+7(499) 136 06 90

+7(495) 704-31-86

[email protected]

Как работает кран


Принцип работы башенных кранов и почему он не падает

Для правильной и безопасной эксплуатации большегрузной строительной техники мало знать особенности ее конструкции. Здесь еще очень важно разобраться с принципом работы на стройке. Почему не падает башенный кран – это один из основных вопросов, которые очень интересуют неопытного человека. По опыту, не каждый опытный крановщик может на него ответить. Но, как показывает практика, безопасная эксплуатация механизмов невозможна без определенных теоретических знаний. Так вот, секрет устойчивости масштабной строительной техники в особенностях ее конструкции. В центре каждой квадратной секции диагонали пересекаются с вертикальными стойками. Законы физики: точки силы проходят по всей конструкции, сверху вниз, обеспечивая ей невероятную прочность.

Отдельно стоит отметить, что купить башенный кран в Казахстане в настоящее время относительно просто. Многоэтажное строительство без использования башенных кранов просто не представляется возможным.

Конструкция башенного крана

Основной элемент многотонной техники – башня. Ее установка возможна как на недвижимой опоре, так и на мобильной. Но исключительно монтажом башни, сборка грузоподъемного механизма, который легко поднимает многотонные бетонные блоки, не ограничивается.

Вверху основного элемента закрепляется стрела. Ее монтирование путем объединения отдельных модулей отражается на комфорте регулировки. Стрелы башенных кранов в современном исполнении двигаются не только в горизонтальной, но и вертикальной плоскости. Такая особенность конструкции облегчает работу машинисту крана, делая технику более мобильной.

Как правило, стрела оборудуется грузоподъемным механизмом в виде крюка. Для сравнения: грейферные или скреперные башенные краны если и встречаются, то речь идет об индивидуальном проекте. В основном, с основными работами при строительстве удается справиться при помощи крюка.

Рабочее место крановщика устанавливается на пересечении со стрелой. Такое расположение кабины помогает работнику контролировать процесс перемещения груза. Конструкция рабочей кабины также имеет свои особенности. Высокопрочные стекла не только выдерживают давление ветра, скорость которого на высоте достигает весьма серьезных показателей, но и открывают работнику обзор.

В ряде исключительных случаев «вира», «майна» и другие специализированные команды крановщику подаются по рации. Как правило, работники контролируют перемещение груза визуально, поэтому хороший обзор – это не прихоть, а необходимость. При помощи вышеизложенной информации можно найти ответ на вопрос: как устроены башенные краны.

Принцип работы

Принцип работы башенных кранов, если детально разобраться со всеми нюансами, отличается своей простотой. Здесь весь секрет в работе верхнеповоротного и нижнеповоротного механизмов. Они дают возможность стреле делать полный оборот вокруг своей оси. Пультом машинист крана регулирует движение грузовой тележки.

Тип крана зависит от особенностей используемого поворотного механизма. Верхнеповоротная техника имеет большую высоту подъема и грузоподъемность. Расположение нижнеповоротного механизма в основании башни существенно сокращает максимальную высоту подъема груза.

Работа строительной техники

На чем работает башенный кран – это один из важных вопросов при эксплуатации высокотехнологичного механизма. В современном мире, как правило, привод крана работает от электричества. В конструкции привода реализованы несколько двигателей, каждый из которых отвечает за свой тип нагрузки. Важным составляющим элементом остается и гидравлический подъемник. Его работа зависит от исправной эксплуатации мотора.

Типы нагрузки, за которые отвечают двигатели:

  • подъем груза на заданную высоту;
  • вращение стрелы;
  • перемещение платформы.

Исправная работа привода отражается на качестве и безопасности всех видов выполняемых работ. Именно поэтому машинист перед началом работы в обязательном порядке выполняет ревизию техники, проверяя исправность работы всех основных механизмов. Опыт показывает, что выполнение этого несложного правила пусть и занимает время, но, в целом, помогает избежать непредвиденных аварий и простоя на стройке.

Монтаж большегрузной техники

Краны, являющиеся необходимыми механизмами для перемещения большого тоннажа, требуют соблюдения внимательности и осторожности при монтаже. Монтаж башни заключается в последовательном соединении составляющих конструкции. Как правило, речь идет о модулях своеобразно решетчатой структуры. Соединяются составные части болтами, выдерживающими большую нагрузку.

Башня автокранов, для сравнения, автоматически принимает заданное положение. Управляет выдвижением и сборкой крановщик при помощи специального пульта.

Одним словом, эксплуатация башенных кранов в современном исполнении существенно облегчает выполнение работ даже при масштабном строительстве. Да и купить мобильную большегрузную технику сейчас относительно просто: ассортимент и цены способствуют правильному выбору.

Мы готовы помочь в выборе башенных кранов.
Доставим и установим кран на ваш объект.

