie sur une zone. ou une force divisée par une zone, est appelée pression. En appuyant sur la partie supérieure d'un verre d'eau exerce une pression sur l'eau. Une autre façon de penser à la pression est de vous imaginer pousser sur un objet avec le doigt ou avec la paume de votre main. Dans les deux cas, vous appliquez la même force, mais la pression est différente parce que la zone de la pointe de votre doigt est beaucoup plus petit que la paume de votre main. La figure 1 montre un système hydraulique simple qui utilise les concepts de force et de pression.

Le système hydraulique de la figure 1 se compose d'un tube rempli de liquide garni de deux pistons. L'application d'une force vers le bas sur ce système fermé (dans ce cas, poussant vers le bas sur le piston à la main gauche) provoque le liquide de se déplacer contre le piston à droite et, parce que le liquide est incompressible, pousser vers le haut du piston. Etant donné que le liquide est incompressible, la pression dans le liquide est le même à chaque point au sein du liquide. Lorsque l'énergie de la force appliquée à un piston est transféré au liquide et donne son énergie pour déplacer le second piston, on dit que le travail a été fait au liquide par le premier piston. machines hydrauliques, comme élévateurs pour fauteuils roulants et prises de voiture, utiliser des liquides pour faire le travail. Ce travail peut être appliqué à effectuer les gros travaux comme soulever des charges lourdes.

Un avantage d'outils hydrauliques est le concept de la multiplication de la force. multiplication force permet à la force que vous appliquez à un piston à multiplier par un facteur multiplicatif, de faire une plus grande force agissant sur le second piston. Cela ne fonctionne que si le premier piston est plus petite dans la zone que le second piston. Si nous prenons le système hydraulique simple, mentionné et le modifier à utiliser la multiplication de la force, il ressemblera à la figure 2.

Lorsque le maître (plus petit) piston est enfoncé, la quantité de force appliquée à l'esclave piston (plus grande) par le liquide est multipliée par le rapport de la surface du piston secondaire à la zone du piston de maître. Cette relation est dérivée dans les équations 1-3.

La pression à piston esclave = pression à piston maître

La pression est en unités de newtons / Espace
Zone est en centimètres au carré [cm]

Fs = force exercée par le liquide sur le piston esclave (en unités de newtons, N)
Fm = force appliquée au liquide par le piston maître (N)
As = aire du piston esclave (cm²)
Am = Aire du piston maître (cm²)

Sur la figure 2, la zone des deux pistons est un cercle et l'aire d'un cercle est πr 2 où r est le rayon du cercle. L'utilisation de ce fait, l'équation 2 se transforme en l'équation 3, pour trouver la force exercée par le liquide sur le piston récepteur.

La force sur le piston esclave = force appliquée par le piston maître x (surface de piston asservi / zone de piston maître)

Fs = force exercée par le liquide sur le piston esclave (N)
Fm = force appliquée au liquide par le piston maître (N)
rs = rayon du piston esclave (cm)
rm = rayon du piston maître (cm)
π = pi (environ 3,14)

Le rapport des surfaces des deux pistons différents dans l'équation 3 est appelé le facteur multiplicatif. En utilisant l'équation 3, la force exercée sur le piston récepteur de la figure 2 est quatre fois la force appliquée par le piston maître. Donc, si le maître applique 1 N de la force au liquide, la force de liquide sur l'esclave est de 4 N. Le seul problème est que le maître doit être poussé vers le bas de 4 cm tandis que l'esclave monte seulement 1 cm.

multiplication La force est la raison pour laquelle les machines hydrauliques est si utile. Une petite force de l'opérateur sur une extrémité est multipliée et se traduit par une force beaucoup plus importante sur l'autre extrémité de la machine. Machines de chantier pelles et chariots élévateurs utilisent la multiplication de la force de l'hydraulique. Souvent, ces machines ont des vérins hydrauliques. Un vérin hydraulique est constitué d'un piston et un cylindre qui loge le piston et le liquide hydraulique.

Dans ce projet scientifique de génie mécanique, vous allez construire trois modèles ascenseurs hydrauliques et de démontrer le concept de multiplication de force en utilisant des seringues avec différents rayons. Les seringues agissent comme des vérins hydrauliques. Le piston de la seringue agit en tant que piston dans le cylindre hydraulique. Un exemple concret de la vie d'un ascenseur hydraulique est un élévateur pour fauteuils roulants du véhicule, comme celui montré à la figure 3. Quel sera le poids maximum de chaque ascenseur modèle peut soulever? Est-ce le changement de poids maximal si vous changez la taille du piston esclave?

