مفهوم علم هیدرولیک

چه رابطه ای بین یک تفنگ آبپاش و این جرثقیل غول آسا وجود دارد؟ در نگاه اول هیچ ارتباطی، اما با فکر کردن در مورد علم پشت آنها نتیجه ای شگفت انگیز بدست خواهد آمد:

تفنگهای آبپاش و جرثقیل ها هر دو از نیروی حرکتی مایعات استفاده می کنند. این تکنولوژی، هیدرولیک خوانده می شود و برای انرژی دادن به هر چیزی از ترمزهای ماشین و جک ماشین های آشغالی گرفته تا فرمان قایق های موتوری و جک گاراژها مورد استفاده قرار می گیرد. بیایید نگاه دقیق تری به نحوه ی کارکردش بیاندازیم.

شما نمی توانید یک مایع را فشرده کنید!

گازها به راحتی فشرده می شوند: هر کسی می داند که فشردن یک بادکنک خیلی آسان است. جامدات دقیقا برعکسند. آیا هرگز تلاش کرده اید که یک آجر یا یک تکه چوب را متراکم کنید به راحتی با فشردن انگشتانتان متوجه می شوید که غیرممکن است.

اما در مورد مایعات چطور؟ مایعات در کجای داستان فوق قرار می گیرند؟ احتمالا می دانید که مابین دو مورد بالا قرار می گیرند، از بعضی جهات شبیه جامدات و از بعضی دیگر شبیه گازها. حالا، از آنجایی که مایعات به راحتی جریان می یابند، شما ممکن است فکر کنید رفتار آنها مانند گازهاست وقتی که تلاش می کردید که آنها را بفشارید اما در حقیقت مایعات تقریبا تراکم ناپذیر هستند به مانند جامدات. به همین دلیل است که شیرجه رفتن بر روی شکم درد آور است. زمانی که بدن شما به آب می رسد به دلیل اینکه آب نه می تواند به پایین فشرده شود(مانند یک بالش یا ترامپولین) و نه می تواند به سرعت از مسیر شما خارج می شود بدنتان دچار آسیب می شود.

پرش از روی پل ها به درون رودخانه ها نیز به همین دلیل خیلی خطرناک است مگر اینکه شما به درستی شیرجه بزنید، پرش از روی پل به درون آب تقریبا شبیه پرش بر روی بتن است(تلاش کنید مواردی مشابه را بیابید).

این حقیقت در مورد تراکم ناپذیری مایعات به طور شگفت انگیزی مفید است. اگر شما تا بحال با یک تفنگ آبپاش شلیک کرده باشید شما از این ویژگی استفاده کرده اید احتمالا متوجه این موضوع شده اید که کشیدن ماشه ی تفنگ آبپاش مستلزم مقداری نیرو است که آب را به بیرون بپاشد در حقیقت شما با کشیدن ماشه فشاری را بر آب منتقل کرده اید که باعث می شود آب با سرعت بالاتری نسبت به سرعت کشیدن ماشه به بیرون بجهد اگر آب غیر قابل تراکم نبود آبپاش به درستی کار نمی کرد و هنگام کشیدن ماشه آب به میزان خیلی کمتری به بیرون جهیده می شد.

اگر تفنگ آبپاش می تواند نیرو و سرعت را تغییر دهد بدین معنی است که از لحاظ علمی بمانند ابزارها و ماشین ها کار کرده است. در حقیقت علم تفنگهای آبپاش بسیاری از ماشین های بزرگ، جرثقیل ها، کمپرسی ها و لودرها را به حرکت در آورده است.

تئوری هیدرولیک

یک تفنگ آبپاش را بصورت عمودی قرار دهید، اتفاقی که در داخل آن می افتد در شکل بالا نشان داده شده است، وقتی شما ماشه را می کشید(رنگ قرمز در شکل) یک نیروی نسبتا بزرگ را اعمال می کنید که طی آن ماشه فاصله ی کوتاهی را طی می کند، بدلیل تراکم ناپذیری، آب با نیروی کمتر و سرعت بیشتری به خروجی تفنگ می رسد.

