בוכנה הידראולית
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
בוכנה הידרואלית היא מכשיר המפעיל כוח רב בצורה קווית (לינארית). הבוכנה ההידרואלית מורכבת מגליל ובתוכו בוכנה הנעה באמצעות לחץ של נוזל.
תוכן עניינים |
[עריכה] עקרון הפעולה
בוכנה הידראולית היא התקן המשתמש בלחץ של נוזל על מנת לדחוף גליל שמבצע עבודה מכנית הדורשת כוח רב. משאבת שמן מזרימה שמן בלחץ רב אל הבוכנה. כתוצאה מלחץ השמן, הבוכנה שבגליל נעה קדימה או אחורה. אסור שתהיינה בועות אוויר במערכת, כי אוויר הוא גז הניתן לדחיסה ואילו שמן הוא נוזל שלא נדחס. לפיכך, אם יהיה אוויר במערכת, הבוכנה לא תיפתח במלואה עקב בועות אוויר שנדחסו (בצורה דומה, יש לרוקן את מערכת הבלמים שבמכונית מאוויר).
יש בוכנות המקבלות את אספקת השמן ממשאבה ממונעת ויש בוכנות המקבלות את אספקת השמן שלהן ממשאבה ידנית (מגבה של רכב- ג'ק, לדוגמה). משאבה ידנית מסתמכת על חוק פסקל שקובע שלחץ הנוזל שווה בכל חלקיקי הנוזל. כוח המופעל על בוכנה קטנה (1) מתורגם לתנועת נוזל בגליל הצר (3), במיכל (5), בגליל הרחב (4) ולתנועת הבוכנה הגדולה (2). הבוכנה הקטנה מניעה כמות קטנה של נוזל בעזרת שטח קטן של הבוכנה. כמות הנוזל הזו, מתחלקת על פני שטח גדול יותר בבוכנה הגדולה - שתנוע לאט יותר אך בעוצמה רבה יותר. נוצרת כאן הכפלת כוח, אך לגובה קטן. אם שטח הגליל הקטן הוא A ושטח הגליל הגדול הוא S, אזי מחוק פסקל והגדרת הלחץ נובע ש
או 
זה לא סותר את חוק שימור האנרגיה שכן אם דחפנו את הבוכנה הקטנה מרחק h אזי סך הכול הזזנו נפח של 
ומאחר שהנוזל (לפי ההנחה) איננו דחיס, הבוכנה העליון תעלה מרחק H כך שנפח מתחתיה יהיה 
. מכאן נובע ש 
ולכן
כלומר, העבודה שמבצעת הבוכנה שווה לעבודה שהושקעה עליה.
[עריכה] דוגמה מספרית
קוטר הבוכנה הקטנה הוא 4 סנטימטר, המשקל המופעל עליה הוא קילוגרם (קג"כ) אחד, והיא נדחפה 20 סנטימטר כלפי מטה. קוטר הבוכנה הגדולה הוא 8 סנטימטר. חישוב: שטח הבוכנה הקטנה הוא: סמ"ר 12.56=2²×π. שטח הבוכנה הגדולה הוא: סמ"ר 50.24 =4²×π .היחס בין הבוכנות הוא 50.24/12.56, כלומר: 4. ולכן, הכוח יוכפל פי 4, ויהיה אפשרי להרים בעזרתה 4 קילוגרם. אבל, הבוכנה הקטנה דחפה 12.56×20 סמ"ק, כלומר: 251.2 סמ"ק. זה יתבטא בבוכנה הגדולה בעליה של 251.2/50.24 סנטימטר, כלומר, עליה של 5 סנטימטר. לסיכום, הכלל הוא: הכוח יוכפל כמו היחס בין רדיוס הבוכנות בחזקת 2. והבוכנה השנייה תעלה כמה שירדה הבוכנה הראשונה חלקי יחס זה (אם היחס בין רדיוס הבוכנות בחזקת 2, הוא 4 במקרה זה: 4= 4²/2², אז הבוכנה תעלה בפי 4 כוח, אך רק ברבע מהגובה).
[עריכה] סוגים שונים של בוכנות לשימושים שונים
בוכנות אלו נמצאות במכונות רבות החל ממגבה הידרואלי לרכב, וכלה בדחפורי ענק. ישנם בוכנות הנעות באיטיות ומסוגלות להניף מטען במסה של עשרות ומאות טונות (כמו במנוף) ויש בוכנות הנעות במהירות אך למרחקים קצרים יותר (כמו Piston flapper).
דוגמאות למכונות המשתמשות בבוכנות הידרואליות:
|
[עריכה] מגבלות
נפח חלל-2 וחלל-4 אינם זהים גם אם הבוכנה בדיוק במחצית תנועתה, כי מוט הבוכנה מקטין במעט את נפח החלל ואת שטח הבוכנה. לדבר זה יש השפעה על מהירות סגירת הבוכנה, שגבוהה ממהירות פתיחתה. מכיוון שהמשאבה מזרימה כמות שמן זהה בזמן נתון ועקב כך מהירות מילוי החלל גבוהה יותר. לדבר זה אין חשיבות רבה כאשר מדובר על צמ"ה, כי אין הבדל, מבחינה מעשית, אם הבוכנה תיסגר קצת מהר יותר. אך בהיגוי של מכונית, אם ישתמשו בבוכנה כזו לשם הזזת זרועות ההיגוי, תגרם תופעה שנקראת היגוי לא סימטרי, כי לצד אחד, יסתובבו הגלגלים מהר יותר. כדי להתגבר על בעיה זו משתמשים בבוכנה לכל צד של ההיגוי, כך שהבוכנות מאזנות אחת את השנייה. דרך נוספת להתגבר על הבעיה תיעשה בעזרת בוכנה הידרואלית מיוחדת, בה יש גליל משני צידי הבוכנה, כך ששטח הבוכנה זהה משני צידיה. במקרה זה יחברו כל גליל לזרוע היגוי אחרת.
