Hydraulikk

Hydraulikk er et område innen mekanikk som handler om å overføre krefter – eller bevegelser eller energi – mellom sprøyter (sylindre) gjennom vanntrykk. Hydra betyr vann og det er det vi skal bruke, men i den voksne verden med jekker, gravemaskiner, heiser mm. brukes olje. Sprøytene gir en lineær bevegelse, men kombinert med en vektstang, kan de gi rotasjon eller bevegelse i bue.

Hydraulikk i den virkelige verden. Hydraulikk i den virkelige verden. Hydraulikk - 2 pallejekk

Prinsipp 1: Like volumer overføres mellom sprøytene når vi trykker på stemplet

Et volum på f.eks 5 ml overføres fra den tynne til den tykke sprøyta. Hvis arealet av stemplet i den tykke sprøyta er dobbelt av stempelet i den tynne sprøyta, blir bevegelsen av det store stemplet bare halvparten så lang. Ved å velge størrelsen på sprøytene, kan du bestemme om du vil ha en større bevegelse eller en mindre bevegelse.

Hydraulikk - 3

Prinsipp 2: Det er det samme trykket i hele systemet

Med 4 ganger så stort stempel, blir kraften også 4 ganger så stor. Med 4 ganger så stort stempel, blir kraften også 4 ganger så stor. Trykk er definert som kraft per flate : P = F/A Enheten for trykk er Pa = N/m2 (= 1 pascal). Trykket er det samme på begge figurene over. Fordi flaten til høyre er 4 ganger så stor, blir også kraften 4 ganger så stor. Tenk deg et visst trykk inne i sprøytesystemet – også på stemplene. Hvis arealet av stempelet i den høyre sprøyta (øverste figur) er dobbelt så stor som det i den venstre sprøyta, blir også kraften på stempelet til høyre dobbelt så stor.

Mål diameteren eller radien på den tynne og den tykke sprøyta. Regn ut arealene. Finn forholdet mellom arealene. Svaret du får, viser hvor mange ganger større (eller mindre) kraften blir.

Prinsipp 3: Det utføres like stort arbeid i begge sprøytene

I fysikken defineres arbeid som kraft x strekning, dvs. kraften på stemplet ganget med strekningen stemplet i sprøyta beveger seg: Arbeid = kraft x strekning Det vil si at når kraften øker, blir strekningen kortere, siden produktet er det samme. Det utføres samme arbeidet i de to sprøytene. Ved valg av sprøytestørrelser kan vi lage større eller mindre krefter etter behov. Vi ser bort fra friksjon her.

Et talleksempel: Sett at diameteren på stempelet i den lille sprøyta er 1 cm, og den store er 1,5 cm. Sett at vi skyver det tynne stempelet 5 cm inn med en kraft på 50 N (newton). Hvor langt beveger det store stempelet seg da? Og med hvilken kraft? For å finne strekningen, må vi ta utgangspunkt i volumene og prinsipp 1:

Arealet av det lille stempelet: a = π . r2 = 3,14 x 0,5 cm x 0,5 cm = 0,785 cm2 ≈ 0,8 cm2
Volum fra den lille sprøyta:  0,8 cm2 x 5 cm = 4 cm3
Volumet som overføres til den store sprøyta, blir også 4 cm3 (prinsipp 1)
Arealet av det store stempelet: A = π . R2 = 3,14 x 0,75 cm x 0,75 cm = 1,766 cm2 ≈1,8 cm2
Strekningen stempelet beveger seg i den store sylinderen S = V /A = 4 cm3 / 1,8 cm2 ≈ 2,2cm
Arbeidet på den store sprøyta er A = F x S og skal være lik arbeidet i den lille: a = f x s 
Vi har da at F  x  S =  f x s  Vi setter inn tallene: f x 2,2  cm = 50 N x 5 cm, dvs f ≈ 113 N

Bevegelsen av stempelet i den store sylinderen blir da bare litt mindre enn halvparten av stempelbevegelsen i den tynne sylinderen, men kraften blir litt mer enn doblet.

Lasteplanet er en vektstang som løftes hydraulisk. Lasteplanet er en vektstang som løftes hydraulisk. Hevearmen er en dobbel vektstang med en vannrett plattform. Hevearmen er en dobbel vektstang med en vannrett plattform.

Hvordan virker en hydraulisk biljekk?

Figur 17. Hydraulisk biljekk. Figur 17. Hydraulisk biljekk. Til venstre er en hydraulisk biljekk. Du gjenkjenner sikkert den lille sylinderen og den store sylinderen med stempelet som løfter bilen – her blir det store krefter! Her er det en smart idé til, nemlig en énveisventil (en slags kran) mellom den lille og den store sylinderen (ikke synlig). Slik løfter vi bilen litt for hvert pumpetak til den høyden vi ønsker. Etterpå kan vi åpne krana og bilen senkes ned igjen.

Figur 18. Pumpearmen er en vektstang. Figur 18. Pumpearmen er en vektstang. Pumpearmen er en vektstang. Den er på figur 18 markert med rødt. Aksen er i det grønne krysset (eg. bak den store sylinderen). Med liten kraft og lang arm ytterst på stangen, får du en stor kraft på den korte armen som presser stempelet ned i den lille sylinderen. Legg merke til at på denne vektstanga virker begge kreftene nedover, – altså har vi en enarmet vektstang. Altså: Med beskjeden håndkraft – med vektstang og hydraulikk – kan du løfte opp en bil på 2 tonn (2000 kg)!