حالا فرض کنید که می توانیم یک تفنگ با کارکرد برعکس بسازیم اگر بتوانیم مایع را با سرعتی بالا به دهانه ی خروجی تفنگ شلیک کنیم آب مسیر عکس مسیر قبلی را می پیماید و نیروی بزرگی را پشت ماشه ایجاد می کند اگر این کار را چندین بار انجام دهیم می توانیم نیروی بزرگی را جهت بلند کردن اجسام تولید کنیم، این دقیقا همان کاری است که یک جک انجام می دهد اگر شما سیالی را از سمت باریک یک لوله بفشارید می توانید نیروی بزرگی را در طرف دیگر ایجاد کنید و پیستونی را به آرامی بلند کنید.

علم پشت هیدرولیک اصل پاسکال نامیده می شود. فشار درون لوله بدلیل تراکم ناپذیری سیال، الزاما می بایست در طول مسیر حرکتش ثابت بماند حتی اگر شما نیروی بسیار بزرگی را در یک طرف آن اعمال کنید. پس می توانیم فشار را بصورت نیروی واحد بر سطح تعریف کنیم. بنابراین اگر ما یک نیروی کوچک را بر یک سطح کوچک(طرف باریک، سمت چپ لوله) اعمال کنیم برای برقراری فشار ثابت می بایست نیروی بزرگتری بر سطح پیستون بزرگتر به طرف بالا ایجاد شود که این روشی جهت تقویت نیرو می باشد.

کاربرد هیدرولیک

شما می توانید کاربرد هیدرولیک را در این بیل مکانیکی ببینید. زمانی که راننده اهرم را میکشدموتور سیال را به لوله های باریک و شلنگ ها پمپ می کند که باعث میشود جک ها (رنگ قرمز در عکس) باز شوند.جک ها کمی شبیه تلمبه ی دوچرخه می باشند که برعکس آن کار می کنند اگر شما همزمان از چندین جک استفاده کنید شما می توانید یک بازوی بیل مکانیکی درست کنید که می تواند شبیه بازوی انسان اما با توان خیلی بیشتر باز و بسته شود به عبارتی جک های هیدرولیک عضلات بیل مکانیکی را ایجاد کرده اند.

هر جک شبیه یک تفنگ آبپاش دیزلی با کارکردی بر عکس آبپاش کار می کند.

موتور، سیال هیدرولیکی را از طریق یک لوله ی باریک برای به حرکت درآوردن یک پیستون با قطر بیشتر جهت ایجاد نیرویی بزرگتر پمپ می کند:

ممکن است این سوال پیش بیاید که یک پیستون هیدرولیکی چگونه هم در جهت بیرون و هم در جهت داخل حرکت می کند در حالی که سیال هیدرولیکی همیشه آنرا به یک طرف می راند این بدین دلیل است که هر جک دو پورت جهت ورود روغن در دو طرف پیستون دارد که حرکت آن را در هر دو جهت را مهیا می کند:

با کمی تامل در محیط اطراف می توانید ماشین آلات بیشتری را که از سیستم هیدرولیک استفاده می کنند بیابید مانند: جرثقیل، لودر، بیل مکانیکی، کمپرسی ها و... اما این هیدرولیک این ماشین ها کاملا در معرض دید هستند، دستگاه های دیگری نیز وجود دارند که سیستم هیدرولیکشان کاملا مخفی شده است مانند آسانسورهای هیدرولیک که سیستم هیدرولکش کاملا خارج از دید مسافران آن است، حتی بعضی از موتورها وجود دارند که دیگر از سیستم قدیمی الکترومغناطیسی(روتور و استاتور) استفاده نمی کنند و محرک آنها نیروی سیالات است همانطور که مشاهده شد امروزه هیدرولیک در اکثر صنایع راه پیدا کرده است.