Bài học

Ứng dụng máy nén thuỷ lực trong đời sống và kĩ thuật

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được các ứng dụng thực tế của máy nén thuỷ lực (kích nâng ô tô, phanh thuỷ lực, máy ép thuỷ lực công nghiệp), giải thích được nguyên lí hoạt động của từng thiết bị, và tính toán được các bài toán ứng dụng.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước cho em hệ thức $F_2/S_2 = F_1/S_1$ của máy nén thuỷ lực, suy ra từ nguyên lí Pascal về áp suất truyền nguyên vẹn trong chất lỏng kín.

Khởi động

Khi đạp phanh ô tô, chân chỉ tác dụng một lực vừa phải nhưng cả bốn bánh xe đều được ép phanh mạnh và đều nhau. Hệ thống phanh thuỷ lực làm điều đó bằng cách nào?

Kiến thức trọng tâm

Ba ứng dụng tiêu biểu của máy nén thuỷ lực:

(1) Kích thuỷ lực (con đội) nâng ô tô khi thay lốp: người thợ đạp một cần đạp nhỏ nhiều lần, mỗi lần đẩy một lượng nhỏ dầu thuỷ lực từ xi-lanh nhỏ sang xi-lanh lớn, tích luỹ dần lực nâng đủ lớn để đưa cả chiếc xe lên cao. Van một chiều bên trong kích giữ cho dầu chỉ chảy một hướng, nhờ vậy xe được nâng dần lên qua mỗi lần đạp mà không bị tụt trở lại giữa các lần.

(2) Hệ thống phanh thuỷ lực ô tô: lực chân đạp lên bàn đạp phanh tạo áp suất trong dầu phanh tại xi-lanh chính; theo nguyên lí Pascal, áp suất này truyền NGUYÊN VẸN qua toàn bộ đường ống dầu tới các xi-lanh phanh con ở cả bốn bánh — bất kể khoảng cách từ xi-lanh chính tới mỗi bánh là bao nhiêu, vì áp suất chất lỏng không phụ thuộc quãng đường truyền, chỉ phụ thuộc lực và diện tích tại từng điểm. Nhờ vậy lực phanh ở bốn bánh đều nhau (nếu các xi-lanh phanh con có cùng tiết diện), giúp xe phanh ổn định, không bị lệch hướng.

(3) Máy ép thuỷ lực công nghiệp: dùng để ép kim loại thành tấm, ép mía lấy nước, ép phế liệu thành khối nhỏ gọn — đều dựa trên cùng hệ thức $F_2/S_2 = F_1/S_1$ , chỉ khác quy mô và loại chất lỏng thuỷ lực sử dụng.

Cả ba thiết bị trên đều chọn CHẤT LỎNG (dầu chuyên dụng, không phải nước thường vì nước dễ gây gỉ sét linh kiện kim loại) làm môi chất truyền lực, chứ không dùng khí nén, chính vì lý do đã nêu ở bài trước: chất lỏng gần như không bị nén thể tích nên truyền lực gần như tức thời và không hao hụt. Đó cũng là lý do khi hệ thống phanh ô tô bị lọt khí vào đường ống (hiện tượng gọi là "phanh có bọt khí"), bàn đạp phanh sẽ cảm thấy "hẫng", đạp sâu mà lực phanh yếu hẳn — vì một phần lực đạp bị tiêu hao vào việc nén nhỏ thể tích bọt khí thay vì truyền trọn vẹn tới má phanh.