Termes et concepts

Hydraulique
Incompressible
Obliger
Région
Pression
Piston
Énergie
Travail
multiplication force
Newton
Rayon (rayons)
facteur multiplicatif
cylindre hydraulique
ascenseur hydraulique
Diamètre

Quelle est la force? Quelles unités est-il mesuré en?
Comment est la force liée au travail et de l'énergie?
Quels sont quelques exemples de liquides utilisés dans les systèmes hydrauliques?
Quelle est la propriété la plus importante d'un fluide hydraulique ou liquide?
air pourrait être utilisé pour soulever des charges au lieu de liquide? Pourquoi ou pourquoi pas?
Quelle est la différence entre le piston maître et le piston esclave?

Bibliographie

Matériel et équipement

des plaques de mur, blanc, acier inoxydable (3). Vous pouvez acheter des plaques murales en blanc à partir d'un magasin de matériel. Taille minimale: 4,5 x 2,75 pouces
tournevis cruciforme
Seringues 12 cc, la pointe de cathéter (4). Vous pouvez acheter 12 seringues cc de www.amazon.com.
Seringue, 35 cc, la pointe de cathéter. Vous pouvez acheter une seringue de 35 cc de www.amazon.com.
Seringue, 60 cc, la pointe de cathéter. Vous pouvez acheter une seringue de 60 cc de www.amazon.com.
En option: Hacksaw
En option: Fichier. Vous pouvez acheter un fichier à partir d'un magasin de matériel.
Couteau tout usage
Époxy. Vous pouvez utiliser Elmer's® ciment époxy ultra-rapide ou Devcon époxy 5 minutes.
assiettes en papier (3)
cuillères jetables (3)
mastic de plombier: en option
Vise, 4 pouces. Vous pouvez acheter un étau à partir d'un magasin de matériel ou en ligne sur le site www.amazon.com.
jeu métrique de poids ou une variété de matériaux de poids variables qui peuvent être utilisés pour les tests. Vous pouvez emprunter un poids métrique réglé à partir du laboratoire scientifique de votre école. Emprunter un poids de 500 grammes, un poids de 200 grammes, deux ou trois poids de 100 grammes, et plusieurs petits poids de départ.
échelle numérique, si vous n'utilisez pas un ensemble de poids standard. Vous pouvez acheter une échelle numérique en ligne sur le site www.amazon.com.
un tube de carburant de silicone, 5/32-inch diamètre intérieur (3 pieds). Vous pouvez acheter un tube de carburant de silicone de www.amazon.com ou d'un magasin de passe-temps.
Verre d'eau
Règle
bénévole adulte
bloc-notes de laboratoire
graphique papier

Procédure expérimentale

Construction des Ponts élévateurs hydrauliques Modèle

Vous ensuite utiliser une autre seringue de 12 cc et tubes pour rendre la seringue principale (ou le maître-cylindre hydraulique).
1. Couper un morceau de tube 30 centimètres (cm).
2. Pousser la pointe d'une seringue de 12 cc (qui est non epoxied à une plaque de paroi) dans une extrémité du tube.
3. La seringue maître est maintenant prêt à attacher à la seringue esclave (cylindre hydraulique esclave) pour créer l'ascenseur hydraulique.
Remplir la seringue principale et son tube avec de l'eau et de se préparer pour l'attacher à la seringue d'esclave pour créer l'ascenseur hydraulique. L'eau servira de fluide hydraulique dans les ascenseurs hydrauliques.
1. Pousser le piston dans la seringue maître tout le chemin vers le bas de sorte qu'il est complètement enfoncé dans le cylindre.
2. Placer l'extrémité libre du tuyau dans le verre d'eau et tirer le piston vers le haut (tout en tenant fermement le reste de la seringue). Cela aspirer l'eau dans le tube et la seringue. Tirez le piston lentement et en douceur afin que vous éviter d'avoir des bulles dans le tube.
3. Tirez le piston de la seringue maître aussi loin qu'il peut aller sans tomber hors du cylindre de la seringue.
4. Appuyer sur le piston de la seringue principale un tout petit peu pour éliminer les bulles à l'extrémité de tube.
Insérer la pointe de la seringue de 12 cc esclave dans l'extrémité libre du tube qui est fixé au maître-cylindre. Voir la figure 6 pour voir comment mettre ces deux parties ensemble.
1. Vérifiez que le relevage hydraulique 12 cc fonctionne en poussant et en tirant l'eau dans et hors de la seringue d'esclave en poussant et en tirant le piston de la seringue principale. Remarque: Si le tuyau se soulève les seringues, il suffit de remplir le tube et la seringue maître avec de l'eau, comme à l'étape 6, et remettre en place le tube de la seringue de l'esclave, l'étanchéité de la connexion avec mastic de plomberie.
2. Fin de votre pratique en tirant sur le piston maître et amener l'eau à partir de la seringue esclave de nouveau dans le tube et la seringue principale.

