Il Torchio Idraulico: Principio di Funzionamento e Applicazioni
Il torchio idraulico è un dispositivo basato sul principio di Pascal che si comporta come un amplificatore di forza. Il torchio idraulico fu inventato nel 1795 dall’ingegnere inglese J.Bramah (1748-1814) e viene usato tutt’ora per sollevare pesi rilevanti come auto o come pressa per comprimere sostanze ingombranti quali cotone, fieno o paglia, per spremere uve e semi, per esercitare forti trazioni.
Principio di Pascal e Torchio Idraulico
Questa semplice simulazione permette di apprezzare l’applicazione del principio di Pascal riguardante l’intervento di una pressione esterna su un fluido presente in un sistema chiuso. Il principio afferma che la pressione esercitata dall’esterno agisce in egual misura su tutto il sistema. Per la legge di Pascal la pressione che si esercita su un punto di un liquido si trasmette pari in ogni altro punto.
Una delle proprietà dei liquidi è quella di trasmettere la pressione che agisce su un punto qualsiasi della sua superficie a tutte le sue particelle, in tutte le direzioni. A sua volta, tale pressione si sostanzia in una forza perpendicolare che agisce su ogni punto del liquido.
Per verificare la proprietà è necessario compiere un semplice esperimento. Prendete un contenitore formato da due cilindri completi di pistoni e comunicanti tra loro tramite un tubo. Il tubo tra i due cilindri permette il passaggio del liquido da un cilindro all'altro. Inoltre, è fondamentale che ciascun pistone aderisca perfettamente alla superficie del proprio cilindro.
Se sul primo pistone si imprime una determinata forza fisica, tale forza eserciterà una pressione sulla superficie del primo cilindro. La pressione illustrata in precedenza verrà quindi trasmessa in tutte le direzioni, per poi dirigersi verso il tubo di comunicazione sino ad arrivare al liquido contenuto nel secondo cilindro. Arrivata al secondo cilindro, essa verrà esercitata anche al secondo pistone.
Affinché il sistema resti in una condizione di equilibrio, sul secondo pistone deve agire una forza pari a quella esercitata sul primo. È quindi sperimentalmente dimostrato che la pressione esercitata in un punto di un liquido in equilibrio si trasmette allo stesso modo e con la medesima intensità in ogni altro punto del liquido e, contemporaneamente, in tutte le direzioni.
Componenti del Torchio Idraulico
Esso è costituito da due piatti o superfici posti come stantuffo sopra un cilindro. Pertanto ogni cilindro possiede una superficie di appoggio diversa.
Lo strumento è costituito da una struttura in vetro formata da una serie di raccordi a gomito, nella parte centrale, che collegano due elementi cilindrici, di sezione diversa, muniti, quello di sezione maggiore di pistone, l’altro di stantuffo con maniglia. Se si fa pescare l’orifizio in un liquido e si solleva lo stantuffo, il galleggiante, alzandosi, permette al liquido di entrare; se successivamente si fa ridiscendere lo stantuffo stesso, la valvola si richiude, mentre, a causa della pressione esercitata dal liquido, si apre la valvola del raccordo centrale permettendo al liquido di raggiungere l’altro cilindro sollevandone il pistone. Dopo aver proceduto così più volte, fino ad ottenere il liquido allo stesso livello, se si preme sul pistone del cilindro più stretto con una determinata forza, per il principio di Pascal, si trasmette la stessa pressione in ogni punto del liquido.
Funzionamento e Amplificazione della Forza
La differenza di sezione di due cilindri permette di sfruttare questo principio per sollevare una massa imponente applicando sul pistone del cilindro più piccolo una forza molto meno intensa. Partendo dal presupposto che la pressione, ovvero il rapporto tra Forza e Area della superficie soggetta alla forza si conserva costante.
Pertanto a una forza molto intensa, come può essere il peso di un’auto che preme su un’altrettanto vasta superficie, si oppone nell’altro cilindro, di piccola sezione, una forza meno intensa. Per intenderci supponiamo di avere due cilindri che hanno rispettivamente sezioni di area 2 e 10 metri quadrati e sul più grande vi è una forza premente di 100 newton. Per far sollevare il peso di 100 newton basterà far agire sul pistone del piccolo cilindro una forza di soli 20 newton.
Applicazioni del Principio di Pascal
Il principio di Pascal trova applicazione ogni qualvolta si desideri amplificare una forza, sfruttando lo scorrere di un fluido all'interno di cilindri muniti di pistoni. Esempi di applicazione del principio appena illustrato sono la pressa idraulica, il torchio e i freni idraulici.
Ad esempio, il principio è alla base del funzionamento della pressa idraulica, ovvero un'apparecchiatura meccanica che sfrutta lo scorrimento di un fluido, generalmente olio idraulico, per generare una forza tale da comprimere e compattare diversi materiali. Il principio di Pascal è anche alla base del funzionamento dei freni idraulici i quali, sfruttando la presenza di un particolare liquido, trasferiscono la pressione esercitata dal conducente sul pedale al meccanismo frenante.
Un sollevatore idraulico (o cric idraulico) è costituito da due pistoni uno di area di appoggio pari a 10 cm2 e l'altro di superficie maggiore. In un sollevatore (o torchio) idraulico la superficie del pistone più piccolo è ⅒ di quella del pistone più grande.
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