Если возникли вопросы, то смело обращайтесь по телефону: 0 800 08 09 588

Пишите на электронную почту: [email protected]

Задавайте вопросы в Facebook

Также советуем посмотреть видеоблог нашей компании, где вы узнаете много нового и интересного — YouTube

Назад

Устройство башенного крана. Монтаж и демонтаж башенных кранов. Журнал Землеройная техника

Грузоподъемная машина со стрелой, расположенной в верхней части вертикально закрепленной башни, служащая для захвата и перемещения крупногабаритного груза, называется башенным краном. Любой башенный кран обладает следующими параметрами: вылет стрелы, грузоподъемность, скорость подъема и опускания, глубина опускания, быстрота перемещения, скорость поворота башни и т.д. К составным узлам башенного крана относятся: башня, поворотная платформа со стреловой и грузовой лебедкой, опорно-поворотный механизм, устройство подъема и опускания груза, механизм передвижения машины, механизм изменения вылета стрелы и т. д.

Башня крана

Читайте

Российские потребности в области башенных кранов

Башня - основной элемент башенного крана, который служит для удерживания стрелы на заданной высоте и для распределения нагрузки со стрелы на ходовую раму и крановые пути. В большинстве случаев башни кранов имеют решетчатое строение (выполнены из уголков или труб небольшого диаметра). Также встречаются башни с телескопической конструкцией (выполнены из трубы большого диаметра).

Источник фото: exkavator.ruВ большинстве случаев башни кранов имеют решетчатое строение

Башни кранов бывают поворотными и неповоротными. Поворотная башня представляет собой опорно-поворотное устройство с поворотной платформой, которое размещено внизу (на портале или опорной части крана). У неповоротных кранов платформа с башней не поворачивается. Поворотный механизм у такого типа машин расположен в верхней части. Для того чтобы кран мог поворачиваться, на башне закреплен поворотный оголовок с противовесной консолью для уравновешивания стрелы. Такая конструкция башенного крана позволяет перемещать грузы массой более 10 тонн. Главным преимуществом неповоротных башенных кранов является возможность их переоборудования для использования в качестве приставных башенных кранов (крепящихся к постройке).

В последнее время большую популярность набирают безоголовочные краны. Для большинства изготовителей производство именно этого типа кранов является преимущественным. Плюсом таких кранов является то, что они освобождены от металлоемкого и габаритного узла (оголовка башни и систем оттяжек, поддерживающих стрелу). Эти краны легко монтируются и не требуют особых усилий при транспортировке. Главный модуль поворотной части (кабина, все механизмы крана и электрооборудование) собирается внизу, а монтаж данной конструкции происходит за один подъем.

Поиск необходимого оборудования или запчастей стал еще проще - оставьте заявку и Вам перезвонят.

Ходовая рама башенного крана

Читайте

Почему на российском рынке мало отечественных башенных кранов?

Немаловажным элементом в устройстве башенного крана является ходовая рама, служащая для переноса нагрузок на крановые пути. У неповоротных башенных кранов рамы бывают шатровые либо в форме усеченной пирамиды. У кранов с поворотными башнями нагрузки на раму передаются через опорно-поворотное устройство, которое размещено в нижней части машины.

Источник фото: exkavator.ruХодовая рама служит для переноса нагрузок на крановые пути

Стрела башенного крана

Стрела башенного крана представляет собой механизм, с помощью которого он достает до груза, находящегося от него на определенном расстоянии. Различают подъемные, балочные и шарнирно-сочлененные стрелы башенного крана.

К плюсам стрел первого типа крана можно отнести то, что они отличаются малым размером и массой. Также они легко монтируются и легко поддаются транспортировке. К недостаткам таких стрел относится то, что для изменения вылета крюка невозможно переместить груз горизонтально. Встречаются подвесные, подвесные со стойками, подвесные с гуськом и молотовидные варианты.

Балочный тип стрел насчитывает 2 вида: подвесные и молотовидные. Больше всего в строительстве применяют подвесные балочные стрелы. По нижней части таких стрел, которые представляют собой двутавровую балку, перемещаются катки грузовой тележки, служащей для захвата и перемещения груза. Молотовидные балочные стрелы не получили широкого распространения ввиду больших размеров и массы конструкции.

Шарнирно-сочлененные стрелы состоят из двух частей (основной и головной) и относятся к типу комбинированных стрел. Головная часть шарнирно-сочлененной стрелы называется гуськом. Башенные краны с таким типом стрел обладают двумя крюковыми подвесками. Вылет шарнирно-сочлененной стрелы может изменяться двумя вариантами:

  • подъемом всей стрелы;
  • сочетанием движений подъема стрелы и перемещением по ней грузовой тележки.

Читайте

Ситуация на рынке башенных кранов: "Спрос едва позволяет выйти на точку безубыточности"

Применение данного типа стрел обусловлено необходимостью увеличения высоты и подъема крана и вылета крюка.

Противовесы

На противоположной стороне стрелы расположены противовесы, служащие для устойчивости крана. На кранах с поворотной башней вместо противовесов применяют специальные распорки, с помощью которых ветви стреловых канатов отводятся от башни. На кранах с неповоротной башней противовес размещают на конце противовесной консоли.

