"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Сжатый воздух — это воздух под давлением выше атмосферного. Он способен расширяться и совершать механическую работу, поэтому его используют как рабочее тело в машинах и инструментах. Компрессор сжимает воздух, а ресивер накапливает его запас. После открытия клапана воздух движется в область меньшего давления и приводит в действие поршень, ударный механизм или другой рабочий орган. На этом принципе работают отбойные молотки, краскопульты, тормозные системы и подъёмники.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сжатый воздух — воздух, находящийся под давлением выше атмосферного и способный совершать работу при расширении. Такой воздух хранит запас энергии, потому что его частицы стремятся разойтись. Поэтому его можно использовать для движения деталей машин.
Пневматическая машина — устройство, в котором энергия сжатого воздуха преобразуется в механическое движение. Слово «пневматическая» связано с использованием воздуха. Такая машина заставляет двигаться поршень, вал, подъёмную площадку или другой рабочий орган.
Пневматический инструмент — инструмент, приводимый в действие потоком сжатого воздуха. Воздух поступает внутрь инструмента по шлангу и воздействует на его механизм. Так работают отбойные молотки, гайковёрты, дрели и краскопульты.
Ресивер — ёмкость для накопления сжатого воздуха и выравнивания его подачи. Он принимает воздух от компрессора и отдаёт его потребителю тогда, когда это необходимо. Благодаря ресиверу механизм получает запас воздуха, а компрессор может работать не непрерывно.
Компрессор засасывает обычный воздух и уменьшает объём, который он занимает. При этом частицы чаще сталкиваются со стенками сосуда, поэтому давление повышается. Сжатый воздух поступает в ресивер, где хранится до включения инструмента или машины.
Когда открывают клапан, внутри сосуда давление больше, чем снаружи или в рабочей камере. Поэтому воздух начинает двигаться в сторону меньшего давления, пока разность давлений не уменьшится. Поток проходит по трубкам и направляется к нужному механизму.
Расширяющийся воздух давит на поршень, потому что давление действует на каждую часть его поверхности. Если давление с одной стороны поршня больше, возникает результирующая сила и поршень перемещается. Его движение можно передать штоку, рычагу, колесу или другой детали.
В отбойном молотке поток воздуха поочерёдно перемещает ударный поршень, поэтому тот наносит частые удары по рабочей насадке. В краскопульте воздух дробит краску на мелкие капли и выносит их на поверхность. В обоих случаях энергия давления превращается в полезное действие, но рабочие органы действуют по-разному.
Пневматический привод применяют там, где нужно быстро передать движение на расстояние. Воздух проходит по трубкам, а клапан почти сразу изменяет его подачу к цилиндру. Поэтому такие системы удобны в тормозах автомобилей и на производствах, где требуется быстрый отклик и повторяемость движений.
В таблице сначала найдите устройство, затем проследите путь энергии от источника до полезного результата. Столбец «Как действует сжатый воздух» показывает превращение давления в движение. В последнем столбце указано, для чего это движение используют.
| Устройство или область применения | Что подаёт энергию | Как действует сжатый воздух | Полезный результат |
|---|---|---|---|
| Отбойный молоток | Компрессор и ресивер | Перемещает ударный поршень вперёд и назад | Разрушение бетона, камня или асфальта |
| Краскопульт | Компрессор | Распылит краску и направляет капли на поверхность | Ровное нанесение краски |
| Пневматический тормоз | Компрессор и ресивер автомобиля | Давит на поршень тормозного цилиндра | Замедление или остановка автомобиля |
| Пневматическая почта | Компрессор или воздуходувная установка | Перемещает капсулу по трубе потоком воздуха | Быстрая пересылка небольших предметов |
| Пневматический подъёмник | Компрессор и ресивер | Поднимает поршень или гибкую пневмокамеру | Подъём груза или автомобиля |
Условие: после открытия клапана воздух из баллона или ресивера выходит наружу. Нужно объяснить причину движения воздуха.
Ответ: воздух вырывается наружу из-за перепада давлений: внутри баллона давление больше, чем снаружи.
Условие: площадь поршня S = 0,02 м², избыточное давление воздуха p = 300 кПа. Найдём силу давления на поршень.
Ответ: сила давления на поршень равна 6 000 Н. В задаче дано избыточное давление, поэтому именно оно создаёт полезную разность давлений при сравнении с атмосферой.
Условие: объяснить работу тормоза грузового автомобиля и определить силу на поршне, если давление воздуха p = 700 кПа, а площадь поршня S = 0,01 м².
Ответ: пневматическая цепочка такова: компрессор — ресивер — клапан — цилиндр — тормозной механизм. Сила давления на поршень равна 7 000 Н.
Ошибка 1. Сжатый воздух считают топливом или источником вещества. Воздух не сгорает в таком механизме: он служит рабочим телом и переносит энергию от компрессора. Проверьте себя вопросом: что именно перемещает деталь — поток воздуха или горение?
Ошибка 2. Давление путают с силой. Давление показывает действие на единицу площади, а сила зависит ещё и от площади: F = pS. Если в решении нет площади поршня, проверить найденную силу обычно нельзя.
Ошибка 3. Считают, что механизму достаточно просто наличия воздуха. Работа возникает благодаря перепаду давлений, поэтому при одинаковом давлении по обе стороны поршня движения не будет. Сравните давление внутри системы с давлением снаружи или в другой рабочей камере.
Ошибка 4. При решении смешивают абсолютное и избыточное давление или забывают об атмосферном давлении. Абсолютное давление отсчитывают от полного вакуума, а избыточное — от атмосферного. Посмотрите, какое давление дано в условии, и используйте для силы именно нужную разность давлений.
До изучения темы нужны знания о давлении газа и жидкости, атмосферном давлении, силе давления, работе и энергии. Формула F = pS связывает давление с механическим действием воздуха. Эти понятия помогают понять, почему поршень начинает двигаться.
Дальше тема связана с сообщающимися сосудами, тепловыми машинами и газовыми законами. При изучении механизмов пригодится представление о передаче энергии и движении газа. Практически эти знания встречаются в устройстве тормозов, компрессоров, пневматических инструментов и систем автоматизации.
Почему сжатый воздух способен совершать работу?
Сжатый воздух находится под давлением выше атмосферного и стремится расшириться. При расширении он давит на поршень или другой рабочий орган и перемещает его, то есть совершает механическую работу.
Чем компрессор отличается от ресивера?
Компрессор сжимает воздух и повышает его давление. Ресивер не сжимает воздух, а хранит его запас и помогает подавать воздух более равномерно.
Почему пневматические инструменты работают рывками или ударами?
Внутри такого инструмента клапаны периодически направляют сжатый воздух к рабочему механизму. Давление быстро перемещает поршень или ударник, поэтому возникают повторяющиеся удары или рывки.
Зачем сжатый воздух используют в тормозах автомобилей?
Сжатый воздух позволяет передать действие от компрессора к тормозным цилиндрам по трубкам. При нажатии на педаль клапан подаёт воздух, и поршень быстро прижимает тормозные детали.
Как по давлению и площади поршня определить действующую силу?
Нужно использовать формулу F = pS, где F — сила, p — давление, S — площадь поршня. Давление предварительно переводят в паскали, а площадь выражают в квадратных метрах.
§ 35. Применение сжатого воздуха
