Strömungsmechanik im Maschinenbau, Teil I, Strömungsstatik

Letzte Woche haben wir über Psychrometrie gesprochen, bei der Gas- und Dampfgemische wie Luft und Wasser analysiert werden. Diese Woche beginnen wir unsere Diskussion über die Strömungsmechanik, bei der Kraft, Druck und Energie sowohl in stationären als auch in sich bewegenden Flüssigkeiten untersucht werden. Wir werden uns diese Woche auf stationäre Flüssigkeiten konzentrieren.

Lassen Sie uns eines klarstellen, bevor wir fortfahren. Mit “Flüssigkeit” meine ich eine Substanz, die sich unter Scherbeanspruchung kontinuierlich verformt, egal wie klein sie ist. Das heißt, wenn Sie versuchen, es mit einem Messer zu schneiden, gibt eine Flüssigkeit einfach unter dem Messer nach und kommt wieder zusammen, nachdem das Messer hindurchgegangen ist. Denken Sie an den Liquid Metal Man T-1000 im Film Terminator ii? Davon spreche ich!

Jetzt wissen wir alle, dass Flüssigkeiten Flüssigkeiten sind, aber wussten Sie, dass Gase auch Flüssigkeiten sind? Ein wichtiges Konzept in der Strömungsmechanik ist, dass Flüssigkeiten wie Wasser und Öl nicht sehr stark komprimiert werden können, wenn Sie sie in einen geschlossenen Behälter drücken. Dies liegt daran, dass die Moleküle in Flüssigkeiten zu nahe beieinander liegen und nicht weiter zusammengedrückt werden können. Daher werden Flüssigkeiten als inkompressible Flüssigkeiten betrachtet. Wenn Sie dagegen ein Gas nach unten drücken und Luft einatmen, können Sie es beispielsweise im Behälter komprimieren. Dies liegt daran, dass die Gasmoleküle weit voneinander entfernt sind, sodass sie genügend Raum haben, um nahe beieinander zu sein. Da zwischen ihren Molekülen viel Platz ist, werden Gase als komprimierbare Flüssigkeiten betrachtet.

Beginnen wir unsere Erforschung der Strömungsmechanik mit der Untersuchung von Flüssigkeiten, die sich nicht bewegen, was bedeutet, dass sie statisch sind. Dieses Gebiet ist auch als Untersuchung der Fluidstatik bekannt, auch als Hydrostatik bekannt. Wir werden später in unserer Serie über Flüssigkeiten sprechen, die sich bewegen, dh über die Fluiddynamik.

Angenommen, Sie haben einen hydraulischen Flaschenheber in Ihrer Garage, wie in Abbildung 1 dargestellt. Wenn Sie den Hebel nach unten drücken, sind nicht viele Muskeln erforderlich, um etwas Schweres wie ein Auto anzuheben. Warum das? Lassen Sie uns anhand eines Schnittdiagramms sehen, wie die Katze funktioniert. Siehe Abbildung 2.

Flaschenheber

Abbildung 1 – Hydraulischer Flaschenheber zum Anheben eines Autos

Jack

Abbildung 2 – In einem hydraulischen Flaschenheber

Die Buchse besteht im Wesentlichen aus zwei Zylindern, einem kleinen und einem großen. Jeder der beiden Zylinder ist mit Öl gefüllt und es gibt einen Durchgang zwischen ihnen. In jedem Zylinder befindet sich ein Kolben. Katzenöl ist flüssig und daher inkompressibel. Wenn Sie den Hebel nach unten drücken, erzeugen Sie eine Kraft, F.1, auf dem kleinen Kolben. Dies erzeugt dann den gleichen Druck im Öl unter den kleinen und großen Kolben. Warum? Weil die flüssigen Moleküle so nahe beieinander liegen, drücken sie gegeneinander und der Druck wird gleichmäßig auf alle Oberflächen innerhalb der Katze übertragen.

Nun ist “Druck” einfach eine Kraft geteilt durch eine Flächeneinheit, zum Beispiel Pfund Kraft pro Quadratzoll. In unserem Beispiel ist es der große Kolben, der das Gewicht des Autos anhebt. Da der große Kolben eine viel größere Oberfläche als der kleine Kolben hat, erzeugt das Fluid in dem großen Zylinder eine viel größere Kraft F.2, um das Gewicht des Autos zu tragen, heben Sie es vom Boden ab.

Angenommen, der kleine Kolben hat eine Oberfläche von 2 Quadratzoll, der große Kolben hat eine Oberfläche von 20 Quadratzoll und F.1 entspricht 50 Pfund Kraft. Da der Öldruck in beiden Kolben wie oben angegeben gleich ist, können wir die Durchflussgleichung schreiben:

Öldruck im kleinen Kolben = Öldruck im großen Kolben

Auch hier ist der Druck eine Kraft geteilt durch die Fläche, sodass wir für unseren Hydraulikzylinder die Gleichung wie folgt umschreiben können:

(F.1) / (Fläche des kleinen Kolbens) = (F.2) / (Große Kolbenfläche)

Nun, wir sind hier in guter Verfassung, weil wir drei Dinge wissen: F.1die Fläche des kleinen Kolbens und die Fläche des großen Kolbens. Indem wir diese Informationen in die Gleichung einfügen, können wir Algebra verwenden, um die Aufwärtskraft F zu lösen2, erforderlich das Auto anheben:

(50 Pfund) / (2 Zoll2) = (F.2) / (20 Zoll2)

F.2 = [(50lbf)/(2in2)] x (20 Zoll)2)

F.2 = 500 lbf = 500 Pfund Kraft

Was ist hier passiert? Nun, wie durch Zauberei verwendet die Katze flüssige Statik, um die Eingangskraft mit dem Faktor zehn zu multiplizieren. Wenn Sie den Wagenhebergriff mit 50 Pfund Kraft nach unten drücken, erzeugt er tatsächlich 500 Pfund Kraft, genug, um das Auto anzuheben. Wenn Sie den großen Kolben vergrößern würden, wäre seine Fläche noch viel größer. Wenn wir zum Beispiel die Größe des großen Kolbens von 20 Quadratzoll auf 40 Quadratzoll verdoppeln, wird F.2 es würde sich verdoppeln, so dass Sie am Ende 1000 Pfund Kraft haben würden, mehr als genug, um ein großes Fahrzeug wie einen SUV anzuheben. Wie durch ein Wunder bleibt die Kraft, mit der der kleine Kolben nach unten gedrückt wird, gleich, sodass Sie sich keine Sorgen machen müssen, wenn es sich um einen 45-Pfund-Weichei handelt.

Nächste Woche werden wir mit Teil II unserer Diskussion über Fluidmechanik fortfahren und mehr über Fluidstatik sprechen.

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jack1

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