Opiskeluohjeet Pneumatiikka-/hydrauliikkasarja Tuotenro: 53785 Näissä opiskeluohjeissa esitetään pneumatiikan ja hydrauliikan perusteet. Opetuksen sisältö: pneumatiikan ja hydrauliikan välinen ero, tunkin toimintaperiaate ja vihjeitä, joiden avulla voidaan rakentaa esimerkiksi paineilmatoiminen nostosilta. Lataa opiskeluohjeet tietokoneeseen tai tablettiin osoitteesta www.sagitta.se/aapnhysgfi.pdf Tarvikkeet: 1 kpl 5 ml ruisku 5 kpl 20 ml ruiskuja 1 kpl 50 ml ruisku 1,4 m muoviletkua 1 kpl Venttiilillä varustettu T-liitin 3 kpl Y-liittimiä Hydrauliohjaukseen perustuvan puristimen, nosturin tai nostosillan rakentamisessa tarvitaan lisää rakennusmateriaaleja, esimerkiksi: Jäätelötikkuja, sulaliimaa, paperiliittimiä, sähkömoottorin pidin, kuminauhoja, lyhyitä puunpaloja, nauloja. 1
Puristusvoiman kokeilu Ota kaksi 20 ml ruiskua ja säädä männät niin, että ne ovat 10 ml merkin kohdalla. Toinen on ruisku A ja toinen ruisku B. Yhdistä ne 20 cm pituisella letkulla. Ruisku A Ruisku B 1. Miksi ruisku B:n mäntä työntyy ulospäin, jos painat ruisku A:n mäntää sisään? 2. Miksi ruisku B:n mäntä vetäytyy sisäänpäin, jos vedät ruisku A:n mäntää ulos? 3. Kuinka pitkälle B:n mäntä siirtyy verrattuna siihen, miten pitkälle liikutat A:n mäntää? 4. Pidä ruisku B:n mäntää paikallaan. Miksi A:n mäntää voi painaa hieman sisäänpäin? Keksitkö kaksi selitystä? 5. Pidä B:n mäntää paikallaan, työnnä A:n mäntää varovasti sisään ja päästä sitten ote A:n männästä. Miksi mäntä palautuu alkuasentoonsa? Irrota letku ruiskuista. Täytä molemmat ruiskut vedellä. Täytä ruiskuun 10 ml vettä näin: Ime ruiskuun 15-20 ml vettä. Pidä ruiskua pystysuorassa suuosa ylöspäin. Naputa ruiskua sormella niin, että kaikki ilmakuplat poistuvat vedestä. Työnnä mäntää sisään varovasti 10 ml merkin kohdalle (vettä valuu ulos). Yhdistä ruiskut keskenään letkulla uudelleen. On hankalaa täyttää ruiskut ja letku pelkällä vedellä, eikä pieni määrä sisään jäänyttä ilmaa haittaa. Tee uudelleen harjoitukset 1-5. 6. Mikä on erona, kun ruiskuissa on ilman asemesta vettä? 7. Miksi on helpompaa puristaa kokoon kaasua (eli tässä ilmaa) kuin nestettä? Kun kytketään yhteen kaksi sylinteriä (nyt muoviruiskuina, vaikka useimmiten ne ovatkin metallia) ja letkua, järjestelmät voi täyttää kaasulla (esimerkiksi ilmalla) tai nesteellä. Kaasulla täytettäviä järjestelmiä kutsutaan pneumaattisiksi ja nesteellä täytettyjä järjestelmiä kutsutaan hydraulisiksi. 2
Vahva vahvempi vahvin Ota 20 ml ruisku ja säädä mäntä niin, että se on 10 ml merkin kohdalla. Ota myös 50 ml ruisku ja säädä sen mäntä 25 ml merkin kohdalle. Yhdistä ne 20 cm pituisella letkulla. 50 ml ruisku 20 ml ruisku 1. Ota yksi ruisku kumpaankin käteen (tai tee koe toisen oppilaan kanssa). Tue ruiskut etusormen ja keskisormen väliin ja paina mäntää peukalolla. Kummalla ruiskulla olet vahvempi? Fysiikassa on sääntö, jota kutsutaan Mekaniikan kultaiseksi säännöksi. Se on: Mikä voimassa voitetaan, se matkassa hävitään. Siten on esimerkiksi helpompi vetää raskas pyörävaunu korokkeelle luiskaa pitkin kuin nostaa vaunu suoraan ylös. Pidempi matka mutta kevyempi. 2. Pitääkö mekaniikan kultainen sääntö mielestäsi paikkansa myös ruiskujen osalta? Perustele vastauksesi. 3. Toista harjoitus 1:n koe, mutta täytä ruiskut vedellä. Mikä on erona? Huomasit varmaan, että pientä ruiskua painava on vahvempi. Nyt yritämme laskea, kuinka paljon vahvempi toinen on. 4. Paina 20 ml ruiskun mäntä sisään ja vedä se ulos. Miksi 50 ml ruiskun mäntä siirtyy lyhyemmän matkan kuin 20 ml ruiskun mäntä? 