E l’energia?
Un altro modo per capire l’idraulica è pensare all’energia.
Abbiamo già visto che i pistoni idraulici possono darci più forza o velocità, ma non possono fare entrambe le cose allo stesso tempo – e questo è dovuto all’energia. Se si preme rapidamente sul tubo stretto (con un po’ di forza), il pistone del tubo largo si solleva lentamente (con molta forza). Perché dovrebbe essere così? Una legge di base della fisica chiamata legge di conservazione dell’energia dice che non possiamo creare energia dal nulla. La quantità di energia che usi per muovere lo stantuffo è uguale alla forza che usi per la distanza in cui lo muovi. Se la nostra pistola ad acqua produce il doppio della forza all’estremità larga rispetto a quella che forniamo all’estremità stretta, può muoversi solo per metà della distanza. Questo perché l’energia che forniamo spingendo verso il basso viene trasportata intorno al tubo fino all’altra estremità. Se la stessa quantità di energia ora deve muovere il doppio della forza, può spostare solo la metà della distanza nello stesso tempo. Ecco perché l’estremità più larga si muove più lentamente di quella stretta.
L’idraulica in pratica
Puoi vedere l’idraulica all’opera in questa scavatrice. Quando il guidatore tira una maniglia, il motore della scavatrice pompa il fluido nei tubi e nei cavi stretti (mostrati in blu), forzando i pistoni idraulici (mostrati in rosso) ad estendersi. I pistoni assomigliano un po’ alle pompe della bicicletta che lavorano al contrario. Se si mettono insieme diversi pistoni, si può fare in modo che il braccio di una scavatrice si estenda e si muova come quello di una persona, solo con una forza molto maggiore. I pistoni idraulici sono effettivamente i muscoli dello scavatore:
Foto: Ci sono diversi pistoni idraulici al lavoro in questa scavatrice. I pistoni sono indicati dalle frecce rosse e gli stretti e flessibili tubi e cavi idraulici che li alimentano in blu.
Ogni pistone funziona come una pistola ad acqua alimentata a diesel al contrario:
: Primo piano dei pistoni idraulici di una scavatrice.
Il motore sta pompando fluido idraulico attraverso uno dei tubi sottili per spostare il pistone più spesso con una forza molto maggiore, come questo:
Foto: Come un pistone idraulico moltiplica la forza.
Ti starai chiedendo come un pistone idraulico possa muoversi sia verso l’interno che verso l’esterno se il fluido idraulico lo spinge sempre da una direzione: la risposta è che il fluido non spinge sempre nello stesso modo. A seconda di come si muove il fluido, il pistone spinge verso l’interno o verso l’esterno, molto lentamente e senza intoppi, come chiarisce questa piccola animazione:
Foto: Un pistone idraulico si muove verso l’interno o verso l’esterno a seconda della direzione in cui scorre il fluido idraulico.
La prossima volta che sei in giro, vedi quante macchine idrauliche puoi individuare. Potresti rimanere sorpreso da quanti camion, gru, scavatrici, dumper, escavatori e bulldozer ne fanno uso.Ecco un altro esempio: un tagliasiepi idraulico sul retro di un trattore. La testa di taglio deve essere robusta e pesante per tagliare le siepi e gli alberi e non c’è modo che il conducente possa sollevarla o posizionarla a mano. Fortunatamente, i comandi idraulici fanno tutto questo automaticamente: con diverse articolazioni idrauliche, un po’ come una spalla, un gomito e un polso, la tagliatrice si muove con la stessa flessibilità di un braccio umano:
Foto: Un tipico tagliasiepi idraulico.
L’idraulica nascosta
Non tutte le macchine idrauliche sono così ovvie, tuttavia; a volte i loro pistoni idraulici sono nascosti fuori dalla vista. Gli ascensori (“lift”) tengono il loro funzionamento ben nascosto, quindi non è sempre evidente se stanno lavorando in modo tradizionale (tirati su e giù da un cavo collegato a un motore) o se invece stanno usando l’idraulica. Gli ascensori più piccoli spesso usano semplici pistoni idraulici montati direttamente sotto o accanto al pozzo dell’ascensore. Sono più semplici ed economici degli ascensori tradizionali, ma possono usare un po’ più di potenza.
I motori sono un altro esempio in cui l’idraulica può essere nascosta alla vista. I motori elettrici tradizionali usano l’elettromagnetismo: quando una corrente elettrica scorre attraverso le bobine al loro interno, crea una forza magnetica temporanea che spinge contro un anello di magneti permanenti, facendo ruotare l’albero del motore. In un esempio, chiamato motore ad ingranaggi idraulici, il fluido scorre nel motore attraverso un tubo, facendo ruotare una coppia di ingranaggi strettamente ingranati, prima di rifluire fuori attraverso un altro tubo. Uno degli ingranaggi è collegato all’albero del motore che aziona qualsiasi cosa il motore stia alimentando, mentre l’altro (“l’ozioso”) gira liberamente per rendere il meccanismo completo. Dove un pistone idraulico tradizionale usa la potenza di un fluido pompato per spingere il pistone avanti e indietro per una distanza limitata, un motore idraulico usa un fluido che scorre continuamente per far girare l’albero per tutto il tempo necessario. Se si vuole far girare il motore nella direzione opposta, è sufficiente invertire il flusso del fluido. Se si vuole farlo girare più velocemente o più lentamente, si aumenta o si diminuisce il flusso del fluido.
Artwork: Un motoriduttore idraulico semplificato. Il fluido (giallo) entra da sinistra, fa girare i due ingranaggi ed esce a destra. Uno degli ingranaggi (rosso) alimenta l’albero di uscita (nero) e la macchina a cui il motore è collegato. L’altro ingranaggio (blu) è un ozioso.
Perché si dovrebbe usare un motore idraulico invece di uno elettrico? Dove un motore elettrico potente deve essere generalmente molto grande, un motore idraulico altrettanto potente può essere più piccolo e compatto, perché riceve la sua potenza da una pompa a una certa distanza. Si possono anche usare i motori idraulici in luoghi dove l’elettricità potrebbe non essere praticabile o sicura – per esempio, sott’acqua, o dove c’è il rischio che le scintille elettriche creino un incendio o un’esplosione. (Another option, in that case, is to use pneumatics—the power of compressed air.)
