Гидравлический пресс Брамы
С развитием промышленности росло производство металла, подстёгивая развитие металлообработки. Ещё в начале XVI в. появились кузнечные молоты с приводом от водяного колеса, а в конце XVIII в. для них приспособили паровые машины. Но паровые молоты производили страшный шум и сотрясениями повреждали окружающие постройки, поэтому их нельзя было устанавливать в городах. Необходимо было создать кузнечную машину, воздействующую на металл не ударом, а энергией статического давления. Такой машиной стал гидравлический пресс, придуманный английским изобретателем Джозефом Брама в 1795 г. для отжима масла и винограда.
Идея столетней давности
Действие всех гидравлических прессов основано на законе гидростатики знаменитого французского физика Блеза Паскаля, опубликованном ещё в 1663 г. Изучая барометр Торричелли и свойства атмосферного давления, Паскаль пришёл к выводу, что давление в жидкости или газе передается во все стороны с одинаковой силой. Именно этим объясняется действие барометра: атмосферное давление давит на ртуть в открытом сосуде сверху, а ртуть поступает в трубку снизу, потому что давление атмосферы в ртути распространяется во все стороны, в том числе и вверх, поднимая ртуть в трубку.
Действие открытого им закона Паскаль продемонстрировал на ряде опытов и сформулировал принцип действия гидравлического пресса. Рабочим телом в гидравлическом прессе могла быть только жидкость, потому что жидкости почти не сжимаются под давлением и способны передавать поршню силу воздействия давления в полном объёме.
Больше ста лет потребовалось, чтобы построить придуманный Паскалем гидравлический пресс. Никак не удавалось обеспечить герметичность (непроницаемость) между поршнем и стенками цилиндра, чтобы при сдавливании поршня жидкость не просачивалась в пространство над поршнем. Зазоры между поршнем и стенками цилиндра не позволяли создать в цилиндре нужного давления.
«Волшебное» кольцо
В середине 1790-х гг. за создание гидравлического пресса взялся лондонский краснодеревщик Джозеф Брама, уже прославившийся созданием сейфового замка. Но и ему, мастеру, пользовавшемуся высокоточными инструментами, не удалось точно подогнать поршень к цилиндру. Браме помог будущий знаменитый изобретатель Генри Модели. Он придумал самоуплотняющуюся манжету — проложенное между цилиндром и поршнем кольцо из прочной кожи, обод которого в разрезе напоминал перевёрнутую букву U. Жидкость, под давлением поступающая в цилиндр, по закону Паскаля давила во все стороны, распирала обод кольца и прижимала боковинки U к поверхностям цилиндра и поршня, обеспечивая полную герметичность между ними.
Принцип действия гидравлического пресса
Цилиндрический сосуд малого диаметра (1) и сообщающийся с ним цилиндрический сосуд большого диаметра (2) наполняются жидкостью и закрываются поршнями площадью S1 и S2. При сдавливании малого поршня S с силой F жидкость, не сжимаясь, поднимает большой поршень S в сообщающемся цилиндре. По закону Паскаля давление в жидкости передаётся в любую точку с равной силой, значит, сила F2, поднимающая большой поршень, больше силы F, воздействующей на малый поршень, потому что из-за большей площади у большого поршня больше точек, на которые с равной силой воздействует давление жидкости, чем у малого поршня. Давление p жидкости в поршневом цилиндре равняется отношению силы воздействия F к площади поршня S: р = F/S. Отсюда следует: F = pS. Сила, воздействующая на большой поршень: F2 = pS2, а на малый: F1 = pS1. При том, что S2 > Sr получается, что F2 > F1. Так, за счёт разницы в площадях поршней в гидравлическом прессе достигается выигрыш в силе.
Работа давления
Пресс Брамы представлял собой поршневый цилиндр с прессовальной платформой, соединённый с помповым насосом, нагнетающим жидкость (воду, масло или глицерин) из резервуара под поршень цилиндра. Давление жидкости поднимало поршень и платформу, и прессуемый материал сдавливался между платформой и крышкой.
Развитие идеи
Пресс Брамы поначалу использовался как винодельческий и маслодавильный, но он быстро нашёл более широкое применение. В 1815 — 1819 гг. прессы Брамы использовались как домкраты для подъёма тяжёлых металлических конструкций Саутуорского моста через Темзу. В 1797 г. Брама придумал способ изготовления свинцовых труб, продавливая прессом мягкий свинец через кольцевое отверстие. Но на практике эту идею осуществили только в 1820 г. на гидравлическом прессе инженера Томаса Бурра. Бурр выдвинул идею использования гидравлических прессов в кузнечном ремесле, и с середины XIX в. гидравлическими прессами штамповали детали различных механизмов, чеканили монеты, продавливали через отверстия в матрице проволоку и трубы, а также накладывали свинцовую оболочку на электрический кабель для телефонной и телеграфной связи.