Ba ứng dụng tiêu biểu của máy nén thuỷ lực: **(1) Kích thuỷ lực (con đội)** nâng ô tô khi thay lốp: người thợ đạp một cần đạp nhỏ nhiều lần, mỗi lần đẩy một lượng nhỏ dầu thuỷ lực từ xi-lanh nhỏ sang xi-lanh lớn, tích luỹ dần lực nâng đủ lớn để đưa cả chiếc xe lên cao. Van một chiều bên trong kích giữ cho dầu chỉ chảy một hướng, nhờ vậy xe được nâng dần lên qua mỗi lần đạp mà không bị tụt trở lại giữa các lần. **(2) Hệ thống phanh thuỷ lực ô tô**: lực chân đạp lên bàn đạp phanh tạo áp suất trong dầu phanh tại xi-lanh chính; theo nguyên lí Pascal, áp suất này truyền NGUYÊN VẸN qua toàn bộ đường ống dầu tới các xi-lanh phanh con ở cả bốn bánh — bất kể khoảng cách từ xi-lanh chính tới mỗi bánh là bao nhiêu, vì áp suất chất lỏng không phụ thuộc quãng đường truyền, chỉ phụ thuộc lực và diện tích tại từng điểm. Nhờ vậy lực phanh ở bốn bánh đều nhau (nếu các xi-lanh phanh con có cùng tiết diện), giúp xe phanh ổn định, không bị lệch hướng. **(3) Máy ép thuỷ lực công nghiệp**: dùng để ép kim loại thành tấm, ép mía lấy nước, ép phế liệu thành khối nhỏ gọn — đều dựa trên cùng hệ thức $F_2/S_2 = F_1/S_1$, chỉ khác quy mô và loại chất lỏng thuỷ lực sử dụng. Cả ba thiết bị trên đều chọn CHẤT LỎNG (dầu chuyên dụng, không phải nước thường vì nước dễ gây gỉ sét linh kiện kim loại) làm môi chất truyền lực, chứ không dùng khí nén, chính vì lý do đã nêu ở bài trước: chất lỏng gần như không bị nén thể tích nên truyền lực gần như tức thời và không hao hụt. Đó cũng là lý do khi hệ thống phanh ô tô bị lọt khí vào đường ống (hiện tượng gọi là "phanh có bọt khí"), bàn đạp phanh sẽ cảm thấy "hẫng", đạp sâu mà lực phanh yếu hẳn — vì một phần lực đạp bị tiêu hao vào việc nén nhỏ thể tích bọt khí thay vì truyền trọn vẹn tới má phanh.

Ví dụ

Tính lực ép phanh tại mỗi bánh xe

1
Xi-lanh chính của hệ phanh có tiết diện $S_0 = 1$ cm², lực đạp phanh $F_0 = 100$ N. Mỗi xi-lanh phanh con tại bánh xe có tiết diện $S = 4$ cm². Tính lực ép phanh tại mỗi bánh.
Xi-lanh chính của hệ phanh có tiết diện $S_0 = 1$ cm², lực đạp phanh $F_0 = 100$ N. Mỗi xi-lanh phanh con tại bánh xe có tiết diện $S = 4$ cm². Tính lực ép phanh tại mỗi bánh.
2
$p = F_0/S_0 = 100/1 = 100$ N/cm² (dùng trực tiếp đơn vị cm² vì chỉ cần giữ tỉ lệ, không cần đổi ra Pa).
$p = F_0/S_0 = 100/1 = 100$ N/cm² (dùng trực tiếp đơn vị cm² vì chỉ cần giữ tỉ lệ, không cần đổi ra Pa).
3
Áp suất này truyền nguyên vẹn tới mỗi xi-lanh phanh con: $p_{bánh} = p = 100$ N/cm².
Áp suất này truyền nguyên vẹn tới mỗi xi-lanh phanh con: $p_{bánh} = p = 100$ N/cm².
4
$F_{bánh} = p \cdot S = 100 \times 4 = 400$ N. Vậy mỗi bánh xe được ép phanh với lực 400 N, gấp 4 lần lực đạp ban đầu — đúng bằng tỉ lệ diện tích $S/S_0 = 4$ .
$F_{bánh} = p \cdot S = 100 \times 4 = 400$ N. Vậy mỗi bánh xe được ép phanh với lực 400 N, gấp 4 lần lực đạp ban đầu — đúng bằng tỉ lệ diện tích $S/S_0 = 4$.