Источник фото: exkavator.ruПротивовесы служат для устойчивости башенного крана

Лебедки

Лебедки, как и противовесы, располагаются на противоположной стороне стрелы. Конструкция крановых лебедок состоит из электродвигателя, барабана, тормоза и редуктора. Различают грузовые, стреловые, тележечные лебедки. Современные грузовые лебедки имеют несколько скоростей подъема и опускания груза. На отдельные башенные краны устанавливают сразу несколько грузовых лебедок: для больших, средних и малых грузов. Стреловые лебедки применяются для изменения вылета крюка и угла наклона стрелы. Тележечные лебедки используются для движения грузовых тележек по балочной стреле.

Стальные канаты

При эксплуатации башенного крана стальные канаты играют одну из главных ролей. Канаты выполняют функцию тяговых органов крана при подъеме груза и стрелы. Стальные канаты используют при монтаже и демонтаже башенного крана, при выдвижении башни, для поворота крана, а также для передвижения грузовой тележки по стреле. Рациональность использования канатов из стали обусловлена их высокой прочностью, гибкостью, грузоподъемностью при относительно малом собственном весе.

Блоки, полиспасты, барабаны

Блоки, полиспасты, барабаны служат для соединения каната с подъемным механизмом. Все эти механизмы предназначены для подъема и опускания грузов. Блок, как простейший механизм, представляет собой колесо с желобом для размещения каната. К недостаткам блоков относится то, что они практически не дают выигрыша в силе. Блоки бывают подвижные (перемещаются вместе с грузом) и неподвижные (используются для изменения направления движения канатов). Полиспасты представляют собой механизм, состоящий из нескольких подвижных и неподвижных блоков, которые скреплены канатом. Из-за невысокой скорости подъема грузов полиспаст позволяет получить большой выигрыш в силе. Барабан выполняется в форме цилиндра с полыми внутренностями. В конструкции барабана применены винтовые канавки, которые служат для меньшего износа и лучшей укладки каната.

Перемещение башенного крана

По возможности перемещения башенные краны делятся на: передвижные (самоходные и прицепные), стационарные (приставные), самоподъемные (монтируются на каркасе строящегося здания). Для того чтобы башенные кран имел возможность перемещения, к нему применяют различные шасси: автомобильные, пневмоколесные, гусеничные, шагающие, рельсовые.

В большинстве случаев движение самоходных башенных кранов осуществляется путем перемещения ходовых тележек по крановым путям (рельсам). Для распределения нагрузки ходовые тележки крана объединяют в балансирные. Четырехколесный кран снабжен механизмом передвижения с приводом на два колеса. Тележки, располагающие восьмью и более колесами, снабжены индивидуальным приводом. Ведущая тележка оборудована двигателем и зубчатым редуктором, а с торца на нее устанавливаются противоугонные устройства. Противоугонные захваты предотвращают движение крана вне рабочего режима посредством ветра. На одной из тележек также размещается кнопка включения и выключения ограничителя пути, которая срабатывает при наезде крана на рельсах за ограничивающую линию.

Источник фото: exkavator.ruСтационарный башенный кран. Вид сблизи

Монтаж, демонтаж башенного крана

На практике применяют достаточно большое количество способов монтажа башенного крана. Для каждой конкретной ситуации применяется свой метод. Основными факторами, влияющими на выбор того или иного способа, являются: высота башни и длина стрелы, условия установки крана, продолжительность стоянки.

В случае, когда ситуация требует частой перевозки башенного крана с одной строительной площадки на другую, используют кран специальной конструкции, которая позволяет складывать машину, не разбирая ее. Минусом такого крана является то, что для его монтажа необходимо значительное место на стройплощадке.

Для поворотных кранов используют способ самостоятельного подъема башни вместе со стрелой с помощью полиспаста.

Универсальный способ монтажа башенного крана подразумевает применение стационарной мачты. Отдельные конструкции частями монтируют в нужной последовательности. В случаях, когда использование мачты невозможно, монтаж выполняется с использованием легкого ползучего крана.

Демонтаж башенных кранов осуществляется в обратной последовательности монтажу.

Как работают краны? (Объяснение 5 различных типов!)

ByDino Pelle

Задумывались ли вы когда-нибудь, «как работают краны?» Что ж, я здесь, чтобы ответить на этот вопрос, рассказав вам о 5 типах смесителей для раковины, которые можно найти в большинстве домов.

Содержание

Что такое смеситель для раковины?

Смесители для раковины представляют собой простые клапаны, которые включаются и выключаются для управления расходом тысяч галлонов воды каждый год на кухне, в ванной или подсобном помещении (прачечной).

Неисправность крана обычно проявляется постоянным капанием воды из носика (наконечник крана, откуда выходит вода). Вы также можете заметить медленную утечку вокруг ручки или воротника смесителя для раковины.

