油圧ジャッキ:パスカルの法則とその仕組みの理解

油圧ジャッキは、液体内の圧力が全方向に均等に作用するというパスカルの法則に基づいています。

パスカルの法則

「圧力」の記事では、液体 (または気体) 内の圧力が全方向に均等に分布していることをすでに説明しました。たとえば、液体内のある点で特定の圧力が発生した場合、同じ圧力が液体内の他のすべての点に存在します (静水圧は無視します)。これはよくパスカルの法則と呼ばれます。 またはパスカルの原理 。

パスカルの法則は、液体内の圧力の均一な分布を説明します (静水圧は無視します)。

一部の文献ではパスカルの法則と呼ばれています。 これもやや一般的であり、静水圧を考慮します。このより一般的な意味で、パスカルの法則は、液体内の特定の深さ h の圧力は、液体表面の圧力 p0 と静水圧 ph の合計から生じると述べています。

\begin{整列}
&p(h) =p_0 + p_h~~~~~\text{and} ~~~p_h=\rho g h \\[5px]
&\boxed{p(h) =p_0 + \rho g h} ~~~~~\text{パスカルの法則} \\[5px]
\end{整列}

開いた容器内の液体の場合、液体表面の圧力は周囲の圧力 (「大気圧」) に相当します。液体がそれほど深くない場合、静水圧は表面のより大きな周囲圧力に比べて通常無視できます。たとえば、深さが数センチメートル程度の場合、静水圧は大気圧の約 1,000 分の 1 になります。この場合、どの深度にも同じ圧力が存在することがすぐにわかります。

\begin{整列}
\require{キャンセル}
&\text{with} ~~~~~ p_0 \gg p_h ~~~~~\text{適用:} \\[5px]
&p(h) =p_0 + \bcancel{\rho g h} \about p_0 \\[5px]
&\boxed{p(h) =p_0} ~~~~~\text{静水圧を無視した場合に有効} \\[5px]
\end{整列}

静水圧を無視すると、液体内の圧力は、環境が液体表面に及ぼす圧力に対応します。したがって、液体内の圧力は、液体表面の圧力を増加させることによって変化することができます。ただし、周囲の気圧を変えることはできないため、まず液体を容器に封入する必要があります。容器壁の開口部を通して、ピストンによって液体表面の圧力を自由に高めることができるようになり、液体に一定の圧力を加えることができます。

この単純な原理は、 たとえば注射器に使用されています。 。塗布する液体は円筒形のハウジング (バレル) の中に入れられています。 ) にピストンで圧力がかかります。 結果として生じる圧力により、 液体がオリフィスから押し出されます。 .

油圧

パスカルの原理のもう 1 つの用途は油圧ジャッキです。 または油圧全般。油圧では流体を使用してエネルギーを伝達します。 電気に加えて (電流による動力伝達) と空気圧 (空気による動力伝達)、油圧は機械工学において非常に重要です。

空気圧は圧縮性ガスを使った動力伝達を指しますが、油圧は非圧縮性流体を使った動力伝達を指します。

特殊なオイル、 いわゆる油圧作動油 、油圧で使用されます。 0 °C ～ 100 °C の温度範囲でのみ使用できる水と比較して、作動油はより広い温度範囲で使用できます。さらに、油圧作動油は金属コンポーネントを腐食から保護するだけでなく、可動部品に優れた潤滑性を与えます。

油圧原理

下図は油圧ジャッキを示しています。 レバー 作動油をピストンによって加圧するために使用されます。 、それによって別のピストンが大きな力で上方に移動します。そんな油圧ジャッキを使うと 、最大数トンの荷物を持ち上げることができます。力の増加は部分的にはパスカルの原理によるものです。 .

下の図は油圧ボトル ジャッキの簡略化された設計を示しています。 、動作原理を示します。作動油は密閉システム内にあります。流体が閉じ込められているハウジングには 2 つのピストンが備えられています。オイルは小さいピストン (ポンプピストンと呼ばれます) によって圧力をかけられます。 またはポンププランジ r）。

加えられた力 F1 とピストンの表面積 A1 を使用すると、力と面積の商から、加えられた圧力 p を比較的簡単に決定できます。

\begin{整列}
\label{p}
&p =\frac{F_1}{A_1} \\[5px]
\end{整列}

パスカルの法則によれば、この圧力は液体のどの点でも見られます。加えられる圧力が大きく、ハウジングの寸法が比較的小さいため、いずれにしても静水圧は無視できることに注意してください。したがって、小さなピストンによって生成された圧力はラムと呼ばれる 2 番目のピストンにも作用します。 (作動ピストン ）。ただし、このピストンの表面積 A2 は大きいため、そこにかかる圧力により大きな力 F2 が生じます。

\begin{整列}
\label{f}
&F_2 =p \cdot A_2 \\[5px]
\end{整列}

方程式 (\ref{p}) が方程式 (\ref{f}) で使用される場合、力の増幅はピストン面積の比率に直接依存します。

\begin{整列}
&F_2 =p \cdot A_2 =\frac{F_1}{A_1} \cdot A_2 =F_1 \cdot \frac{A_2}{A_1} \\[5px]
&\boxed{F_2 =F_1 \cdot \frac{A_2}{A_1}}\\[5px]
\end{整列}

