Сжатый воздух поднимает воду

Техника — молодёжи 1959-08, страница 22

ВОЗДУХ ПОДНИМАЕТ ВОДУ

Е. СИЛИН, инженер Рис. С. НАУМОВА

Есть еще много в нашей стране колхозов, совхозов, небольших поселков, дач, коллективных и индивидуальных садовых участков, где нет водопровода. В таких местах жители берут воду нз шахтных или трубчатых колодцев, доставая ее вручную воротом нли же различными насосами, в основном поршневыми, работающими по известному принципу — вытеснением воды из цилиндра давлением поршня. Но поршневые насосы имеют много трущихся частей и повтому часто выходят нз строя.

Однако воду можно поднимать и по-другому — сжатым воздухом, который выполняет функции поршня. Установки такого типа известны под названием насосов замещения или вытеснения, пнев-моклапаиных водоподъемников. Пожалуй, самый совершенный из них пневматический водоподъемник инженера В. В. Са-вотииа. Посмотрите на схему.

Цилиндр насоса этого подъемника состоит из двух камер. Его опускают в колодец или скважину ниже динамического уровня воды на 15 см, то есть ниже самого низкого уровня воды, установившегося после пробной откачки. Под действием давления слоя находящейся в колодце воды в цилиндре открываются всасывающие клапаны и вода через отверстия решетки поступает в обе камеры и заполняет их. Если по трубе подать сжатый воздух в одну из камер, то давление в ней превысит давление столба воды в колодце и клапан плотно закроется. При дальнейшем поступлении сжатого воздуха давление будет все больше и больше увеличиваться, и вода начнет выдавливаться через нагнетательный клапан в напорный трубопровод.

Как только уровень воды в камере понизится до расчетного, произойдет автоматическое, при помощи воздухораспределителя, переключение компрессора на другую камеру. После переключения всасывающая труба компрессора соединится с первой камерой, вследствие чего в компрессор поступит воздух не из атмосферы. а сжатый воздух нз камеры насоса. Это очень важно: энергия оставшегося воздуха в первой камере не теряется, а снова используется, благодаря чему коэффициент полезного действия установки повышается. Поступивший в компрессор сжатый воздух сжимается еще больше и направляется в другую камеру цилиндра. Таким образом, в подъемнике циркулирует один н тот же объем сжатого воздуха. Незначительная его утечка пополняется специальным подсосным клапаном.

Влагоотделители предохраняют цилиндры компрессора от воды. Маслоотдели-

Механический водоподъемник. Воздухораспределитель расположен так. что сжатый воздух поступает в правую камеру насоса, а вода из нее — в нагнетательную трубу. Воздух из левой камеры возвращается в компрессор.

тель предупреждает попадание масла из компрессора в воду.

Компрессор подъемника приводится в действие различными двигателями: ветровыми, электрическими, внутреннего сгорания, а также вручную.

Инженер В. В. Савотин разработал ветрокомпрессорную установку «ВКУ-3,5». Она имеет беспоршневой пневматический иасос и быстроходное двухлопастное ветровое колесо диаметром 3,5 и. Этой установкой за сутки можно поднять 50—70 м 3 воды из шахтных колодцев, буровых скважин и открытых водоемов

Ручной водоподъемник. Слева — положение в начале такта, справ а—в конце такта.

с глубины до 35 м. Сжатый воздух подается от компрессора автомобиля «ЗИЛ-150».

Ветродвигатель разработан в Центральной научно-исследовательской лаборатории ветросиловых установок (г. Истра Московской области), а насосное оборудование выпускает вавод имени 20 лет Октября Министерства сельского хозяйства СССР в г. Алма-Ате.

На дачах и для индивидуальных домов, где требуется небольшое количество воды, лучше применять ручной пневматический подъемник, который выпускает Наэаровский чугунолитейный завод Рязанского совнархоза. Чертежи егй разработаны Всесоюзным научно-исследова-тельским институтом транспортного строительства (Московская область, г. Бабушкин, п/о. 2, ЦНИИС Минтранс-строя).

Этот подъемник несложен по конструкции, и его можно изготовить в любой мастерской. Он надежей в эксплуатации. Надо только обязательно выполнить два условия. Первое — диаметр труб должен быть подобран так, как укавано иа схеме. Второе — высота водяного столба в колодце от дна его должна быть не менее 0.5 м, а в скважине — 4 м.