Как работают краны? Существует 5 типов

Чтобы решить любую проблему со смесителем для раковины, вы должны сначала определить, какой у вас тип (или тип) смесителя. Это позволит вам приобрести правильные запасные части. И да, в большинстве случаев это означает, что вам или сантехнику нужно будет разобрать кран.

Но не будем забегать вперед. Эта статья посвящена определению типа вашего смесителя для раковины. Итак, давайте начнем.

1. Смесители прямого и обратного сжатия

Эти типы смесителей для раковины, всегда двуручные, имеют шайбу, которая опирается на седло в нижней части штока.

При включении компрессионного крана шайба поднимается, позволяя воде течь к изливу. Когда кран с обратным сжатием открыт, шток опускается, создавая пространство между шайбой и сиденьем, позволяя воде подниматься вверх.

Простая замена шайбы штока часто останавливает капание из носика, но на старых смесителях может также потребоваться замена седла. Замена уплотнительного кольца или набивки в штоке обычно устраняет утечки из рукоятки.

Как работают смесители: это схема типичного компрессионного смесителя с двумя ручками.

2. Мембранные смесители

Мембранный смеситель — это еще один тип смесителя с двумя ручками, который в большинстве случаев легко ремонтируется.

Замена уплотнительного кольца предотвратит большинство утечек из ручки. Замена резиновой диафрагмы, которая является частью, контролирующей поток воды, предотвращает протечки как из носика, так и из ручки.

Как работают смесители: типичная резиновая диафрагма, используемая в данном случае в смесителе американского стандарта.

3. Дисковые краны

Дисковый кран имеет либо две ручки, либо один рычаг. У него есть пара пластиковых или керамических дисков, которые двигаются вверх и вниз, чтобы регулировать объем воды. Кроме того, диски вращаются для регулирования температуры (от горячего к холодному).

Дисковый кран в сборе редко нуждается в замене, но впускные отверстия могут засориться, а уплотнения могут изнашиваться.

Как работают смесители: это схема типичной сборки дискового смесителя с одним рычагом.

4. Картриджные смесители

Картриджные смесители регулируют поток воды с помощью картриджа, управляемого одним рычагом. Ремонт включает в себя замену уплотнительных колец или замену всего картриджа на новый.

Как работают смесители: это схема двухрычажного смесителя для раковины картриджного типа.

5. Смесители с вращающимся шаром

Смеситель с вращающимся шаром имеет один рычаг. В нем используется пластиковый или латунный шар с прорезями, установленный на паре подпружиненных резиновых седел. Ручка вращает шар, чтобы регулировать температуру воды и поток.

Когда этот смеситель протекает из носика, это обычно означает необходимость замены пружины и седла. Течь вокруг рукоятки указывает на работу уплотнительных колец или ослабленное регулировочное кольцо.

Как работают краны: схема сборки крана с вращающимся шаром.

Заключительные мысли

Вышеизложенное отвечает на самый основной вопрос: как работают краны?

Как вы можете догадаться, это может быть намного больше. Мы только что рассмотрели 5 наиболее распространенных типов смесителей для раковины. Но на современном рынке, где дизайн кухни стоит на первом месте, существует множество типов нестандартных или необычных смесителей, некоторые из которых имеют собственные запатентованные узлы и механизмы.

Если вы столкнулись с краном раковины, который не можете починить, вызовите проверенного сантехника, чтобы он посмотрел. Не стесняйтесь задавать вопросы и наблюдать за процессом ремонта. Возможно, в следующий раз вы сможете сделать ремонт самостоятельно.

  • Как очистить аэратор крана
  • Почему мой кран протекает?
  • Как починить протекающий кран: полное руководство по устранению неполадок
  • Как сэкономить воду в ванной
  • Кухонные смесители из матового никеля: руководство для покупателя
  • Как прочистить распылитель кухонной раковины
  • Как сэкономить воду на кухне

Позвоните в 1-Tom-Plumber

Свяжитесь с нами здесь или позвоните по телефону 1-Tom-Plumber (1-866) -758-6237), если вам нужна помощь в ремонте или замене смесителя для раковины.

Сертифицированная команда сантехников и специалистов по канализации 1-Tom-Plumber немедленно реагирует на любую аварийную сантехнику, прочистку канализации или повреждение водой. Мы также выполняем раскопки подземных водопроводов и канализационных магистралей. Наша группа быстрого реагирования доступна каждый день и ночь в году, даже в праздничные дни.

Post Tags: #картриджные смесители#компрессионные смесители#мембранные смесители#дисковые смесители#как работают смесители#сантехнические советы#смесители обратного сжатия#смесители с вращающимся шаром#смесители для раковины

Похожие посты

Как работает кран (1 оценка)

Нажмите здесь, чтобы оценить

Quick Look

Уровень: 6 (5-7)

Требуемое время: 15 минут

Зависимость урока: Нет

Предметные области: Физические науки

Поделиться:

TE Информационный бюллетень

Резюме

Учащиеся узнают об основных инженерных принципах внутренней работы простого предмета домашнего обихода – крана. Учащиеся используют основные понятия простых механизмов, силы и потока жидкости, чтобы описать путь воды через простой кран. Наконец, они переводят эти знания в размышления о том, как различные конструкции смесителей также используют те же самые концепции.

