Postavte si model hydraulické brzdy – na Pascalovu počest

V červnu letošního roku uplynulo 400 let od narození významného francouzského matematika, fyzika a filozofa Blaise Pascala (1623 – 1662). Od svého otce získal základy matematického vzdělání a to mu umožnilo, aby už v 16 letech napsal své první matematické pojednání: o vlastnostech kuželoseček. Pro svého otce, správce královských daní, sestrojil v 19 letech první mechanický počítací stroj pro sčítání a odčítání. Později se v matematice proslavil objevy v oblasti geometrie, kombinatoriky a teorie pravděpodobnosti (to když jako vášnivý hazardní hráč rulety hledal způsob, jak by se dala matematickou cestou zvýšit naděje na výhru).

S Pascalovým jménem jsme se však už na základní škole všichni setkali především v hodinách fyziky. Pascal věnoval hlavní pozornost studiu atmosférického tlaku – například experimentálně dokázal závislost atmosférického tlaku na nadmořské výšce. Řešil také problémy rovnováhy kapalin a plynů. Zákon o rovnoměrném šíření tlaku v kapalinách patří ke stěžejním zákonům hydrostatiky. A jeho praktická aplikace bude podstatou našeho modelu kapalinové brzdy.

Pascalův zákon

Kapaliny jsou prakticky nestlačitelné a jejich částice se po sobě mohou velmi snadno posunovat. Je-li v uzavřené nádobě kapalina, na kterou působí vnější síla, platí:

„Změna tlaku, vyvolaná vnější silou, se v kapalině šíří všemi směry a je ve všech místech stejná.“

Na rovnoměrném šíření změny tlaku v kapalinách je založena funkce různých hydraulických zařízení (brzdy, lisy, zvedáky, tlumiče apod.).

Kotoučové brzdy

Kotoučové brzdy se používají u automobilů, motocyklů, jízdních kol i kolejových vozidel. Základem takové brzdy je kotouč, nasazený na ose brzděného kola. K oběma stranám kotouče jsou při sešlápnutí brzdového pedálu přitlačovány brzdové destičky a třením o ně se kotouč zabrzdí. Ovládání přenosu síly z pedálu na destičky může být mechanické (lanko), pneumatické (stlačený vzduch) nebo hydraulické prostřednictvím brzdové kapaliny.

Návod na sestrojení

Jako připomínku „kulatého“ výročí Pascalova narození nabízíme návod na zhotovení jednoduché učební pomůcky – modelu kotoučové brzdy s hydraulickým ovládáním. Konstrukce se skládá ze tří prvků:

1. brzdového kotouče (CD), nasazeného na ose elektromotorku,
2. hydraulického brzdového systému – dvě injekční stříkačky o objemu 5 ml nebo 10 ml, spojené silikonovou hadičkou,
3. napájecího zdroje a spínače.

Rozmístění jednotlivých součástí je zřejmé z fotografií, takže se v našem popisu omezíme jen na několik praktických rad, které usnadní sestavení modelu a jeho používání.

Postup stavby

Základní deska má rozměry cca 20 cm × 20 cm, během sestavování na ni budeme postupně nalepovat sloupky, které nařežeme z kousku lišty o průřezu cca 4 cm × 2 cm. Sloupek A má výšku 60 mm, sloupek B 70 mm, sloupek C 20 mm a sloupek D 60 mm.

Nejprve si připravíme blok brzdného kotouče: Do středu disku CD přilepíme tavným lepidlem dřevěný nebo plastový kotouček, v jehož středu vyvrtáme otvor pro vlepení osy modelářského elektromotorku. Během tuhnutí lepidla při lepení osy dbáme na to, aby disk CD byl kolmý na osu motorku.

K motorku připájíme vodiče a blok přilepíme na sloupek A. Těsně u disku přilepíme k základně opěrný sloupek B.                         

Zapojíme elektrický obvod mezi pouzdrem pro dva tužkové články, elektromotorkem a spínačem, pouzdro a spínač přilepíme k základně. Do pouzdra vložíme články a ověříme funkčnost zapojení. 

Sestavení brzdného systému je nejnáročnější prací. Silikonovou trubičku o délce cca 25 cm navlékneme na koncovky obou stříkaček a spoje důkladně zabezpečíme tavným lepidlem. V nádobce si připravíme barevný roztok; stačí ve vodě rozmíchat pár zrnek potravinářské barvy.  

Píst dolní stříkačky zasuneme až do koncové polohy, z horní stříkačky píst vyjmeme. Pomocnou stříkačkou opatrně plníme trubičku, až obarvená voda částečně zaplní i horní stříkačku. Pak musíme trpělivým poklepáváním dolní stříkačky o stůl vypudit z trubičky všechny vzduchové bublinky, aby hydraulika spolehlivě fungovala.

Pak doplníme vodu až po okraj horní stříkačky a zasuneme do ní píst.

Vyzkoušíme funkčnost a těsnost brzdného systému a obě stříkačky důkladně přilepíme k podstavcům C a D. Stříkačka s brzdovým pístem nesmí být příliš daleko od kotouče CD!

Při demonstraci funkce brzdění roztočeného kotouče se projeví důležitost opěrného sloupku B. Kdyby scházel, mohlo by dojít při razantním zabrzdění k poškození kotouče nebo jeho vytržení z osy motorku.  

Na závěr poslední rada: písty jsou ve stříkačkách zasunuté dost těsně, takže při „odbrzďování“ obvykle nestačí jen vysunovat píst „brzdového pedálu“. Pomůžeme si raději i současným zasunováním brzdového pístu.

Příklady jiných hydraulických zařízení

Zařízení, která využívají Pascalův zákon, se označují jako hydraulická a mají v technice velmi široké použití. Kromě hydraulických brzd jsou to především:

• Hydraulický lis - skládá se ze dvou válcových nádob uzavřených pohyblivými písty s různým průřezem. Slouží k lisování materiálů a součástek v mnoha průmyslových oborech a ve zvláštní úpravě i jako hydraulické nůžky záchranářů.
• Hydraulický zvedák - má všestranné využití při zvedání těžkých břemen, vyklápění nákladních automobilů, zvedání ramena autojeřábu, ovládání pohybu radlice buldozeru a dalších stavebních strojů, při přemísťování konstrukcí.
• Posilovače řízení - usnadňují řízení nákladních automobilů, letadel a dalších výkonných strojů. Bez posilovačů by tyto obří stroje vůbec nebylo možné ovládat.
• Tlumiče – slouží k omezení a utlumení mechanických kmitů vlivem viskozity oleje, například u automobilů.