في استكشافي للأنظمة الهيدروليكية، كنت مفتونًا في كثير من الأحيان بكيفية مكبس هيدروليكي يضاعف القوة لأداء المهام الشاقة بكفاءة. تعمل هذه المعجزة الميكانيكية وفقًا لمبدأ قانون باسكال، الذي ينص على أن الضغط المطبق على سائل محصور ينتقل دون نقصان في جميع الاتجاهات. إن فهم كيفية مضاعفة المكبس الهيدروليكي للقوة لا يكشف فقط عن براعة تصميمه، بل يُبرز أيضًا تطبيقاته في مختلف الصناعات. في هذه المقالة، سأتعمق في الآليات الكامنة وراء مكبس هيدروليكي وشرح كيف يمكن تعزيز القوة لإنجاز المهام الصعبة بسهولة.

قانون باسكال:

الضغط P ثابت في كل مكان. الضغط P المطبق على المساحة A2، أي القوة F2 = P x A2، أكبر بكثير من القوة F1 = P x A1.

أين:

• ص هو الضغط في النظام الهيدروليكي
• فورمولا 1 هي قوة الإدخال على المكبس الصغير
• أ1 هي مساحة سطح المكبس الصغير
• ف2 هي قوة الخرج المؤثرة على المكبس الكبير
• أ2 هي مساحة سطح المكبس الكبير

يُوصف هذا المبدأ بواسطة قانون باسكال (المعروف أيضًا باسم مبدأ باسكال)، والذي ينص على أن أي تغيير في الضغط المطبق على سائل محصور وغير قابل للانضغاط ينتقل بالتساوي ودون نقصان في جميع أنحاء السائل في جميع الاتجاهات. ونتيجة لذلك، يؤثر نفس الضغط على جميع الأسطح الداخلية للنظام.

من الأمثلة العملية الشائعة لقانون باسكال ما يلي: رفع السيارة باستخدام مكبس هيدروليكي أو رافعة. على الرغم من أن الشخص لا يطبق سوى قوة صغيرة نسبياً باليد، إلا أن النظام الهيدروليكي يحول تلك القوة إلى قوة رفع أكبر بكثير.

تعتمد الأنظمة الهيدروليكية على حقيقة أن السوائل غير قابلة للانضغاط بشكل أساسي (مع تجاهل مستويات الضغط النظرية القصوى). وهذا يعني أنه عندما يتم إزاحة حجم من السائل عند نقطة ما، يجب أن ينتقل نفس الحجم إلى مكان آخر في النظام.

على سبيل المثال، لنفترض نظامًا يحتوي على:

• مكبس صغير بقطر 10 مم
• مكبس كبير بقطر 100 مم
• كلا المكبسين متصلان بأنبوب محكم الإغلاق مملوء بزيت هيدروليكي

إذا تم دفع المكبس الصغير إلى الأسفل بواسطة 100 مم, حجم الزيت المزاح يجبر المكبس الكبير على التحرك لأعلى بمقدار واحد فقط 1 ملم. يحدث هذا الاختلاف في الحركة لأن مساحة سطح المكبس الكبير أكبر بمئة مرة مقارنةً بالمكبس الصغير. ومع ذلك، في مقابل الحركة الأقل، تصبح قوة الخرج على المكبس الكبير أكبر بمئة مرة من قوة الإدخال (بافتراض إهمال الاحتكاك والفقد).

بمعنى آخر، بينما يتم تقليل المسافة, تتضخم القوة, وتبقى الطاقة الكلية في النظام متوازنة.

علاوة على ذلك، إذا كان أنبوب التوصيل مزودًا بـ صمام أحادي الاتجاه, يمكن للنظام أن يعمل كمضخة هيدروليكية. كل شوط للمكبس الصغير يضيف ضغطًا إلى النظام، مما يؤدي إلى تحرك المكبس الكبير للأعلى تدريجيًا. مع كل شوط للمضخة، يتقدم المكبس الكبير شوطًا إضافيًا. 1 ملم, ، بتطبيق قوة بشكل مستمر أقوى بمئة مرة من قوة الإدخال.

يُستخدم مبدأ التشغيل هذا على نطاق واسع في المكابس الهيدروليكية، والرافعات، وآلات الثني، وغيرها من المعدات الصناعية الثقيلة, ، حيث تكون هناك حاجة إلى قوى كبيرة ولكن لا يتوفر سوى مدخلات يدوية أو محركات محدودة.

فيما يلي كيفية عملها خطوة بخطوة في سياق مكبس هيدروليكي

مكبسين:

تتكون المكبس الهيدروليكي عادة من مكبسين بأحجام مختلفة، متصلين بأسطوانة مملوءة بسائل - عادة ما يكون زيتًا.

تطبيق القوة على مكبس صغير: 

عند تطبيق قوة على المكبس الأصغر، يُولّد ضغطًا في السائل تحته. ولأن السائل غير قابل للانضغاط، ينتقل هذا الضغط بالتساوي في جميع أنحاء السائل.

نقل الضغط: 

وفقًا لقانون باسكال، يجب أن يكون الضغط (الذي يُعرّف بأنه القوة لكل وحدة مساحة، P = F/A) المؤثر على المكبس الصغير مساويًا للضغط المؤثر على المكبس الكبير. لذلك، إذا كانت قوة المكبس الصغير F1 ومساحته A1، وكانت مساحة المكبس الكبير A2 أكبر، فيمكن التعبير عن الضغط P في النظام على النحو التالي: P = F1/A1 = F2/A2 

أين:

●F1 هي القوة المطبقة على مكبس الإدخال

●A1 هي مساحة مكبس الإدخال

●F2 هي القوة التي يمارسها مكبس الخرج

●A2 هي مساحة مكبس الإخراج

تضخيم القوة:

إعادة ترتيب المعادلة: P=F1/A1=F2/A2

بالنسبة لـ F2 (القوة المؤثرة بواسطة المكبس الكبير)، يُظهر هذا أن القوة F2 تُضرب في نسبة مساحتي المكبسين. بما أن A2 أكبر من A1، فإن F2 أكبر من F1.

فيديو