Princip hydraulických zařízení

obr. 2

Vzhledem k minimálním finančním nákladům a malé časové náročnosti výroby pomůcky doporučuji vyrobit pomůcky alespoň dvě nebo čtyři. V hodině fyziky, v níž hydraulická zařízení probíráme, můžeme dát pomůcky kolovat po třídě. Žáci tak lépe pochopí základní princip těchto zařízení a sami si ověří ty jejich vlastnosti, kvůli kterým se v praxi používají.

Provedení experimentu

Experiment provedeme ve třech krocích. Necháme pomůcku kolovat mezi žáky a vyzveme je, aby si sami experiment provedli také v těchto třech krocích.

V prvním kroku ověříme, že pohyb jednoho pístu lze pomocí vody (která v tomto případě modeluje ideální kapalinu) přenést na druhý píst. Píst jedné z injekčních stříkaček stlačíme a pozorujeme, že se píst druhé stříkačky vysouvá ze stříkačky ven. První píst uvolníme a zatlačíme na druhý. První píst se vysouvá ze stříkačky ven. Při všech zde popsaných experimentech se snažíme působit na píst stříkačky vždy kolmo k ploše pístu - v případě, že budeme experiment vyhodnocovat kvantitativně, získáme korektně definovaný tlak vody v hadičce vyvolaný vnější silou experimentátora.

Ve druhém kroku stlačíme větší z obou pístů (viz obr. 3). Druhý píst se vysouvá ze stříkačky ven (to už máme ověřeno z prvního kroku), ale nyní se soustředíme na velikost síly, kterou musíme na píst působit, abychom vytlačili druhý píst.

obr. 3

Ve třetím kroku zopakujeme experiment ze druhého kroku s tím rozdílem, že nyní působíme rukou na menší z obou pístů (viz obr. 4). A opět se snažíme „zapamatovat si“ velikost síly, kterou jsme museli na píst působit, abychom druhý píst vytlačili ze stříkačky ven.

Optimální je druhý a třetí krok experimentu provádět najednou. To znamená držet v každé ruce jednu stříkačku a střídavě stlačovat větší a menší píst. Tak snáze kvalitativně porovnáme velikosti sil, kterými musíme na písty působit, aby se pohnul druhý z pístů.

obr. 4

I pouhým subjektivním srovnáním velikostí sil, kterými jsme museli na písty působit ve druhém a ve třetím kroku experimentu, docházíme k závěru, že na píst s větší plochou příčného průřezu je nutné působit větší silou ve srovnání se silou, jakou musíme působit na píst s menší plochou příčného průřezu. Při těchto úvahách předpokládáme, že třecí síla působící mezi pístem a stěnou stříkačky je v obou krocích provedeného experimentu (a tedy u obou stříkaček) stejná.

Přesné kvantitativní měření lze provést s citlivým siloměrem.

Vysvětlení experimentu

Vysvětlení experimentu vyplývá z platnosti Pascalova zákona. Z experimentů vyplývá závěr pro praktické používání hydraulických zařízení (hever u auta, hydraulické brzdy, hydraulické zvedáky - např. v zubařských křeslech): měli bychom vždy působit na píst s menším příčným průřezem, neboť tak budeme působit menší silou, než kdybychom působili na píst s větším příčným průřezem. Na píst s větším příčným průřezem pak umístíme zátěž (automobil, brzdicí destičky, zubařské křeslo…). Vykonáme tak sice stejnou práci jako síla působící na zátěž, ale po delší dráze. Proto budeme pracovat s menší fyzickou námahou.