Co z energią?
Innym sposobem zrozumienia hydrauliki jest myślenie o energii.
Widzieliśmy już, że siłowniki hydrauliczne mogą dać nam większą siłę lub prędkość, ale nie mogą zrobić obu tych rzeczy jednocześnie – a to z powodu energii. Jeśli szybko naciśniesz na wąską rurę (z niewielką siłą), tłok w szerokiej rurze podnosi się powoli (z dużą siłą). Dlaczego tak się dzieje? Podstawowe prawo fizyki, zwane prawem zachowania energii, mówi, że nie można wytworzyć energii z powietrza. Ilość energii zużytej do poruszenia tłoka jest równa sile, której używasz, pomnożonej przez odległość, na jaką go przesuwasz. Jeśli nasz pistolet na wodę wytwarza dwa razy więcej siły na szerokim końcu niż my dostarczamy na wąskim, to może on poruszyć się tylko o połowę dalej. Dzieje się tak, ponieważ energia, którą dostarczamy naciskając w dół, jest przenoszona dookoła rury na drugi koniec. Jeśli ta sama ilość energii musi teraz poruszać się z dwukrotnie większą siłą, to w tym samym czasie może pokonać tylko połowę dystansu. Dlatego szerszy koniec porusza się wolniej niż wąski.
Hydraulika w praktyce
Można zobaczyć hydraulikę w pracy w tej koparce. Kiedy kierowca pociąga za uchwyt, silnik koparki pompuje płyn do wąskich rur i kabli (pokazanych na niebiesko), zmuszając siłowniki hydrauliczne (pokazane na czerwono) do wysunięcia się. Siłowniki wyglądają trochę jak pompki rowerowe pracujące w odwrotnym kierunku. Jeśli połączy się kilka siłowników, można sprawić, że ramię koparki będzie się wysuwać i poruszać podobnie jak ramię człowieka, tylko z dużo większą siłą. Siłowniki hydrauliczne to w rzeczywistości mięśnie koparki:
Zdjęcie: W tej koparce pracuje kilka różnych siłowników hydraulicznych. Siłowniki są zaznaczone czerwonymi strzałkami, a wąskie, elastyczne rury i kable hydrauliczne, które je zasilają, niebieskimi.
Każdy siłownik działa jak zasilany olejem napędowym pistolet na wodę w odwrotnej kolejności:
Zdjęcie: Zbliżenie na siłowniki hydrauliczne koparki.
Silnik pompuje płyn hydrauliczny przez jedną z cienkich rur, aby wysunąć grubszy siłownik z dużo większą siłą, tak jak to:
Zdjęcie: Jak siłownik hydrauliczny zwielokrotnia siłę.
Możesz się zastanawiać, w jaki sposób siłownik hydrauliczny może poruszać się zarówno do wewnątrz jak i na zewnątrz, jeśli ciecz hydrauliczna zawsze pcha go z jednego kierunku.Odpowiedź jest taka, że ciecz nie zawsze pcha w ten sam sposób. Każdy siłownik jest zasilany z przeciwnych stron przez dwie oddzielne rury.W zależności od tego, w którą stronę porusza się płyn, siłownik pcha się albo do wewnątrz, albo na zewnątrz, bardzo powoli i płynnie, jak pokazuje ta mała animacja:
Zdjęcie: Siłownik hydrauliczny porusza się albo do wewnątrz, albo na zewnątrz w zależności od tego, w którym kierunku płynie płyn hydrauliczny.
Następnym razem, gdy będziesz na zewnątrz i w pobliżu, zobacz, ile maszyn hydraulicznych możesz zauważyć. Możesz być zaskoczony, jak wiele ciężarówek, żurawi, koparek, wywrotek, koparek i buldożerów ich używa.Oto kolejny przykład: hydrauliczne nożyce do żywopłotu z tyłu ciągnika. Głowica tnąca musi być mocna i ciężka, aby mogła przecinać żywopłoty i drzewa, a kierowca nie ma możliwości podniesienia lub ustawienia jej ręcznie. Na szczęście hydrauliczne sterowanie robi to wszystko automatycznie: dzięki kilku przegubom hydraulicznym, przypominającym trochę ramię, łokieć i nadgarstek, nożyce poruszają się z taką samą elastycznością jak ludzkie ramię:
Zdjęcie: Typowy hydrauliczny nożyce do żywopłotu.
Ukryta hydraulika
Nie wszystkie maszyny hydrauliczne są jednak tak oczywiste; czasami ich siłowniki hydrauliczne są ukryte poza zasięgiem wzroku. Windy („podnośniki”) ukrywają swoje działanie, więc nie zawsze jest oczywiste, czy pracują w tradycyjny sposób (ciągnięte w górę i w dół przez kabel podłączony do silnika), czy też używają hydrauliki. Mniejsze windy często wykorzystują proste siłowniki hydrauliczne zamontowane bezpośrednio pod lub obok szybu windowego. Są one prostsze i tańsze niż tradycyjne windy, ale mogą zużywać nieco więcej energii.
Silniki są kolejnym przykładem, gdzie hydraulika może być ukryta przed wzrokiem. Tradycyjne silniki elektryczne wykorzystują elektromagnetyzm: kiedy prąd elektryczny przepływa przez cewki wewnątrz nich, wytwarza chwilową siłę magnetyczną, która naciska na pierścień magnesów stałych, powodując obrót wału silnika.Silniki hydrauliczne są bardziej podobne do pomp pracujących w odwrotnym kierunku. W jednym z przykładów, zwanym hydraulicznym silnikiem zębatym, płyn wpływa do silnika przez rurę, powodując obrót pary ściśle zazębiających się kół zębatych, po czym wypływa z powrotem przez inną rurę. Jedno z kół zębatych jest połączone z wałem silnika, który napędza to, co napędza silnik, podczas gdy drugie („koło zębate”) po prostu obraca się swobodnie, aby mechanizm był kompletny. Podczas gdy tradycyjny siłownik hydrauliczny wykorzystuje moc pompowanej cieczy do popychania siłownika tam i z powrotem na ograniczoną odległość, silnik hydrauliczny wykorzystuje stale przepływającą ciecz do obracania wału tak długo, jak to konieczne. Jeśli chcesz, aby silnik obracał się w przeciwnym kierunku, wystarczy odwrócić przepływ płynu. Jeśli chcesz, aby obracał się szybciej lub wolniej, zwiększasz lub zmniejszasz przepływ płynu.
Artykuł: Uproszczony motoreduktor hydrauliczny. Płyn (żółty) wpływa z lewej strony, obraca dwa koła zębate i wypływa z prawej strony. Jedno z kół zębatych (czerwone) napędza wał wyjściowy (czarny) i maszynę, do której silnik jest podłączony. Druga przekładnia (niebieska) jest kołem zębatym.
Dlaczego miałbyś używać silnika hydraulicznego zamiast elektrycznego? Podczas gdy silnik elektryczny o dużej mocy musi być naprawdę duży, silnik hydrauliczny o takiej samej mocy może być mniejszy i bardziej kompaktowy, ponieważ pobiera moc z pompy znajdującej się w pewnej odległości. Silników hydraulicznych można również używać w miejscach, gdzie elektryczność nie jest opłacalna lub bezpieczna – na przykład pod wodą lub tam, gdzie istnieje ryzyko powstania pożaru lub eksplozji spowodowanej iskrami elektrycznymi. (Another option, in that case, is to use pneumatics—the power of compressed air.)