Инженерное подключение

Инженеры используют принципы механических и жидкостных систем для проектирования многих предметов повседневного обихода, таких как кран. Инженеры используют математические уравнения, чтобы вычислить связанные с ними давление, силу и поток жидкости в таких объектах. Еще одним хорошим примером совместного использования инженерных, механических и гидравлических систем является плотина и ворота плотины, удерживающие воду. Когда ворота открываются, вода начинает вытекать из соответствующего резервуара. Чтобы предотвратить катастрофу, давление воды на ворота должно быть прямо пропорционально площади воды, протекающей мимо ворот. Инженеры должны знать, как все взаимосвязано, чтобы все системы работали вместе.

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

  • Перечислите две инженерные концепции, использованные при проектировании крана: простые механизмы и поток жидкости.
  • Опишите хотя бы одну простую машину, используемую в основном кране.
  • Опишите поток воды в кране.

Образовательные стандарты

Каждый урок или занятие TeachEngineering соотносится с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.

Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, включенных в TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр. , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классам, и т.д. .

Общие базовые государственные стандарты — математика
  • Свободно делите многозначные числа по стандартному алгоритму. (Оценка 6) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Свободно складывать, вычитать, умножать и делить многозначные десятичные числа, используя стандартный алгоритм для каждой операции. (Оценка 6) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Напишите, прочитайте и оцените выражения, в которых буквы обозначают числа. (Оценка 6) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – технология
ГОСТ
Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Подписаться

Подпишитесь на нашу рассылку новостей, чтобы получать внутреннюю информацию обо всем, что связано с TeachEngineering, например, о новых функциях сайта, обновлениях учебных программ, выпусках видео и многом другом!

PS: Мы никому не передаем личную информацию и электронные письма.

Рабочие листы и вложения

Кран накладной (doc)

Смеситель накладной (pdf)

Посетите [www.teachengineering.org/lessons/view/cub_faucets_lesson01], чтобы распечатать или загрузить.

Больше учебных программ, подобных этому

Урок средней школы

Основы Fluid Power

Учащиеся узнают об основных понятиях, важных для гидроэнергетики, которая включает в себя как пневматические (газовые), так и гидравлические (жидкостные) системы.

Основы гидроэнергетики

Высший элементарный урок

Скольжение вправо с помощью наклонной плоскости

Студенты изучают строительство пирамиды, изучая простой механизм, называемый наклонной плоскостью. Они также узнают о другом простом механизме, винте, и о том, как он используется в качестве подъемного или крепежного устройства.

Скользите вправо, используя наклонную плоскость

Урок средней школы

Расчеты: анализ сил в ферменном мосту

Изучите основы анализа сил, которые инженеры выполняют в соединениях ферм для расчета прочности ферменного моста, известного как «метод соединений». Найдите растяжения и сжатия для решения систем линейных уравнений, где размер зависит от количества элементов и узлов в ферме...

Занимаемся математикой: анализ сил в ферменном мосту

Предварительные знания

Учащиеся должны иметь базовые знания о простых механизмах и понимать понятие давления.

Введение/Мотивация

В наших домах столько классной техники. Сегодня мы узнаем об обычном объекте, с которым все часто соприкасаются. Мы собираемся узнать о кранах.

Подумайте обо всех видах кранов, которые вы видели. Есть смесители, для включения которых нужно завинтить ручку; есть краны, для включения которых нужно потянуть за рычаг; есть смесители, для включения которых нужно нажать кнопку, а есть смесители, к которым даже не нужно прикасаться, чтобы их включить. В какой-то момент инженеру пришлось спроектировать все эти смесители.

В каждом смесителе используется несколько важных технических решений. Первый — это простые машины. В большинстве смесителей используется обычный простой механизм, такой как винт или рычаг, для создания усилия, необходимого для остановки непрерывного потока воды. Еще одна инженерная концепция, которую использует кран, - это поток жидкости. Смесители должны сдерживать поток воды при выключении и регулировать поток воды при включении. В нашем сегодняшнем уроке мы сосредоточимся на обычном кране с одной ручкой, похожем на наружный кран, к которому можно присоединить садовый шланг.

Мы начнем с воды и пройдем путь от труб в вашем доме через кран к вашей раковине. Вода в трубах вашего дома находится под давлением выше, чем давление окружающего вас воздуха. Эта разница давлений является причиной того, что вода поднимается из труб на уровне земли, поступающих в ваш дом, и выходит через кран. Если бы по какой-то причине давление воздуха вокруг вас поднялось до давления воды в трубе, вода больше не вытекала бы из трубы. Итак, за счет давления в трубе вода готова к движению. Все, что должен делать кран, — это удерживать воду, пока мы не захотим ее использовать.