5. Laske, kuinka monta kertaa pitemmälle 20 ml ruiskun mäntä liikkuu verrattuna 50 ml ruiskun mäntään. Anna vastauksesi yhden desimaalin tarkkuudella. 6. Kuinka paljon suurempi on 50 ml ruiskun männän pinta-ala verrattuna 20 ml ruiskun männän pinta-alaan? Miten yhtäpitävä tämä arvo on harjoituksessa 5 antamasi vastauksen kanssa? 7. Kuinka paljon vahvempi on mielestäsi 50 ml ruiskun männän lähtövoima verrattuna voimaan, jonka saat aikaan painamalla 20 ml ruiskun mäntää? Kytke yhteen järjestelmä, jossa ohjaat neljän 20 ml ruiskun mäntiä viidennestä, 20 ml ruiskusta. Tarvitset kolme Y-liitintä ja yhteensä seitsemän letkua. Täytä järjestelmä vedellä. 8. Kun painat viidennen 20 ml ruiskun mäntää, neljän 20 ml ruiskun männät liikkuvat mahdollisesti eripituiset matkat. Miten tämä voidaan selittää? 9. Kuinka paljon vahvempi on neljän ruiskun yhteenlaskettu lähtevä voima verrattuna voimaan, jonka saat aikaan painamalla viidennen ruiskun mäntää? 10. Voit tehdä yksinkertaisen nostolaitteen poraamalla lyhyeen lautaan neljä reikää. Sijoita reiät suorakaiteen muotoon. Asenna neljä ruiskua reikiin ja kytke ne viidenteen ruiskuun. Aseta laudalle paksu kirja (tai kaksi, kolme, neljä ) ja nosta se viidennen ruiskun avulla. 3
Tunkki 1. Oikealla on periaatekuva venttiilillä varustetusta T-liittimestä. Nuolet osoittavat suunnat, johon ilma voi virrata. Venttiili voi olla lisäksi kolmessa muussa asennossa. Piirrä periaatekuvat kolmesta muusta asennosta ja osoita, miten ilma voi virrata. Ota 5 ml ruisku ja 50 ml ruisku ja säädä pienemmän mäntä 5 ml kohdalle ja isomman mäntä 0 ml merkin kohdalle. Tarvitset myös venttiilillä varustetun T-liittimen ja kaksi 20 cm letkua. Yhdistä ne kuvan mukaisesti. 2. Miten T-liittimen venttiili on säädettävä niin, että 50 ml ruiskun mäntä liikkuu, kun liikutat 5 ml ruiskun mäntää sisään ja ulos? 3. Miten venttiiliä on säädettävä, jotta 50 ml ruiskun mäntä liikkuu yhä pitemmälle sitä mukaa kun 5 ml ruiskulla pumpataan edestakaisin? 4. Toista harjoitus 3, mutta käytä nyt koko järjestelmässä vettä. Vihje: Käytä vettä sisältävää lasia ja yhtä lisäletkua. Tunkki on nostolaite, jolla voit nostaa suhteellisen pienellä voimalla paljon painavampia esineitä. Se on periaatteeltaan sama kuin kaksi halkaisijaltaan erisuuruista, yhteen liitettyä ruiskua. Pienen männän pumppaaminen nostaa suurta mäntää hitaasti ylöspäin. Järjestelmässä käytetään öljyä, jotta toiminta on sujuvaa. Tunkin rakentamiseen tarvitaan suuntaventtiilit. Ne ovat putkia, jotka päästävät nesteen etenemään vain yhteen suuntaan (katso oikealla olevat kuvat). Jos neste pakotetaan oikealle, ruskea kuula puristaa jousen kokoon niin, että neste voi virrata ohi. Jos neste pakotetaan vasemmalle, kuula painuu vasten pienempää putkea ja virtaus estyy. 5. Rakenna tunkki ja piirrä sen periaatekuva. Saat käyttää pientä kahvallista mäntää, suurta mäntää, nestettä sisältävää säiliötä, kahta suuntaventtiiliä, yhtä venttiiliä ja niin paljon letkua kuin tarvitset. Alla on havaintokuvat eri osien piirtämiseksi. Toiminnot: A) Kun pienen ruskean männän kahvalla pumpataan ja venttiili on suljettuna, suuren ruskean männän on liikuttava jokaisella pumppauksella hieman ylöspäin. B) Jos pumpun kahva päästetään vapaaksi, suuri mäntä ei liiku alaspäin. C) Kun venttiili avataan, suuri mäntä palaa pohjaan/alkuasentoon. Letku Pieni kahvallinen mäntä Suuntaventtiili Suuri mäntä Öljyä sisältävä säiliö Suuntaventtiili Venttiili 4
