Was ist mit der Energie?
Eine weitere Möglichkeit, die Hydraulik zu verstehen, besteht darin, über die Energie nachzudenken.
Wir haben bereits gesehen, dass Hydraulikkolben mehr Kraft oder Geschwindigkeit erzeugen können, aber nicht beides gleichzeitig – und das liegt an der Energie. Wenn du schnell auf das schmale Rohr drückst (mit ein bisschen Kraft), bewegt sich der Kolben des breiten Rohrs langsam (mit viel Kraft). Warum ist das so? Ein grundlegendes physikalisches Gesetz, der Energieerhaltungssatz, besagt, dass man Energie nicht aus dem Nichts erzeugen kann. Die Energiemenge, die man zum Bewegen des Kolbens benötigt, ist gleich der Kraft, die man aufwendet, mal der Entfernung, die man zurücklegt. Wenn unsere Wasserpistole am breiten Ende doppelt so viel Kraft aufbringt, wie wir am schmalen Ende zuführen, kann sie nur halb so weit bewegt werden. Das liegt daran, dass die Energie, die wir durch das Herunterdrücken zuführen, direkt um das Rohr herum zum anderen Ende getragen wird. Wenn die gleiche Energiemenge nun die doppelte Kraft aufbringen muss, kann sie in der gleichen Zeit nur die halbe Strecke zurücklegen. Deshalb bewegt sich das breitere Ende langsamer als das schmale Ende.
Hydraulik in der Praxis
Bei diesem Bagger kann man die Hydraulik bei der Arbeit sehen: Wenn der Fahrer an einem Griff zieht, pumpt der Motor des Baggers Flüssigkeit in die schmalen Rohre und Kabel (blau dargestellt) und zwingt die Hydraulikzylinder (rot dargestellt) zum Ausfahren. Die Zylinder sehen ein bisschen aus wie Fahrradpumpen, die in umgekehrter Richtung arbeiten. Wenn man mehrere Hydraulikzylinder zusammenschaltet, kann man den Arm eines Baggers ähnlich wie den eines Menschen ausfahren und bewegen – nur mit viel mehr Kraft. Die Hydraulikzylinder sind quasi die Muskeln des Baggers:
Foto: In diesem Bagger sind mehrere verschiedene Hydraulikzylinder im Einsatz. Die Zylinder sind durch rote Pfeile dargestellt, die schmalen, flexiblen Hydraulikleitungen und -kabel, die sie versorgen, durch blaue Pfeile.
Jeder Zylinder arbeitet wie eine dieselbetriebene Wasserpistole im Rückwärtsgang:
Foto: Nahaufnahme der Hydraulikzylinder eines Baggers.
Der Motor pumpt Hydraulikflüssigkeit durch eines der dünnen Rohre, um den dickeren Zylinder mit viel größerer Kraft auszufahren, etwa so:
Foto: Wie ein Hydraulikzylinder die Kraft vervielfacht.
Sie fragen sich vielleicht, wie sich ein Hydraulikzylinder sowohl nach innen als auch nach außen bewegen kann, wenn die Hydraulikflüssigkeit ihn immer nur in eine Richtung drückt. Je nachdem, in welche Richtung sich die Flüssigkeit bewegt, schiebt der Zylinder entweder nach innen oder nach außen, und zwar sehr langsam und gleichmäßig, wie diese kleine Animation zeigt:
Foto: Ein Hydraulikzylinder bewegt sich entweder nach innen oder nach außen, je nachdem, in welche Richtung die Hydraulikflüssigkeit fließt.
Nächstes Mal, wenn Sie unterwegs sind, sehen Sie, wie viele hydraulische Maschinen Sie entdecken können. Sie werden überrascht sein, wie viele Lastwagen, Kräne, Bagger, Dumper, Bagger und Planierraupen damit ausgestattet sind.