Если бы вы были молекулой воды, протекающей через этот кран, первое, с чем вы соприкоснулись бы, — это маленькое круглое отверстие: около четверти дюйма в диаметре. С другой стороны этого отверстия будет небольшая резиновая пробка. Если бы кран был закрыт, эта пробка была бы прижата к отверстию с другой стороны. Это то, что удерживает воду. Резиновая пробка удерживается на месте с помощью простого механизма — винта. Кто знает, к какой простой машине относится винт? Клин. Винт представляет собой клин, обернутый вокруг цилиндра.

Теперь добавим поток жидкости. Когда кран открывается, винт отодвигает резиновую пробку от отверстия, создавая небольшую щель, через которую можете пройти вы — молекула воды — и несколько тысяч ваших друзей. Давление внутри трубы падает, когда вы проходите через отверстие. Помните, что без этого перепада давления вы не смогли бы пройти через отверстие. Когда кран закрыт, винт работает в другую сторону и закрывает отверстие, останавливая поток воды — тем самым запрещая вам проходить через отверстие.

Примерно так вода попадает из труб в земле, через кран в вашем доме и в раковину. Помните, что инженеры проектируют простые смесители с учетом двух важных инженерных концепций — простых механизмов и потока жидкости (воды). После урока проведите связанное с ним упражнение Слишком большое давление! Моделирование отношений сила-давление-площадь, чтобы помочь проиллюстрировать отношения между силой, давлением и площадью, путем создания простой системы, которая удерживает воду из труб различного диаметра.

Предыстория урока и концепции для учителей

Роль давления

Вода в трубах в нашем доме проходит под давлением выше, чем давление окружающего нас воздуха. Эта разница давлений является причиной того, что вода поднимается по трубам на уровне земли в ваш дом и в конечном итоге выливается из крана. Обычно это давление создается за счет градиента гидростатического давления. Лучший способ думать о гидростатическом давлении — это думать о плавательных бассейнах. Когда ныряешь глубоко под воду в бассейне, обычно болят уши — это из-за повышения давления. Чем глубже вы идете, тем больше давление и тем сильнее болят уши. Это верно до тех пор, пока вода не сильно движется, и здесь в игру вступает «статическая» часть. На самом деле взаимосвязь между давлением и глубиной точно моделируется следующим уравнением:

P = ρgh

, где P — давление, ρ — плотность жидкости (воды), g — сила тяжести, а h — высота воды над рассматриваемой точкой.

Образец расчета: вода имеет плотность 999 кг на кубический метр; гравитация на Земле составляет около 9,81 метра в секунду в квадрате. Если цилиндр с водой наполнить высотой пять метров, давление можно рассчитать по формуле:

999 кг/м 3 × 9,81 м/с 2 × 5 м = 49,0 кПа.

Значит давление 49килопаскалей, что равно 1000 ньютонов на квадратный метр. Поэтому важно знать, что давление можно измерять в килопаскалях или ньютонах.

Можно найти давление жидкости в любой заданной точке, зная только плотность жидкости, гравитацию и высоту до поверхности воды. Итак, поскольку плотность воды и гравитация всегда равны, давление на самом деле зависит только от высоты. Таким образом, как показано на рисунке 1, точки А и В находятся на одной высоте h, поэтому давление в обеих точках вначале одинаково.

Рисунок 1. Градиент гидростатического давления.

Copyright

Copyright © Крис Шеридан и Джанет Йоуэлл, Колорадский университет в Боулдере, 2006.

Однако давление падает, когда вода проходит через узкое отверстие (в сосуде справа на рис. 1). Без этого перепада давления вода не прошла бы через отверстие. А поскольку отверстие довольно маленькое, оно оказывает сопротивление потоку. Тогда скорость, с которой вода проходит через кран, равна разности давлений, деленной на сопротивление отверстия, или:

PInside - POutside = (Скорость потока)*(Сопротивление)

Из приведенного выше уравнения видно, что если давление снаружи равно давлению внутри, то левая часть уравнения должна равняться нулю. Таким образом, либо скорость потока, либо сопротивление должны быть равны нулю. Мы можем сделать вывод, что скорость потока должна быть равна нулю, так как все трубы имеют хоть какое-то небольшое сопротивление. Кроме того, если перепад давления становится очень большим, а сопротивление относительно небольшим, скорость потока становится довольно большой. Наконец, если разница давлений останется прежней, а сопротивление уменьшится, скорость потока увеличится. Именно такое падение сопротивления происходит, когда кран открывается, а резиновая пробка отодвигается от отверстия.

Сколько силы?

Итак, сколько сил нужно, чтобы удержать всю эту воду? К счастью, это достаточно легко рассчитать: необходимая сила равна давлению воды, умноженному на площадь отверстия. Это выражается общим уравнением:

Ф=П*А

Где F — сила воды, действующая на пробку, P — давление воды, а A — площадь отверстия. Поскольку пробка не движется, сила воздействия воды на пробку должна быть равна силе воздействия пробки на воду.

