Hur är det med energi?
Ett annat sätt att förstå hydrauliken är att tänka på energi.
Vi har redan sett att hydrauliska ramar kan ge oss mer kraft eller hastighet, men de kan inte göra båda sakerna samtidigt – och det beror på energi. Om du trycker ner det smala röret snabbt (med lite kraft), kommer kolven på det breda röret att stiga långsamt (med mycket kraft). Varför är det så? En grundläggande fysiklag som kallas lagen om energins bevarande säger att vi inte kan skapa energi ur tomma intet. Mängden energi som du använder för att flytta kolven är lika med kraften du använder gånger avståndet du flyttar den. Om vår vattenpistol producerar dubbelt så mycket kraft i den breda änden som vi tillför i den smala änden kan den bara förflytta sig hälften så långt. Det beror på att den energi som vi tillför genom att trycka neråt transporteras runt röret till den andra änden. Om samma energimängd nu måste flytta den dubbla kraften kan den bara flytta den halva sträckan på samma tid. Därför rör sig den bredare änden långsammare än den smala änden.
Hydraulik i praktiken
Du kan se hydrauliken i arbete i den här grävmaskinen.När föraren drar i ett handtag pumpar grävmaskinens motor vätska in i de smala rören och kablarna (som visas i blått), vilket tvingar de hydrauliska stämplarna (som visas i rött) att sträcka ut. Stöden ser lite ut som cykelpumpar som arbetar i motsatt riktning. Om man sätter ihop flera ramar kan man få grävmaskinens arm att sträcka ut och röra sig ungefär som en människas – bara med mycket större kraft. De hydrauliska ramarna är i praktiken grävmaskinens muskler:
Foto: Det finns flera olika hydrauliska ramar som arbetar på den här grävmaskinen. Rammarna visas med röda pilar och de smala, flexibla hydrauliska rören och kablarna som förser dem med blått.
Varje ram fungerar som en dieseldriven vattenpistol i omvänd riktning:
Foto:
Motorn pumpar hydraulisk vätska genom ett av de tunna rören för att flytta ut den tjockare baggen med mycket större kraft, så här:
Foto: Hur en hydraulisk bagge multiplicerar kraften.
Du kanske undrar hur en hydraulisk ram kan röra sig både inåt och utåt om hydraulvätskan alltid trycker på den från ett håll. svaret är att vätskan inte alltid trycker på samma sätt. Varje ram matas från motsatta sidor av två separata rör.Beroende på vilket håll vätskan rör sig trycker rammen antingen inåt eller utåt, mycket långsamt och smidigt, vilket den här lilla animationen visar:
Foto:
Nästa gång du är ute och rör dig, se hur många hydrauliska maskiner du kan upptäcka. Du kanske blir förvånad över hur många lastbilar, kranar, grävmaskiner, dumprar, grävmaskiner och bulldozers som använder dem.Här är ett annat exempel: en hydraulisk häcksax på baksidan av en traktor. Klipphuvudet måste vara robust och tungt för att kunna skära igenom häckar och träd, och föraren kan inte lyfta eller placera det för hand. Lyckligtvis gör de hydrauliska kontrollerna allt detta automatiskt: med flera hydrauliska leder, lite som en axel, armbåge och handled, rör sig klipparen lika flexibelt som en mänsklig arm:
Foto: Den hydrauliska häcksax på baksidan av en traktor:
Gömd hydraulik
Inte alla hydrauliska maskiner är dock så uppenbara; ibland är deras hydrauliska ramar dolda utom synhåll. Hissar (”liftar”) håller sina arbetsmekanismer väl dolda, så det är inte alltid uppenbart om de fungerar på traditionellt sätt (dras upp och ner av en kabel som är kopplad till en motor) eller om de i stället använder sig av hydraulik. Mindre hissar använder ofta enkla hydrauliska ramar som är monterade direkt under eller bredvid hisschaktet. De är enklare och billigare än traditionella hissar, men kan använda ganska mycket mer kraft.
Motorer är ett annat exempel där hydrauliken kan döljas. Traditionella elmotorer använder sig av elektromagnetism: när en elektrisk ström flyter genom spolar i dem skapar den en tillfällig magnetisk kraft som trycker mot en ring av permanentmagneter och får motoraxeln att rotera.Hydrauliska motorer är mer som pumpar som arbetar i omvänd riktning. I ett exempel, som kallas hydraulisk kugghjulsmotor, strömmar vätskan in i motorn genom ett rör, vilket får ett par tätt intilliggande kugghjul att rotera, innan den strömmar ut igen genom ett annat rör. Det ena kugghjulet är kopplat till motoraxeln som driver det som motorn driver, medan det andra kugghjulet (”tomgångskugghjulet”) helt enkelt vrider sig fritt för att mekanismen ska bli komplett. Medan en traditionell hydraulisk ram använder kraften från en pumpad vätska för att skjuta rammen fram och tillbaka en begränsad sträcka, använder en hydraulisk motor kontinuerligt flödande vätska för att vrida axeln så länge som det behövs. Om du vill få motorn att vrida sig i motsatt riktning vänder du helt enkelt på vätskeflödet. Om du vill få den att vrida sig snabbare eller långsammare ökar eller minskar du vätskeflödet.
Artwork: En förenklad hydraulisk kugghjulsmotor. Vätskan (gul) strömmar in från vänster, snurrar de två kugghjulen och strömmar ut till höger. En av kugghjulen (röd) driver utgångsaxeln (svart) och den maskin som motorn är ansluten till. Den andra kugghjulet (blått) är ett frihjul.
Varför skulle du använda en hydraulisk motor i stället för en elektrisk? Medan en kraftfull elmotor i allmänhet måste vara riktigt stor, kan en lika kraftfull hydraulmotor vara mindre och mer kompakt, eftersom den får sin kraft från en pump på långt avstånd. Du kan också använda hydraulmotorer på platser där elektricitet kanske inte är praktiskt eller säkert – till exempel under vatten eller där det finns en risk för att elektriska gnistor skapar en brand eller explosion. (Another option, in that case, is to use pneumatics—the power of compressed air.)
