Die Hydraulik ist für zahlreiche industrielle Anwendungen von elementarer Bedeutung. Da die Lehre der technischen Verwendung von Flüssigkeiten zur Krafterzeugung und ‑übertragung komplex ist, müssen Ingenieure und Mechaniker langjährige Studien und Ausbildungen durchlaufen.
Wenn Sie im Beruflichen oder Privaten Berührungspunkte mit der Hydraulik haben, ist es vorteilhaft, die wichtigsten Grundlagen der Hydraulik zu kennen und zu verstehen.
Wir erklären Ihnen in diesem Artikel, welche physikalischen Prinzipien der Hydraulik zugrundeliegen. Im Anschluss verfügen Sie über ein grundlegendes Verständnis von den physikalischen Hintergründen.
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Einfach ausgedrückt bezeichnet die Hydraulik die Erzeugung von mechanischer Energie durch die Verdrängung von Flüssigkeit in einem geschlossenen Raum. Die Energie eines Antriebs, etwa eines elektrischen Hydraulikmotors, wird über eine Hydraulikflüssigkeit in mechanische Energie umgewandelt, indem die verdrängte Flüssigkeit Kraft auf einen Zylinder ausübt, der seinerseits mechanische Energie erzeugt.
Die Effektivität der Hydraulik liegt in der Kraftvervielfachung. Durch die Druckübertragung mit einer Flüssigkeit als Leitmedium, ist eine Vervielfachung der Kraft möglich, wie es bei einer direkten Kraftübertragung unmöglich wäre. Selbst auf kleinem Raum können so enorme Kräfte erzeugt werden.
Eine ausführliche Hydraulik-Definition erhalten Sie in diesem Artikel.
- Alte Hydraulik: Die Lehre der Flüssigkeitsströmungen durch Rohre und Kanäle
- Moderne Hydraulik: Die Steuerung und Übertragung von Kräften, Energien und Bewegungen durch die Verdrängung von Flüssigkeiten
- Fluide: Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten
- Hydraulische Flüssigkeiten: Liquide Medien, die zur Energieübertragung genutzt werden. Insbesondere Hydrauliköl, Wasser, Wasser-Öl-Gemische, Mineralöle und synthetische Flüssigkeiten
- Hydromechanik: Sie untersucht und beschreibt das mechanische Verhalten von Fluiden und ist Hydrostatik und Hydrodynamik zu unterteilen.
- Hydrostatik: Die Hydrostatik untersucht das Verhalten von ruhenden Fluiden.
- Hydrodynamik: Sie hingegen untersucht das mechanische Verhalten von beweglichen Fluiden.
Im Grunde ist die moderne Hydraulik ein Teilgebiet der Hydromechanik, welche sich wiederum aus der Hydrostatik und Hydrodynamik zusammensetzt.
Beide Teilbereiche finden in der industriellen Praxis Anwendung.
Hydrostatik: Berechnung und Beispiele
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Die Hydrostatik befasst sich im Grunde mit dem Gleichgewicht ruhender Flüssigkeiten während der Einwirkung von äußeren Kräften. Als zentrale Größe dient dabei der hydrostatische Druck. Er bezeichnet den Druck, der sich innerhalb einer Flüssigkeit durch den Einfluss der Schwerkraft einstellt.
Berechnung des physikalischen Drucks
Der Druck ist der Quotient aus der Normalkraft und der Fläche auf die er wirkt:
In der Hydraulik wird Druck allerdings in Bar angegeben,
Die Berechnung des Drucks ist abhängig von der Fläche.
Da die Flüssigkeit nicht komprimierbar ist, erzeugt sie einen Druck.
Berechnung des Schweredrucks
Der hydrostatische Druck bezeichnen den Druck für nicht kompressible Flüssigkeiten, den die Flüssigkeit auf eine Fläche ausübt.
Hydraulikzylinder beispielsweise unterliegen immer dem hydrostatischen Druck.
Die Normalkraft entspricht hierbei ebenfalls der Schwerkraft:
Der hydrostatische Druck ist von folgenden Größen abhängig:
- p = hydrostatischer Druck
- h = Höhe der Flüssigkeitssäule
- ρ = Dichte der Flüssigkeit
- g = Erdbeschleunigung
Die Formel lautet dann:
Das hydrostatische Paradoxon
Das hydrostatische Paraxodon beschreibt den Umstand, dass der Gewichtskraft und die Druckkraft zweier Zylinder nicht identisch sind und die Druckkraft zweiter Zylinder, trotz unterschiedlicher Volumina übereinstimmen.
Nicht das Volumen des ausgefüllten Behälters, sondern lediglich die Grundfläche und die Höhe sind für den hydrostatischen Druck verantwortlich. Das bedeutet, dass trotz eines höheren Gewichts der Flüssigkeit, der Schweredruck des Behälters nicht abweicht.
Das Pascalsche Gesetz
Eine moderne Hydraulikanlage fungiert mit derart hohen Drücken, dass der Schweredruck zu vernachlässigen ist.
Der Druck des Hydrauliksystems ist dann über das Pascalsche Gesetz zu ermitteln, das besagt, dass der hydrostatische Druck an jedem Punkt der Flüssigkeit gleich stark auf alle anderen Punkte der Flüssigkeit übertragbar ist.
Wird also Druck auf ein ruhendes Fluid, wie etwa ein Hydrauliköl, innerhalb eines geschlossenen Behälters in einer Form ausgeübt, die das Gleichgewicht nicht stört, so wird der gleiche Druck über die Flüssigkeit übertragen und kann auf eine größere Fläche wirken.
Dadurch kann durch die Druckübertragung eine eingesetzte Kraft potenziert werden.
Beispiel: Hydraulikheber und Kraftübersetzung
Ein einfaches, aber dennoch realitätsnahes hydraulisches System, das auf dem Pascalschen Gesetz beruht, ist der Hydraulikheber.
Zwei Kolben mit unterschiedlichen Flächen, 5 cm² und 50 cm² sind über einen Flüssigkeitsraum miteinander verbunden. In dem Raum befindet sich eine inkompressible Flüssigkeit, wie Hydrauliköl.
Auf den ersten Kolben kann über eine Pumpe manuell Kraft ausgeübt werden.
Die Kraftübersetzung sorgt allerdings dafür, dass die eingesetzte Kraft deutlich geringer ist, als für das Heben der Last ohne Hydraulikheber notwendig wäre.
Da
Wenn die Fläche des Kolben 1 also geringer ist, als die Fläche des Kolben 2, so ist die Kraft 2 im umgekehrten Verhältnis zur Kraft 1 ungleich größer.
In diesem Beispiel wäre es etwa:
Der Kraft-Output des Hydraulikhebers ist also um ein Zehnfaches größer als die eingesetzte, körperliche Kraft, wodurch ein Vielfaches der Last gehoben werden kann.
Druckübersetzung
In einem hydraulischen System kann ebenso der Druck als übertragende Größe dienen und vervielfacht werden. Dafür müssen zwei Hydraulikzylinder miteinander kommunizieren, also über eine Kolbenstange miteinander verbunden sind.
Die Kraft bleibt zwar gleich, doch der Druck der Flüssigkeit innerhalb der beiden Zylinder wird vervielfacht und verändert sich.
Die zurückgelegte Strecke des Kolbens ist in Zylinder 1 und 2 ebenfalls identisch. Durch die veränderte Fläche entsteht jedoch ein anderer Druck:
Durch die Verringern der Fläche wird der Druck um den Faktor 10 maximiert.