Водоподъемник состоит из следующих основных частей: компрессора, приемной части, водоразборной колонки и системы водяных и воздушных трубопроводов. Компрессор применяется небольшой — «РК-30» Пензенского завода химического машиностроения с ручным приводом. Компрессор можно приводить в движение и электромотором.

Приемное устройство — это металлический бак, полностью погружаемый в воду. Его емкость — 10 л, или ведро воды. В днище бака есть всасывающий клапан. Через крышку бака проходит водоподъемная труба, которая соединяется с водоразборной колонкой. В нижнюю часть этой трубы введены две трубки: изогнутая с воронкой и дырчатая, через отверстия которой воздух из бака попадает в расширенную часть трубы, смешивается тут с водой и этим ускоряет подачу жидкости.

Вот как действует водоподъемник. Компрессор подал воэдух по трубопроводу в приемник. Под влиянием давления всасывающий клапан плотно прижмется ко дну, и воздух начнет вытеснять воду в центральную трубу, а затем в водоразборную колонку. Вытеснение воды в баке и в петлеобразной трубке происходит до тех пор, пока воэдух не пробьется через петлеобразную трубку в центральную трубу и почти всю воду вытеснит в водоразборную колонку, а частично оставшаяся в трубах вода стечет вниз. Повтому трубы в зимнее время не замерзнут. За то время, пока снимается наполненное водой ведро и заменяется пустым, качание рукоятки компрессора ие производится. Поэтому давление в приемнике снижается, и вода в колодце своим давлением приподнимет всасывающий клапан и заполнит бак, и цикл повторяется снова.

Для поддержания постоянно высокого давления в баке и в трубах иа воздушной трубе после маслоотделителя установлен редукционный клапаи. Но подъемник может работать и без него.

Этот подъемник поднимает в минуту с глубины 16 м 23 л и с глубины 30 м— 12 л воды. Для втого надо сделать 60 качаний в минуту.

Источник

Архимедова сила: что это такое и как действует

Рассказываем, почему железные корабли не тонут, а воздушные шары летают, что такое «эврика» и при чём здесь Дональд Дак.

Гениальный учёный Архимед, живший в древнегреческих Сиракузах в III веке до нашей эры, прославился среди современников как создатель оборонительных машин, способных перевернуть боевой корабль. Другое его изобретение, «Архимедов винт», по сей день остаётся важнейшей деталью гигантских буровых установок и кухонных мясорубок. Мир обязан Архимеду революционными открытиями в области оптики, математики и механики.

Его личность окутана легендами, порой весьма забавными. С одной из них мы и начнём нашу статью.

«Эврика!» Открытие закона Архимеда

Однажды царь Сиракуз Гиерон II обратился к Архимеду с просьбой установить, действительно ли его корона выполнена из чистого золота, как утверждал ювелир. Правитель подозревал, что мастер прикарманил часть драгоценного металла и частично заменил его серебром.

В те времена не существовало способов определить химический состав металлического сплава. Задача поставила учёного в тупик. Размышляя над ней, он отправился в баню и лёг в ванну, до краёв наполненную водой. Когда часть воды вылилась наружу, на Архимеда снизошло озарение. Такое, что учёный голышом выскочил на улицу и закричал «Эврика!», что по-древнегречески означает «Нашёл!».

Он предположил, что вес вытесненной воды был равен весу его тела, и оказался прав. Явившись к царю, он попросил принести золотой слиток, равный по весу короне, и опустить оба предмета в наполненные до краёв резервуары с водой. Корона вытеснила больше воды, чем слиток. При одной и той же массе объём короны оказался больше, чем объём слитка, а значит, она обладала меньшей плотностью, чем золото. Выходит, царь правильно подозревал своего ювелира.

Так был открыт принцип, который теперь мы называем законом Архимеда:

На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объёме погружённой части тела.

Эта выталкивающая сила и называется силой Архимеда.

Формула силы Архимеда

На любой объект, погружённый в воду, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Таким образом, вес объекта, погружённого в воду, будет отличаться от его веса в воздухе в меньшую сторону. Разница будет равна весу вытесненной воды.

Чем больше плотность среды — тем меньше вес. Именно поэтому погрузившись в воду, мы можем легко поднять другого человека.

Выталкивающая сила зависит от трёх факторов:

• плотности жидкости или газа (p);
• ускорения свободного падения (g);
• объёма погружённой части тела (V).