Рисунок 2. Внутреннее устройство крана.

Copyright

Copyright © Крис Шеридан, Колорадский университет в Боулдере, 2006.

Пример расчета : Предположим, что давление воды в трубе (показанной на рис. 2) составляет около 30 фунтов на квадратный дюйм (фунтов на квадратный дюйм; это станет важным позже). Во-вторых, площадь отверстия составляет 0,049 квадратных дюймов (получается путем возведения радиуса отверстия в квадрат и умножения на число Пи). Таким образом, сила воздействия воды на резиновую пробку равна 30 фунтов на квадратный дюйм, умноженным на 0,049.2) = 1,47 фунта

Мы знаем, что ответ должен быть какой-то единицей силы. Фунты на квадратный дюйм, умноженные на квадратные дюймы, действительно равны фунтам, поэтому единицы работают.

Как кран машина?

Теперь перейдем к механической системе в общем кране. Резиновая пробка устанавливается на место с помощью винта (см. рис. 2). Этот винт служит для уменьшения силы, необходимой для удержания воды. Винт преобразует крутящий момент (крутящую силу) в линейную силу. Это также обеспечивает механическое преимущество, которое преобразует небольшую входную силу в потенциально большую выходную силу. Чтобы проиллюстрировать концепцию механического преимущества, мы можем рассмотреть пример простого клина, поднимающего коробку на рис. 3.

Рисунок 3. Пример того, как клин поднимает коробку или блок.

Copyright

Copyright © Крис Шеридан, Колорадский университет в Боулдере, 2006.

Пример расчета : Предположим, что ящик на рис. 3 весит 100 фунтов и что нам требуется сила 50 фунтов, чтобы поднять ящик. Если мы используем клин, такой как на рис. 3, мы можем использовать меньшее усилие, чтобы поднять коробку. Это означало бы, что около 50 фунтов будут опираться на клин, а остальные 50 фунтов — на пол в противоположном углу коробки. Это приближение прекрасно работает, пока коробка не сильно наклонена. Следовательно, если наш клин имеет длину пять дюймов и высоту один дюйм, мы можем приблизить величину необходимой силы.

Первым шагом является вычисление наклона гипотенузы треугольника, образующего клин. Уклон рассчитывается делением высоты на длину.

Высота ÷ Длина = Наклон

1 дюйм ÷ 5 дюймов = 1/5

Итак, наклон клина составляет одну пятую. Это безразмерная величина, потому что дюймы, разделенные на дюймы, не имеют единиц измерения. Затем необходимую силу можно рассчитать, используя следующее уравнение.

Сила для подъема ящика × Наклон = Сила для толкания клина

50 фунтов × 1/5 = 10 фунтов

Опять же, та же самая операция, выполняемая с числами, также выполняется с единицами измерения (фунтами), умноженными на безразмерное количество, которое снова равно фунтам. Уравнение дает необходимую приложенную силу в десять фунтов. Таким образом, чтобы поднять коробку, потребуется всего десять фунтов, приложенных к клину. В этой оценке не учитывается трение между клином и ящиком, а также между клином и полом.

Однако за это снижение силы приходится платить. Чтобы угол коробки поднялся на один дюйм, клин должен скользить по горизонтали на пять дюймов. Точнее, расстояние, на которое вам нужно толкнуть клин, равно расстоянию, на которое вы хотите поднять коробку, деленному на наклон клина:

1 дюйм ÷ 1/5 = 5 дюймов

В приведенном выше случае работа — это сила, необходимая для подъема ящика, умноженная на расстояние, на которое эта сила действует. Важной концепцией здесь является то, что независимо от того, как поднимается коробка, потребуется одинаковое количество работы, чтобы поднять коробку на один дюйм. В приведенном выше примере мы толкнули с силой в десять фунтов на расстояние в пять дюймов. Необходимая работа тогда равна 50 дюйм-фунтам. Если бы мы решили не использовать клин, нам пришлось бы применять пятьдесят фунтов вместо десяти. Однако нам нужно было бы применить эту силу только на один дюйм.

Связанные виды деятельности

  • Слишком большое давление! Моделирование отношений сила-давление-площадь. Учащиеся экспериментируют с соотношением между силой, давлением и площадью, создавая простую систему, удерживающую воду из труб разного диаметра.

Закрытие урока

Сегодня мы говорили о том, как работает кран. Мы узнали, что инженеры проектируют разные типы кранов. Существует множество инженерных концепций, которые используются при проектировании смесителя. Кто может назвать один? Первый — это простые машины. В кране, о котором мы говорили сегодня, использовалась простая машина, винт, чтобы вода не текла постоянно. Еще одна инженерная концепция, на которой основан кран, - это поток жидкости. Инженеры должны думать о том, как течет вода, чтобы регулировать включение и выключение воды.