Répéter les étapes 6 et 7 à l'aide de l'ensemble de plaque de seringue esclave 35 cc / métal et un ensemble seringue maître 12 cc / tube, pour créer le relevage hydraulique du modèle de 35 cc.
Répéter les étapes 6 et 7 à l'aide de l'ensemble de plaque de seringue / métal esclave 60 cc et un ensemble seringue de maître de 12 cc / tube, pour créer le modèle 60 cc levage hydraulique.

Test des Ponts élévateurs hydrauliques Modèle

Vous êtes maintenant prêt à tester le modèle 12 cc levage hydraulique, le relevage hydraulique de modèle 35 cc, et le modèle 60 cc ascenseur hydraulique (toutes avec une seringue maître 12 cc ou cylindre hydraulique maître). Tous les ascenseurs hydrauliques trois types devraient avoir un maître et esclave seringue, et un fluide hydraulique ou de l'eau, dans la seringue principale et les tubes.
1. Assurez-vous que le fluide hydraulique ou de l'eau, se trouve dans le tube et la seringue principale. Le piston esclave doit être enfoncé dans son cylindre.
Placez l'étau sur une table solide. L'étau sera utilisé pour supporter et maintenir les ascenseurs alors qu'ils soulèvent.
Utiliser un ensemble de poids légers (tels que les poids métriques dans la liste des matériaux) ou plusieurs types de matériaux de différents poids pour tester le modèle de levage hydraulique.
1. Par exemple, vous pouvez utiliser des livres, des bouteilles d'eau ou des boîtes de nourriture. Vous pouvez combiner deux différents éléments pour faire des poids plus lourds.
Pour préparer la 12 cc modèle ascenseur pour le test, insérer la seringue esclave 12 cm et sa plaque métallique verticale dans l'étau. Monter l'ascenseur de sorte que la collerette de la seringue est assis sur les mâchoires de l'étau et la plaque métallique est au-dessus de ses mâchoires, tel que représenté sur la figure 7. Monter le cylindre de seringue esclave élevé dans l'étau de sorte que le piston ne colle pas lorsqu'il se déplace haut et bas. Monter chaque seringue esclave que vous testez la même manière dans l'étau.
1. Serrer l'étau assez pour tenir la seringue, mais pas si serré que le piston ne peut pas monter et descendre dans le canon.
2. L'ascenseur devrait être maintenu assez fermement pour que lorsque vous placez le poids sur la plaque, l'ascenseur ne tombe pas.

Analyse des données

Calculer la force que vous avez appliqué au piston maître dans chaque essai. Vous pouvez le faire en utilisant l'équation 3 en arrière-plan, mais vous devrez réorganiser pour résoudre pour FM au lieu de FS. Vous connaissez la force appliquée au piston esclave (FS) parce que vous savez combien de poids vous mettez sur la plaque, et vous pouvez mesurer les rayons des deux pistons à l'aide d'une règle.
Lequel piston maître requis le plus de force pour soulever la même quantité de poids? Qui exigeait le moins? Lequel de vos ascenseurs hydrauliques vous a permis de soulever le plus de poids? Comment est-ce lié au principe de la multiplication de la force dans l'hydraulique?
En option: qui a déplacé le piston élévateur esclave le plus éloigné lorsque vous complètement enfoncé le piston de maître? Ce qui a déplacé la distance la plus courte? Comment cela est lié à la multiplication de la force?
Faire un graphique x-y avec un poids placé sur le piston récepteur sur l'axe des x et la force nécessaire pour soulever ce poids à l'aide du piston de maître sur l'axe des y, avec des lignes différentes pour chacun de vos trois ascenseurs hydrauliques.
Qu'est-ce que votre graphique ressemble? Est-ce que le sens de faire de la tendance étant donné le principe de la multiplication de la force dans l'hydraulique?

variations

Répétez l'expérience en utilisant l'huile minérale comme liquide hydraulique au lieu de l'eau. Est-ce que ce changement affecte le poids maximum supporté par chaque ascenseur?
Quels sont les autres types de modèles de machines de construction ou bidules fun pouvez-vous construire l'application des principes de l'hydraulique? Par exemple, vous pouvez construire une chaise de coiffeur ou un jouet pour divertir votre animal de compagnie? Laissez aller votre imagination! Le guide de processus de conception technique peut vous aider à démarrer.
Faire un ascenseur avec deux seringues d'esclaves et une seringue maître. Quel est le poids maximum cet ascenseur peut prendre en charge?

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