Сопоставив эти данные, получаем формулу:

Как действует сила Архимеда

Поскольку сила Архимеда, действующая на тело, зависит от объёма его погружённой части и плотности среды, в которой оно находится, можно рассчитать, как поведёт себя то или иное тело в определённой жидкости или газе.

Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.

Если плотности тела и жидкости или газа равны — тело будет находиться в безразличном равновесии в толще жидкости или газа.

Если плотность тела больше, чем плотность жидкости или газа, — оно уйдёт на дно.

Сила Архимеда в жидкости: почему корабли не тонут

Корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Но если корабль получит пробоину и пространство внутри заполнится водой, то общая плотность судна увеличится, и оно утонет.

В подводных лодках существуют специальные резервуары, заполняемые водой или сжатым воздухом в зависимости от того, нужно ли уйти на глубину или подняться ближе к поверхности. Тот же самый принцип используют рыбы, наполняя воздухом специальный орган — плавательный пузырь.

На тело, плотно прилегающее ко дну, выталкивающая сила не действует. Это учитывают при подъёме затонувших кораблей. Сначала судно слегка приподнимают, позволяя воде проникнуть под него. Тогда давление воды начинает действовать на корабль снизу.

Но чтобы поднять корабль на поверхность, необходимо уменьшить его плотность. Разумеется, воздух в получившем пробоину корпусе не удержится. Поэтому его заполняют каким-нибудь лёгким веществом, например, шариками пенополистирола.

Примечательно, что эта идея впервые пришла в голову не учёным, а авторам диснеевского комикса, в котором Дональд Дак таким образом поднимает со дна яхту Скруджа Макдака. Датский инженер Карл Кройер (Karl Krøyer), впервые применивший метод на практике, по собственному признанию вдохновлялся «Утиными историями».

Сила Архимеда в газах: почему летают дирижабли

В воздухе архимедова сила действует так же, как в жидкости. Но поскольку плотность воздуха обычно намного меньше, чем плотность окружённых им предметов, выталкивающая сила оказывается ничтожно мала.

Впрочем, есть исключения. Воздушный шарик, наполненный гелием, стремится вверх именно потому, что плотность гелия ниже, чем плотность воздуха. А если наполнить шар обычным воздухом — он упадёт на землю. Плотность воздуха в нём будет такая же, как у воздуха снаружи, но более высокая плотность резины обеспечит падение шарика.

Этот принцип используется в аэростатах — воздушные шары и дирижабли наполняют гелием или горячим воздухом (чем горячее воздух, тем ниже его плотность), чтобы подняться, и снижают концентрацию гелия (или температуру воздуха), чтобы спуститься. На них действует та же выталкивающая сила, что и на подводные лодки. Именно поэтому перемещения на аэростатах называют воздухоплаванием.

Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду PHYSICS72021 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучается архимедова сила.

Когда сила Архимеда не работает

• Если тело плотно прилегает к поверхности. Если между телом и поверхностью нет жидкости или газа — нет и выталкивающей силы. Именно поэтому подводным лодкам нельзя ложиться на илистое дно — мощности их двигателей не хватит, чтобы преодолеть давление толщи воды сверху.
• В невесомости. Наличие веса у жидкости или газа — обязательное условие для возникновения архимедовой силы. В состоянии невесомости горячий воздух не поднимается, а холодный не опускается. Поэтому на МКС создают принудительную конвекцию воздуха с помощью вентиляторов.
• В растворах и смесях. Если в воду налить спирт, на него не будет действовать сила Архимеда, хотя плотность спирта меньше плотности воды. Поскольку связь между молекулами спирта слабее, чем связь молекул воды, он растворится в воде, и образуется новая жидкость — водный раствор спирта.

У нас вы сможете учиться в удобном темпе, делать упор на любимые предметы и общаться со сверстниками по всему миру.

Попробовать бесплатно

Интересное по рубрике

Найдите необходимую статью по тегам

Подпишитесь на нашу рассылку

Мы в инстаграм

Домашняя онлайн-школа
Помогаем ученикам 5–11 классов получать качественные знания в любой точке мира, совмещать учёбу со спортом и творчеством

Посмотреть

Рекомендуем прочитать

Реальный опыт семейного обучения

Звонок по России бесплатный

Пишите нам письма

Посмотреть на карте

Если вы не нашли ответ на свой вопрос на нашем сайте, включая раздел «Вопросы и ответы», закажите обратный звонок. Мы скоро свяжемся с вами.

Источник