Как вода течет через наш кран? Что ж, первое, с чем соприкасается вода, это маленькое круглое отверстие. С другой стороны этого отверстия находится небольшая резиновая заглушка. При закрытом кране пробка прижимается к отверстию с другой стороны. Это то, что удерживает воду. Резиновая пробка удерживается на месте винтом. Когда мы поворачиваем винт, он освобождает резиновую пробку, и вода течет. Можете ли вы придумать другие способы остановить быстрое или медленное течение воды по трубе? Именно над этим работают инженеры, разрабатывая новые смесители.

Словарь/Определения

Сила: Что-то, что действует извне, чтобы толкать или тянуть и возражать.

Давление: количество силы, распределенной по площади; измеряется как сила на единицу площади, например, в фунтах на квадратный дюйм.

psi: фунты на квадратный дюйм; единица давления, обычно используемая в системе США.

Сопротивление: Противодействие тела или предмета чему-либо, проходящему через него, например, трубе (предмету) с проходящей через нее водой.

Простая машина: категория устройств, включающая клин, рычаг и винт, которые способны обеспечивать механическое преимущество и передавать усилие.

Оценка

Оценка перед уроком

Мозговой штурм : В самом начале урока дайте парам или группам учащихся несколько минут, чтобы они придумали решение простой задачи. Напомните учащимся, что в мозговом штурме никакая идея или предложение не является «глупой». Все идеи должны быть выслушаны с уважением. Поощряйте дикие идеи и препятствуйте критике идей. Спросите у студентов:

  • Как они могли поднять 100-фунтовый ящик на несколько дюймов над землей? Придумывают ли учащиеся способы использования простых механизмов, таких как клин или винт? Если да, укажите, какие из идей учащихся используют понятия и принципы простых машин.

Оценка после внедрения

Групповое обсуждение : Отобразите изображение внутренней работы крана (или используйте прикрепленный рисунок 2). Укажите на винтовой механизм крана и спросите учащихся, что это за механизм. (Ответ: простая машина) Укажите на резиновую пробку и спросите учащихся, какую функцию выполняет эта деталь. (Ответ: Она сдерживает поток воды.) Спросите учащихся, что произойдет, если резиновую пробку переместить на разную высоту. (Ответ: Течение воды быстрее или медленнее.) Спросите учащихся, что нужно сделать, чтобы переместить пробку в разные места. (Ответ: Вы должны повернуть винт.)

Оценка итогов урока

Инженер лучше !: Инженеры использовали винт для управления водой в простом кране. Предложите учащимся подумать о других простых механизмах, которые можно использовать для сдерживания потока жидкости для новой конструкции крана. Попросите их нарисовать свой новый дизайн крана. Они должны маркировать простые машины, которые они использовали, а также другие детали, чтобы объяснить их конструкцию.

Расширение урока

Затем урок можно масштабировать в объяснении в зависимости от того, что учащиеся уже знают о простых машинах. Если учащиеся знают, что такое простая машина, то учитель может более подробно рассказать о математике, используемой для расчета уменьшения силы и выполненной работы. Или, может быть, просто урок о том, что такое простые машины, что они могут и чего не могут.

Спросите учащихся: "Что происходит, когда вы ныряете глубоко под воду?" Математический ответ таков: давление возрастает линейно по уравнению: P = ρgh, где ρ равно плотности жидкости, g — сила тяжести, h — высота воды над человеком. Конечно, вы не получите такой точной реакции, но большинству девочек и мальчиков знакомо то, как увеличивается давление по мере того, как пловец погружается глубже. Это приводит к вопросу: «Что такое давление воды?» Наконец, «сколько вам нужно надавить, чтобы сдержать давление воды?»

Math Extension 1 : (старшеклассники) Используя уравнение для давления в толще воды, попросите учащихся рассчитать давление в самой глубокой точке океана, Марианской впадине. Во-первых, найдите глубину траншеи и используйте уравнение градиента гидростатического давления для расчета давления. Найдите ответ на http://www.marianatrench.com/

.

Расширение по математике 2 : (старшеклассники) Если учащимся требуется дополнительная математическая задача, они могут рассчитать необходимую силу и перемещение, необходимые для подъема 2-фунтовой книги, по одному дюйму для разных клиньев. Затем можно рассчитать работу для каждого клина. (Ответ: Работа должна быть такой же.)

использованная литература

Агентство по охране окружающей среды США, Подземные воды и питьевая вода, Академия питьевой воды, Спутниковое обучение, 21 февраля 2006 г.

Авторские права

© 2006 Регенты Университета Колорадо.

Авторы

Крис Шеридан, Тод Салливан, Джеки Салливан, Малинда Шефер Зарске, Джанет Йоуэлл

Программа поддержки

Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж Колорадского университета в Боулдере

Благодарности

Содержание этой учебной программы цифровой библиотеки было разработано в рамках гранта Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), Министерства образования США и Национального научного фонда, грант GK-12 №.


Learn more