הידראוליקה.

מכונית על עמוד של שמן

היכנסו עם המכונית למוסך כדי להחליף צמיגים, והמכונאי עשוי להרים את כולה מעל גובה הראש בלי להזיע. מגבה הידראולי עושה אותו דבר בצד הדרך: כמה לחיצות קלות על ידית, ופינה אחת של המכונית מתנתקת מהקרקע. אף אחד לא חזק מספיק כדי להרים מכונית, ששוקלת כמו חמישה־עשר או עשרים מבוגרים. הסוד הוא נוזל כלוא בין שתי בוכנות בגדלים שונים.

בסצנה עומדת מכונית על במה שנישאת על בוכנה גדולה אחת, הבוכנה הראשית, שמחליקה כלפי מעלה מתוך צילינדר פלדה שקוע בבור. צינור מחבר את תחתית הצילינדר הזה למשאבה ידנית: בוכנה קטנה בהרבה בתוך צילינדר צר בהרבה, שעומדת על מכל שמן. לחצו את ידית המשאבה כלפי מטה, והשמן נדחק לאורך הצינור אל מתחת לבוכנה הראשית.

הלחץ מגיע לכל מקום

לחצו על שקית סגורה מלאה מים, והיא תתנפח בכל מקום שהיא יכולה, לא רק במקום שבו לחצתם. נוזל שדוחפים אותו מצד אחד דוחף בחזרה על כל משטח שהוא נוגע בו. הדחיפה הזאת היא לחץ: כוח שמתפזר על פני שטח, ונמדד בפסקלים, ניוטון אחד על כל מטר רבוע (הערך לחץ מראה מאין הוא בא בגז).

המדען הצרפתי בלז פסקל הבחין במאה השבע־עשרה שנוזל שנמצא במנוחה בכלי סגור מעביר כל תוספת לחץ לכל חלקיו, בלי שהיא תיחלש. זהו עקרון פסקל. דחפו את השמן במקום אחד, והלחץ עולה באותה מידה בכל מקום בו: מתחת לבוכנה הקטנה, לכל אורך הצינור, וגם מתחת לבוכנה הגדולה.

נסו: בחרו פועל תחת הצגת הלחץ בפנים. הצילינדרים, המכל והצינור נחתכים, והשמן נצבע לפי הלחץ שלו: ענברי במכל, שבו שום דבר לא לוחץ עליו, וכתום עד ארגמן במקומות שבהם הוא נלחץ. חצים לבנים מראים את השמן דוחף על כל משטח, כולם באותו אורך.

חזרה לניסוי ↑

הכוח גדל עם השטח

לחץ הוא כוח חלקי שטח, ולכן כוח הוא לחץ כפול שטח. דחפו את הבוכנה הקטנה כלפי מטה בכוח של 350 N. אם שטח הפנים שלה הוא 25 cm², הלחץ בשמן עולה ב־$350\,\text{N} \div 0.0025\,\text{m}^2$⁠, כלומר ב־140 kPa. אותו לחץ לוחץ כלפי מעלה על הבוכנה הגדולה, ששטח הפנים שלה גדול פי 40, ולכן היא נדחפת למעלה בכוח גדול פי 40: 14,000 N. זה יותר ממשקל המכונית, כ־11,800 N, והמכונית עולה.

החצים מראים למה. שטח הפנים של הבוכנה הגדולה שווה ל־40 שטחים כמו של הבוכנה הקטנה, והשמן לוחץ על כל אחת מ־40 החתיכות האלה בדיוק באותה עוצמה שבה הוא לוחץ על הבוכנה הקטנה. היחס בין השטחים הוא הגורם שבו הכוח מוכפל:

$F_\text{big} = F_\text{small} \times \frac{A_\text{big}}{A_\text{small}}$$F_\text{big} =$$F_\text{small} \times \frac{A_\text{big}}{A_\text{small}}$⁠

נסו: הורידו את יחס שטחי הבוכנות ל־1 ל־1. המשאבה מתרחבת עד שהיא רחבה כמו הבוכנה הראשית, והדחיפה הדרושה נעשית כל משקל המכונית, הרבה יותר ממה שמישהו מסוגל לתת. העלו אותו עד 100 ל־1 ובחרו יד אחת: 150 N, בערך המשקל של תיק של 15 kg, מרימים עכשיו את המכונית.

חזרה לניסוי ↑

המחיר: מרחק

אי אפשר לדחוס את השמן למקום קטן יותר, ולכן כל ליטר שנדחף מהמשאבה מגיע אל מתחת לבוכנה הראשית. ליטר שמתפרס על פני הבוכנה הקטנה הוא עמוד גבוה; על פני הבוכנה הגדולה הוא שכבה דקה. ביחס של 40 ל־1 הבוכנה הקטנה עוברת 40 cm בכל לחיצה, והמכונית עולה רק 1 cm. הכוח מוכפל פי 40, והמרחק מתחלק ב־40.

זה לא מקרי. עבודה, כוח כפול המרחק שהוא עובר, היא העברה של אנרגיה, ומכונה לא יכולה להוציא יותר ממה שהיא מקבלת. 294 N, הדחיפה שבדיוק מאזנת את המכונית, לאורך 40 cm, עושים עבודה של 118 J; 11,800 N של המכונית שעולים 1 cm מקבלים את אותם 118 J. מתקן הרמה הידראולי הוא מכונה פשוטה כמו מנוף או מערכת גלגלות: הוא מחליף כוח במרחק ושומר על העבודה זהה.