Ví dụ

Bài toán hai phần: máy ép thuỷ lực công nghiệp

1
Một máy ép thuỷ lực dùng ép phế liệu có pit-tông nhỏ diện tích $S_1 = 5$ cm², pit-tông lớn diện tích $S_2 = 1000$ cm². a) Tác dụng lực $F_1 = 300$ N lên pit-tông nhỏ, tính lực ép $F_2$ thu được. b) Muốn lực ép đạt $90000$ N, cần tác dụng lực tối thiểu bao nhiêu lên pit-tông nhỏ (giữ nguyên hai diện tích)?
Một máy ép thuỷ lực dùng ép phế liệu có pit-tông nhỏ diện tích $S_1 = 5$ cm², pit-tông lớn diện tích $S_2 = 1000$ cm². a) Tác dụng lực $F_1 = 300$ N lên pit-tông nhỏ, tính lực ép $F_2$ thu được. b) Muốn lực ép đạt $90000$ N, cần tác dụng lực tối thiểu bao nhiêu lên pit-tông nhỏ (giữ nguyên hai diện tích)?
2
Tỉ lệ diện tích $S_2/S_1 = 1000/5 = 200$ . Áp dụng $F_2 = F_1 \cdot (S_2/S_1) = 300 \times 200 = 60000$ N.
Tỉ lệ diện tích $S_2/S_1 = 1000/5 = 200$. Áp dụng $F_2 = F_1 \cdot (S_2/S_1) = 300 \times 200 = 60000$ N.
3
Muốn $F_2' = 90000$ N với cùng tỉ lệ $200$ : $F_1' = F_2'/(S_2/S_1) = 90000/200 = 450$ N.
Muốn $F_2' = 90000$ N với cùng tỉ lệ $200$: $F_1' = F_2'/(S_2/S_1) = 90000/200 = 450$ N.
4
Vậy với lực 300 N ban đầu chỉ ép được 60000 N, chưa đạt mục tiêu 90000 N; cần tăng lực tác dụng lên pit-tông nhỏ đến ít nhất 450 N mới đạt yêu cầu.

Sai lầm thường gặp

Khi tính riêng áp suất $p = F/S$ bằng đơn vị SI (Pa), học sinh hay quên đổi diện tích từ cm² sang m² (nhân $10^{-4}$ ), dẫn đến áp suất sai lệch $10^4$ lần. Tuy nhiên khi chỉ cần TỈ SỐ $S_2/S_1$ để tìm $F_2$ theo $F_1$ (hoặc ngược lại) thì không cần đổi đơn vị diện tích, vì tỉ số không đổi dù dùng cm² hay m² — chỉ cần đổi đơn vị khi tính áp suất $p$ độc lập bằng Pa.

Khi tính riêng áp suất $p = F/S$ bằng đơn vị SI (Pa), học sinh hay quên đổi diện tích từ cm² sang m² (nhân $10^{-4}$), dẫn đến áp suất sai lệch $10^4$ lần. Tuy nhiên khi chỉ cần TỈ SỐ $S_2/S_1$ để tìm $F_2$ theo $F_1$ (hoặc ngược lại) thì không cần đổi đơn vị diện tích, vì tỉ số không đổi dù dùng cm² hay m² — chỉ cần đổi đơn vị khi tính áp suất $p$ độc lập bằng Pa.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Máy nén thuỷ lực ứng dụng trong kích nâng, phanh thuỷ lực, máy ép công nghiệp — đều dùng hệ thức $F_2/S_2 = F_1/S_1$ ; áp suất truyền nguyên vẹn không phụ thuộc quãng đường truyền.

Máy nén thuỷ lực ứng dụng trong kích nâng, phanh thuỷ lực, máy ép công nghiệp — đều dùng hệ thức $F_2/S_2 = F_1/S_1$; áp suất truyền nguyên vẹn không phụ thuộc quãng đường truyền.

Chương tiếp theo luyện các bài toán tổng hợp, kết hợp cả ba nội dung đã học: áp suất theo độ sâu, bình thông nhau, và máy nén thuỷ lực trong cùng một tình huống.