たとえば、作動ピストンの面積がポンプピストンの面積の 4 倍である (つまり、作動ピストンの直径が 2 倍である) 場合、加えられる力は 4 倍になります。これはエネルギー保存の法則に矛盾しません。 4 つのピストン表面により、作動ピストンはポンプ ストロークの 4 分の 1 だけ伸びます。

これは、ポンプ ピストンが下向きの動き (高さ h1) 中に一定量の作動油を移動させることからも明確に示されています。液体は非圧縮性であるため、圧縮することはできません。したがって、押しのけられた液体は、作動ピストンを同じ体積（高さ h2）だけ拡張します。ただし、ラムの面積は 4 倍であるため、この体積は元のストロークの 4 分の 1 ですでに達成されています。力が増加すると、それに応じて持ち上げ高さが減少します。

機械原理

実際、この油圧による力の増幅は、ジャッキに適用される 2 つの原理のうちの 1 つにすぎません。機械的なてこの作用により、力がさらに大きく増幅されます。通常は第二種レバーです。

テコの法則によると 、力の機械的増幅はレバーアームの比率によって生じます。 「アクティブ」レバー アーム「a」は、ハンドルへのピボット ポイントとパッシブから生じます。 レバーアーム「b」をピボットポイントからポンプピストンまで動かします。たとえば、ピボット ポイントからハンドルまでのレバー アーム「a」がピボット ポイントからポンプ ピストンまでの距離 b の 10 倍である場合、力は 10 倍に増加します。

上記の数値を車のジャッキの典型的な例として使用すると、機械的増幅が発生します。 係数 10 の値は、 テコの法則と油圧増幅 に従って取得されます。 パスカルの法則による係数 4 の。この場合、合計で 40 倍の増幅が得られます。したがって、重さ 400 kg の物体を 10 kg の力で持ち上げることができます。

油圧ジャッキの製作

下の図は実際の油圧式ボトルジャッキの構造と動作原理を示しています。作動油はリザーバーにあります。 2つのシリンダーの間。 外筒 ハウジング壁と内筒を形成する (オイルタンク) ここで作動ピストンは (ラム ）スライド。このリザーバー内の作動油は常に加圧されているわけではありません。 ポンプピストンの上昇運動中 (ポンプ プランジャー ）、 作動油はポンプシリンダーに吸い込まれます。 入口通路によって。

その後、ポンプピストンの下方移動中にオイルが加圧されます。これにより、 オイルが別の通路を通って作動シリンダーに流れ込みます。 、 ここでラムを持ち上げます。 .

逆止弁 鋼球 の形で ジャッキを継続的に上方に移動させることができ、作動油が作業シリンダからポンプシリンダにポンプで戻されないように（または作動油がリザーバに押し戻されないように）使用されます。ポンプのピストンが下降すると、ボールがリザーバーへの戻りをシールします。同時に、作動シリンダー内のバルブボールが圧力によって持ち上げられ、作動油がバルブボールに流入できるようになります。

流入後、作動シリンダー内のボールは重力により再び落下します。作動シリンダ内の高圧によりボールがバルブシートにしっかりと押し付けられ、作動油がポンプシリンダに逆流するのを防ぎます。ポンプシリンダー内のボールが吸引力によって持ち上げられ、作動油がポンプシリンダー内に吸い込まれるため、ポンピングプロセスを最初から再開することができます。逆止弁のおかげで、作動シリンダ内の油圧オイルは常に加圧状態に保たれますが、リザーバ内のオイルは常に加圧されていないことに注意してください。

ラムを再び下げるには、作動シリンダーをリザーバーに直接接続する別の通路が開きます。リフト中、この通路はネジでバルブシートにしっかりと押し込まれた鋼球でシールされます。このリリースバルブがあれば ねじを緩めると、ボールが通路を解放し、作動油がラムの重力によってリザーバに押し戻されます。

過負荷時のジャッキの損傷を防ぐために、リリースバルブは安全弁として設計されており、通常はスプリングが付いています。圧力が高すぎる場合は、スプリングが押し戻され、作動シリンダー内に許容できないほど高い圧力が蓄積することなく、作動油がリザーバーに直接戻ることができます。