Hydraulipuristin Useilla teollisuudenaloilla käytetään hydraulipuristimia. Niiden ulkonäkö vaihtelee ja niitä käytetään esimerkiksi - Puristamaan yhteen osia kokoonpanovaiheessa. - Painamaan reikiä levyyn (lävistys). - Puristamaan romutettava auto kokoon. Kuvan mukaisessa punaisessa hydraulipuristimessa käsiteltävät esineet asetetaan mustille teräslevyille. Kun oikealla olevalla kahvalla pumpataan, oikeanpuoleisessa sylinterissä oleva hydrauliöljy pakotetaan puristimen päällä olevaan sylinteriin. Tällöin ylemmän sylinterin mäntä liikkuu hitaasti ja suurella voimalla alaspäin puristaen kohteena olevaa esinettä. Tee oma hydraulipuristin. Valmista puukehys, jonka sisäkorkeus on 150 mm. Poraa yläosaan yksi 32 mm reikä (tai useita reikiä). Asenna kehykseen yksi 50 ml ruisku (tai useita ruiskuja). Yhdistä ruiskut, liittimet ja letkut. Täytä järjestelmä vedellä. Kokeile puristaa esimerkiksi alumiinitölkkiä. 32 mm 150 mm Haluatko nähdä hydraulipuristimemme toiminnassa? Siirry osoitteeseen www.youtube.com ja etsi hakusanoilla Sagitta Pedagog. 5
Hydraulijärjestelmä Monissa koneissa käytetään hydraulisylintereitä. Niillä voidaan esimerkiksi liikuttaa kaivinkoneen puomia, säätää lentokoneen siivekkeitä ja peräsintä tai kallistaa ja nostaa karuselleja tivolissa jne. Hydraulijärjestelmä toimii periaatteessa kuten öljyllä täytetyt, yhteen liitetyt ruiskut. Jotakin eroja kuitenkin on, esimerkiksi Vipu Öljysäiliö Öljypumppu Käsin tehtävän öljynpumppauksen asemesta tämä tehdään öljypumpulla. Kaksitoiminen sylinteri Kaksitoimisella sylinterillä öljyä voidaan pakottaa vasten mäntää kahdelta suunnalta. Tällöin mäntää voidaan painaa sekä sisään- että ulospäin. Venttiilipaketti Venttiilipaketilla öljyä voidaan ohjata eri lähtöihin. Siten mäntää voidaan ohjata kumpaankin suuntaan. Kolme oikealla olevaa periaatekuvaa esittävät yksisylinteristä hydraulijärjestelmää. Ylimmässä kuvassa öljyä pumpataan pitkin oikeaa silmukkaa vaikuttamatta sylinteriin. Keskimmäisessä kuvassa venttiilipakettia on työnnetty oikealle niin, että öljy pakottaa männän ylös. Alimmassa kuvassa öljyvirtausta ohjataan niin, että mäntä palaa sylinteriin. Kaksitoiminen hydraulisylinteri Venttiili - Öljypumppu Kaivinkoneessa on useita hydraulisylintereitä, joilla kauhaa siirretään, käännetään ja pyöritellään kaikilla mahdollisilla tavoilla. Kaivinkoneessa on vain yksi öljysäiliö ja yksi öljypumppu. Sitä vastoin siinä on edistyneempi venttiilipaketti monine vipuineen. Jokaisella vivulla ohjataan öljyä tiettyyn hydraulisylinteriin. Nykyaikaisissa koneissa vivut on korvattu ohjaussauvoilla. Siten venttiilipaketin toimintaa ohjataan pienillä ja kätevillä vivuilla lähetettävillä sähköisillä signaaleilla. Venttiilipaketti yhdelle hydraulisylinterille Venttiilipaketti kahdelle hydraulisylinterille 6
Oma rakenne Suunnittele ja rakenna laite, jota ohjataan pneumaattisesti (ilmalla) tai hydraulisesti (vedellä). Rakenna esimerkiksi nosturi, jonka puomia voidaan nostaa ja laskea. Toinen vaihtoehto on rakentaa laiteohjattu avattava ja suljettava nostosilta. Seuraavilla sivuilla on joitakin ideoita nosturin tai nostosillan rakentamiseen. Haluatko nähdä nosturimme toiminnassa? Siirry osoitteeseen www.youtube.com ja etsi hakusanoilla Sagitta Pedagog. Tarvikkeet: Jäätelötikkuja, liimapistooli, paperiliittimiä, ruiskuja, letkua, Y- tai T- liittimiä, sähkömoottorin pidin, kuminauhoja. Lisäksi voit tarvita: Perustyökaluja (sivuleikkurit, laakapihdit, pienen porakoneen) Ennen kaikkea tarvitaan: Mielikuvitusta ja luovuutta! 7
Haluatko nähdä siltamme toiminnassa? Siirry osoitteeseen www.youtube.com ja etsi hakusanoilla Sagitta Pedagog. 8