נסו: כשהצגת הלחץ בפנים על פועל, עקבו אחרי התוויות ליד המשאבה וליד הבמה, ואחרי התרשים שליד הסצנה, בזמן שאתם מזיזים את יחס שטחי הבוכנות. הדחיפה הדרושה והעלייה של המכונית בכל לחיצה יורדות יחד, והעבודה בכל לחיצה נשארת 118 J.

חזרה לניסוי ↑

שאיבה, החזקה והורדה

כדי להרים מכונית במטר אחד ביחס של 40 ל־1 הייתם צריכים בוכנה קטנה שזזה 40 מטר. מגבה פותר את זה בשאיבה. שסתום חד־כיווני מעביר שמן מהמשאבה אל הבוכנה הראשית בכל לחיצה, ונסגר כשהידית עולה בחזרה, כך שמשקל המכונית לא יכול לדחוף את השמן אחורה. כשהבוכנה הקטנה עולה שוב, היא שואבת שמן טרי מהמכל דרך שסתום שני. כל לחיצה מוסיפה שכבה דקה אחת של שמן מתחת לבוכנה הראשית, ומאה לחיצות מרימות את המכונית במטר. כדי להוריד אותה, שסתום שחרור פותח דרך מהבוכנה הראשית בחזרה אל המכל, ומשקל המכונית דוחף את השמן לאט הביתה.

בסצנה, בהגדרות ההתחלתיות, המכונית מטפסת סנטימטר בכל לחיצה, נעצרת לרגע למעלה, ואז שוקעת בחזרה כשהידית האדומה של שסתום השחרור מסתובבת. הציצו פנימה בזמן שהידית עולה: השמן במשאבה נעשה ענברי, והשמן מתחת לבוכנה הראשית נשאר כתום. השסתום סגור, ומשקל המכונית לבדו מחזיק את הלחץ הזה.

אם הדחיפה קטנה מדי, הבוכנה הקטנה לא יכולה לזוז בכלל. לשמן אין לאן ללכת: אי אפשר לדחוס אותו, והוא לא יכול להרים מכונית שהלחץ שלו, כשהוא מתפרס על הבוכנה הגדולה, לא גובר על משקלה.

למה שמן ולא אוויר

גז לא היה עובד כמעט בכלל. קל מאוד לדחוס אוויר, ולכן דחיפה עליו קודם כול מכווצת אותו ואוגרת את העבודה כמו קפיץ, והבוכנה הרחוקה כמעט לא זזה; הרפו, והאוויר קופץ בחזרה. נוזלים כמעט לא נדחסים: אפילו בלחץ של פי מאה מלחץ האוויר, שמן מתכווץ בפחות מאחוז אחד. זו הסיבה שאוויר בצנרת הבלמים של מכונית גורם לדוושה להרגיש רכה, ושמכונאים מוציאים אותו משם.

משתמשים בשמן ולא במים כי הוא לא מחליד את הפלדה, הוא משמן את האטמים והבוכנות שהוא מחליק לאורכם, והוא לא קופא ולא רותח בתנאים שמכונה פוגשת.

הידראוליקה בכל מקום

אותו עיקרון מפעיל את הבלמים של מכונית. הדוושה דוחפת בוכנה קטנה בצילינדר הראשי, ונוזל הבלמים מעביר את הלחץ לבוכנות גדולות יותר בכל גלגל, והן מהדקות רפידות אל הדיסקים. מחפרים, עגורנים, כני הנחיתה של מטוסים והמכבשים שמטביעים חלקי מרכב של מכוניות משתמשים במשאבות שמניע מנוע כדי לדחוף שמן בלחצים גבוהים בהרבה מאלה שבסצנה, כך שבוכנה בגודל של פחית משקה מפעילה כוח של טונות רבות. הרעיון של המכבש ההידראולי עצמו ישן: ג’וזף בראמה רשם עליו פטנט בלונדון ב־1795.

מה המודל הזה משמיט

לשמן בסצנה אין משקל. לשמן אמיתי יש, ולכן הלחץ שלו גדל עם העומק, אותה תופעה שגורמת לדברים לצוף (ראו ציפה וכוח הציפה). כאן הבוכנה הגדולה נמצאת בערך מטר וחצי מתחת לקטנה, וזה היה מוסיף מתחתיה כ־13 kPa, בערך עשירית מהלחץ שמחזיק את המכונית. אטמים אמיתיים מתחככים, וחלק מהעבודה הופך לחום, ולכן משאבה אמיתית צריכה קצת יותר מהדחיפה האידיאלית. במתקן אמיתי, דחיפה גדולה מהדרוש גם הייתה מזיזה את המכונית מהר יותר, ואילו כאן היא עולה בקצב הקבוע של המשאבה. מתקני הרמה אמיתיים במוסכים מופעלים במשאבות חשמליות בלחצים גבוהים בהרבה מאלה שבסצנה, וזה מאפשר לבוכנות שלהם להיות קטנות בהרבה.