En hoe zit het met energie?
Een andere manier om hydrauliek te begrijpen is door aan energie te denken.
We hebben al gezien dat hydraulische rammen ons meer kracht of snelheid kunnen geven, maar ze kunnen het niet allebei tegelijk, en dat heeft te maken met energie. Kijk nog eens naar het waterpistool hierboven: als je snel op de smalle buis drukt (met een beetje kracht), gaat de plunjer van de brede buis langzaam omhoog (met veel kracht). Waarom zou dat zo zijn? Een basiswet uit de natuurkunde, de wet van behoud van energie, zegt dat we energie niet uit het niets kunnen maken. De hoeveelheid energie die je gebruikt om de zuiger te bewegen is gelijk aan de kracht die je gebruikt maal de afstand waarover je hem beweegt. Als ons waterpistool aan het brede uiteinde twee keer zoveel kracht levert als wij aan het smalle uiteinde, kan het maar half zo ver komen. Dat komt omdat de energie die wij leveren door naar beneden te duwen, dwars door de pijp naar het andere uiteinde wordt getransporteerd. Als dezelfde hoeveelheid energie nu met twee keer zoveel kracht moet worden verplaatst, kan zij in dezelfde tijd slechts de halve afstand afleggen. Daarom beweegt het brede uiteinde langzamer dan het smalle.
Hydrauliek in de praktijk
U kunt hydrauliek aan het werk zien in deze graafmachine. Als de bestuurder aan een hendel trekt, pompt de motor van de graafmachine vloeistof in de smalle pijpen en kabels (in blauw), waardoor de hydraulische cilinders (in rood) worden geforceerd uit te schuiven. De plunjers lijken een beetje op omgekeerd werkende fietspompen. Als je verschillende plunjers samenvoegt, kun je de arm van een graafmachine laten uitschuiven en bewegen zoals bij een mens – alleen met veel meer kracht. De hydraulische cilinders zijn in feite de spieren van de graafmachine:
Foto: Er zijn verschillende hydraulische cilinders aan het werk in deze graafmachine. De rammen zijn aangegeven met rode pijlen en de smalle, flexibele hydraulische leidingen en kabels die ze voeden met blauw.
Elke ram werkt als een diesel-aangedreven waterpistool in omgekeerde richting:
Photo: Close-up van de hydraulische rammen van een graafmachine.
De motor pompt hydraulische vloeistof door een van de dunne buizen om de dikkere ram met veel grotere kracht naar buiten te bewegen, zoals dit:
Foto: Hoe een hydraulische ram kracht vermenigvuldigt.
U vraagt zich misschien af hoe een hydraulische ram zowel naar binnen als naar buiten kan bewegen als de hydraulische vloeistof altijd maar uit één richting duwt. Het antwoord is dat de vloeistof niet altijd in dezelfde richting duwt. Afhankelijk van de richting waarin de vloeistof beweegt, duwt de ram naar binnen of naar buiten, heel langzaam en soepel, zoals deze kleine animatie duidelijk maakt:
Foto: Een hydraulische ram beweegt naar binnen of naar buiten, afhankelijk van de richting waarin de hydraulische vloeistof stroomt.
De volgende keer dat u op pad bent, moet u eens zien hoeveel hydraulische machines u kunt vinden. U zult verbaasd zijn hoeveel vrachtwagens, kranen, graafmachines, dumpers, graafmachines en bulldozers ze gebruiken. Hier is nog een voorbeeld: een hydraulische heggenschaar achter op een tractor. De snijkop moet stevig en zwaar zijn om door heggen en bomen te snijden en de bestuurder kan hem onmogelijk met de hand optillen of positioneren. Gelukkig doet de hydraulische bediening dat allemaal automatisch: met verschillende hydraulische gewrichten, een beetje zoals een schouder, elleboog en pols, beweegt de knipper met evenveel flexibiliteit als een menselijke arm:
Photo: Een typische hydraulische heggenschaar.
Verborgen hydraulica
Niet alle hydraulische machines zijn echter zo duidelijk; soms zijn hun hydraulische rammen uit het zicht verborgen. Liften houden hun werking goed verborgen, zodat het niet altijd duidelijk is of ze op de traditionele manier werken (omhoog en omlaag getrokken door een kabel die aan een motor is bevestigd) of dat ze in plaats daarvan hydraulica gebruiken. Kleinere liften maken vaak gebruik van eenvoudige hydraulische cilinders die direct onder of naast de liftschacht zijn gemonteerd. Ze zijn eenvoudiger en goedkoper dan traditionele liften, maar kunnen behoorlijk wat meer stroom verbruiken.
Motoren zijn een ander voorbeeld waarbij hydraulica aan het zicht kan worden onttrokken. Traditionele elektromotoren maken gebruik van elektromagnetisme: wanneer een elektrische stroom door de spoelen binnenin vloeit, creëert dit een tijdelijke magnetische kracht die tegen een ring van permanente magneten duwt, waardoor de motoras draait.Hydraulische motoren lijken meer op pompen die in omgekeerde richting werken. In één voorbeeld, een hydraulische motor met tandwieloverbrenging genoemd, stroomt de vloeistof door een leiding in de motor, waardoor een paar in elkaar grijpende tandwielen gaan draaien, alvorens door een andere leiding weer naar buiten te stromen. Een van de tandwielen is verbonden met de motoras die de door de motor aangedreven apparatuur aandrijft, terwijl de andere (“de nietsnut”) gewoon vrij ronddraait om het mechanisme compleet te maken. Waar een traditionele hydraulische ram de kracht van een gepompte vloeistof gebruikt om de ram een beperkte afstand heen en weer te duwen, gebruikt een hydraulische motor continu stromende vloeistof om de as zo lang als nodig te laten draaien. Als u de motor in de tegenovergestelde richting wilt laten draaien, hoeft u alleen maar de vloeistofstroom om te keren. Wil je de motor sneller of langzamer laten draaien, dan verhoog of verlaag je de vloeistofstroom.
Artwork: Een vereenvoudigde hydraulische tandwielmotor. De vloeistof (geel) stroomt van links naar binnen, laat de twee tandwielen draaien en stroomt er naar rechts weer uit. Een van de tandwielen (rood) drijft de uitgaande as (zwart) aan en de machine waarop de motor is aangesloten. Het andere tandwiel (blauw) is een rondsel.
Waarom zou je een hydraulische motor gebruiken in plaats van een elektrische? Waar een krachtige elektromotor meestal heel groot moet zijn, kan een even krachtige hydraulische motor kleiner en compacter zijn, omdat hij zijn kracht krijgt van een pomp op enige afstand. U kunt hydraulische motoren ook gebruiken op plaatsen waar elektriciteit niet levensvatbaar of veilig is – bijvoorbeeld onder water, of waar het risico bestaat dat elektrische vonken brand of een explosie veroorzaken. (Another option, in that case, is to use pneumatics—the power of compressed air.)
