"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Водопровод доставляет воду от источника к потребителям по трубам благодаря разности давлений. Один из способов перемещения воды — поршневой жидкостный насос. Его поршень поочерёдно увеличивает и уменьшает объём рабочей камеры, а два клапана направляют поток только в одну сторону. При подъёме поршня вода входит через всасывающий клапан, при опускании выходит через нагнетательный. Всасывание ограничено атмосферным давлением.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водопровод — система труб и устройств, по которой вода под действием давления поступает от источника к потребителям. Он нужен, чтобы доставлять воду в дома и другие места без переноса её вручную. Движение воды по трубам возникает при разности давлений.
Поршневой жидкостный насос — устройство, которое перемещает жидкость, изменяя объём рабочей камеры движением поршня. Рабочая камера — пространство, в котором находится вода во время работы насоса. Такой насос нужен для подъёма воды и её подачи в трубу.
Всасывающий клапан — клапан, пропускающий жидкость в рабочую камеру насоса и препятствующий её обратному вытеканию. Клапан можно представить как дверцу, открывающуюся только в нужную сторону. Он обеспечивает поступление воды при увеличении объёма камеры.
Нагнетательный клапан — клапан, пропускающий жидкость из рабочей камеры в отводящую трубу и препятствующий её возвращению. Он открывается, когда давление в камере становится достаточно большим. Благодаря ему вода после сжатия камеры движется к потребителю.
Водопровод подаёт воду благодаря разности давлений. У источника давление должно быть больше, чем в точках разбора, иначе вода не станет двигаться по трубам. Поэтому вода направляется из области большего давления в область меньшего, подобно тому как воздух выходит из более надутого шарика.
При подъёме поршня объём рабочей камеры увеличивается. В том же количестве воды становится больше свободного места, поэтому давление в камере понижается. Атмосферное давление действует на воду в источнике и проталкивает её в сторону камеры с меньшим давлением через открывшийся всасывающий клапан.
При опускании поршня объём камеры уменьшается. Вода оказывается сжатой, поэтому её давление возрастает и становится больше давления в отводящей трубе. Всасывающий клапан закрывается из-за перепада давлений, а нагнетательный открывается, так что вода выталкивается из камеры.
Повторение ходов поршня создаёт последовательные порции воды. Клапаны открываются попеременно: один впускает воду, другой выпускает её, и обратный путь перекрывается. Однако высота всасывания ограничена атмосферным давлением, потому что воздух не может поддерживать водяной столб произвольной высоты.
| Этап работы | Движение поршня | Изменение давления в камере | Всасывающий клапан | Нагнетательный клапан | Движение воды |
|---|---|---|---|---|---|
| Всасывание | Поршень поднимается | Давление уменьшается | Открыт | Закрыт | Вода входит из источника в камеру |
| Нагнетание | Поршень опускается | Давление увеличивается | Закрыт | Открыт | Вода выходит в отводящую трубу |
Пользуйтесь таблицей слева направо: сначала определите направление движения поршня, затем изменение давления и состояние клапанов. Последняя графа показывает результат работы насоса — куда направляется вода.
Если движение поршня изменилось, состояние клапанов также меняется. Это помогает не перепутать этапы всасывания и нагнетания.
Условие. Опишите, через какой клапан вода поступает в насос при подъёме поршня и почему. Нужно установить связь между движением поршня, объёмом камеры и давлением.
Ответ: вода поступает через всасывающий клапан, потому что подъём поршня понижает давление в рабочей камере, а атмосферное давление проталкивает воду туда.
Условие. Поршень опустили. Определите, какой клапан откроется, какой закроется и куда будет двигаться вода. Рассуждать нужно через изменение объёма и давления.
Ответ: всасывающий клапан закрывается, нагнетательный открывается, а вода движется из рабочей камеры в отводящую трубу.
Условие. Насос поднимает воду из колодца на высоту, превышающую предел, возможный при атмосферном давлении. Объясните, почему вода не поступает к поршню.
Ответ: вода не поступает к поршню, потому что атмосферное давление не может поддерживать столб воды такой большой высоты.
«Поршень сам тянет воду вверх». Так говорят, потому что поршень движется вверх одновременно с водой. Проверка проста: вспомните, что в камере создаётся пониженное давление, а воду туда толкает атмосферное давление.
Оба клапана открыты одновременно. Ошибка возникает, если не учитывать направление перепада давлений. При подъёме открыт всасывающий клапан, а при опускании — нагнетательный.
Вода возвращается во всасывающую трубу при нагнетании. Такое могло бы произойти без клапана или при его неисправности. Проверьте этап: во время опускания поршня всасывающий клапан закрыт, поэтому обратный путь перекрыт.
Насос поднимает воду на любую высоту. Это неверно, потому что всасывание создаётся атмосферным давлением, а оно ограничено. Чтобы проверить себя, спросите, может ли воздух поддерживать бесконечно высокий водяной столб.
Для понимания работы насоса нужны знания о давлении жидкости и газа. Давление газа передаётся находящимся в нём телам, поэтому атмосфера может действовать на воду в источнике и перемещать её к области пониженного давления.
Тема связана с атмосферным давлением и перепадом давлений. Эти идеи помогают объяснить работу других насосов и устройств, в которых жидкость или газ перемещаются по направлению от большего давления к меньшему.
Почему вода поднимается в насосе, когда поршень движется вверх?
При подъёме поршня объём рабочей камеры увеличивается, поэтому давление в ней уменьшается. Атмосферное давление на поверхность воды в источнике выталкивает воду в сторону области пониженного давления, и она поступает через всасывающий клапан.
Какую роль играет атмосферное давление при работе насоса?
Атмосферное давление толкает воду в насос, когда давление в его рабочей камере становится ниже. Оно же ограничивает высоту всасывания: атмосферный воздух способен поддерживать только водяной столб определённой высоты.
Почему в насосе нужны два клапана?
Всасывающий клапан впускает воду в рабочую камеру, а нагнетательный выпускает её в отводящую трубу. Благодаря попеременной работе клапанов вода не возвращается назад и движется в одном направлении.
Что происходит с клапанами, когда поршень опускается?
Объём камеры уменьшается, а давление воды в ней возрастает. Всасывающий клапан закрывается, чтобы вода не ушла обратно, а нагнетательный открывается и пропускает воду в отводящую трубу.
Почему насос не может поднять воду из колодца на любую высоту?
Подъём воды при всасывании обеспечивается атмосферным давлением. Оно не может поддерживать водяной столб произвольной высоты, поэтому при слишком глубоком расположении воды давление у поршня не создаёт нужного потока.
§ 44. Водопровод. Поршневой жидкостный насос