Hier ein weiteres Beispiel: eine hydraulische Heckenschere auf der Rückseite eines Traktors. Der Schneidkopf muss stabil und schwer sein, um Hecken und Bäume zu durchtrennen, und der Fahrer kann ihn unmöglich von Hand anheben oder positionieren. Zum Glück erledigt die hydraulische Steuerung all das automatisch: Mit mehreren hydraulischen Gelenken, die ein wenig an Schulter, Ellbogen und Handgelenk erinnern, lässt sich die Heckenschere so flexibel bewegen wie ein menschlicher Arm:
Foto: Eine typische hydraulische Heckenschere.
Versteckte Hydraulik
Nicht alle hydraulischen Maschinen sind jedoch so offensichtlich; manchmal sind ihre Hydraulikzylinder außer Sichtweite versteckt. Bei Aufzügen ist die Funktionsweise gut versteckt, so dass nicht immer ersichtlich ist, ob sie auf herkömmliche Weise (durch ein an einem Motor befestigtes Seil) oder mit Hydraulik arbeiten. Kleinere Aufzüge verwenden oft einfache Hydraulikzylinder, die direkt unter oder neben dem Aufzugsschacht angebracht sind. Sie sind einfacher und billiger als herkömmliche Aufzüge, verbrauchen aber unter Umständen etwas mehr Energie.
Motoren sind ein weiteres Beispiel dafür, dass Hydraulik unsichtbar sein kann. Herkömmliche Elektromotoren arbeiten mit Elektromagnetismus: Wenn ein elektrischer Strom durch die Spulen in ihrem Inneren fließt, erzeugt er eine vorübergehende Magnetkraft, die gegen einen Ring aus Dauermagneten drückt und die Motorwelle zum Drehen bringt.
Hydraulikmotoren ähneln eher Pumpen, die umgekehrt arbeiten. In einem Beispiel, dem so genannten hydraulischen Getriebemotor, fließt die Flüssigkeit durch ein Rohr in den Motor und bringt ein Paar eng ineinander greifender Zahnräder zum Drehen, bevor sie durch ein anderes Rohr zurückfließt. Eines der Zahnräder ist mit der Motorwelle verbunden, die den Motor antreibt, während das andere (das „Leerlaufrad“) sich einfach frei dreht, um den Mechanismus zu vervollständigen. Während ein herkömmlicher Hydraulikzylinder die Kraft einer gepumpten Flüssigkeit nutzt, um den Zylinder über eine begrenzte Strecke hin und her zu schieben, verwendet ein Hydraulikmotor eine kontinuierlich fließende Flüssigkeit, um die Welle so lange wie nötig zu drehen. Wenn Sie den Motor in die entgegengesetzte Richtung drehen wollen, kehren Sie einfach den Flüssigkeitsstrom um. Wenn er sich schneller oder langsamer drehen soll, erhöht oder verringert man den Flüssigkeitsstrom.
Grafik: Ein vereinfachter hydraulischer Getriebemotor. Die Flüssigkeit (gelb) fließt von links ein, treibt die beiden Zahnräder an und fließt nach rechts ab. Eines der Zahnräder (rot) treibt die Ausgangswelle (schwarz) und die Maschine an, mit der der Motor verbunden ist. Das andere Zahnrad (blau) ist ein Leerlaufrad.
Warum sollte man einen Hydraulikmotor anstelle eines Elektromotors verwenden? Während ein leistungsstarker Elektromotor in der Regel sehr groß sein muss, kann ein ebenso leistungsstarker Hydraulikmotor kleiner und kompakter sein, da er seine Leistung von einer weiter entfernten Pumpe bezieht. Hydraulikmotoren können auch an Orten eingesetzt werden, an denen Elektrizität nicht praktikabel oder sicher ist, z. B. unter Wasser oder wenn die Gefahr besteht, dass elektrische Funken einen Brand oder eine Explosion verursachen. (Another option, in that case, is to use pneumatics—the power of compressed air.)
