Hydraulische Maschinen

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Hydraulische Bremsen ✔ | Hydraulischer Wagenheber ✔ | Ein Kraftverstärker ✔ | Rechenbeispiel ✔

Hydraulischer Bagger schaufelt Sand
Die Schaufel und der Arm von diesem Bagger werden hydraulisch betrieben, die Raupenschienen werden durch "Hydraulikmotoren" bewegt. Das Hochdrucköl stammt aus einer von einem Dieselmotor angetriebenen Pumpe.

Bei einigen Maschinen werden die Kräfte anstatt durch Hebel oder Zahnräder durch Flüssigkeiten unter Druck übertragen. Maschinen wie diese heißen hydraulische Maschinen. Sie nutzen folgende Eigenschaften von Flüssigkeiten:

  • Flüssigkeiten sind praktisch inkompressibel - sie können nicht zusammengedrückt werden.
  • Wenn eine Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter unter Druck gesetzt wird, wird der Druck auf alle Objekte in der Flüssigkeit übertragen.

Hydraulische Bremsen


Hydraulische Bremse - Funktionsprinzip

Die Bremsen arbeiten hydraulisch. Das obige Diagramm zeigt das Prinzip. Wenn das Bremspedal gedrückt wird, drückt ein Kolben die Bremsflüssigkeit von einem Zylinder entlang eines Verbindungsrohrs zu einem anderen Zylinder. Dort drückt die Flüssigkeit auf einen anderen Kolben. Dieser wiederrum drückt den Bremsbelag gegen die Bremsscheibe, die an dem sich drehenden Rad des Fahrzeugs befestigt ist. Die Reibung, die dadurch entsteht, bremst das Rad ab.

In heutigen Bremssystemen von Autos gibt es Leitungen zu allen vier Rädern, Bremsbeläge auf beiden Seiten jeder Bremsscheibe, und in der Regel auch "Bremskraftverstärker".


Hydraulischer Wagenheber

Beim Reifenwechsel ist es einfacher die Last des Autos zu heben, wenn man einen Wagenheber benutzt. Das Diagramm unten zeigt einen einfachen hydraulischen Lastenheber. Eine nach unten gerichtete Kraft auf den Eingangskolben setzt Druck auf das Öl frei. Der Druck wird durch das Öl übertragen und erzeugt eine größere Aufwärtskraft auf den Ausgangskolben.


Hydraulischer Wagenheber mit Beschriftung
Die Kraft wirkt auf eine kleine Fläche, was einen hohen Druck verursacht Die große Aufwärtskraft wird von dem hohen Druck verursacht, der auf eine große Fläche wirkt

Bei Kenntnis der Eingangskraft und der Kolbenfläche kann die Ausgangskraft berechnet werden:

Im Eingangszylinder:

Eine Eingangskraft von 12 N wirkt auf eine Fläche von 0,01 m2.

Also:

$\mathrm {Druck \ auf \ das \ Öl \ = \ \tfrac{Kraft}{Fläche} \ = \ \tfrac {12 \ N}{0,01 \ m^2} \ = \ 1200 \ Pa}$

Im Anschlussrohr:

Der Druck von 1200 Pa wird durch das Öl übertragen.

Im Ausgangszylinder:

Der Druck von 1200 Pa wirkt auf einen Kolben mit einer Fläche von 0,1 m2.

Also:

$\mathrm {Ausgangskraft \ = \ Druck \ \cdot \ Fläche \ = \ 1200 \ Pa \ \cdot \ 0,1 \ m^2 \ = \ 120 \ N}$

Ein Kraftverstärker

Mit dem Wagenheber oben setzt du eine Kraft von nur 12 N ein, aber es wirkt eine Kraft von 120 N. Der Wagenheber ist also ein Kraftverstärker. In diesem Fall vervielfacht er die Eingangskraft um einen Faktor 10. Aber es gibt einen Preis für den Gewinn an Kraft: Der Ausgangskolben wird nur um $\tfrac {1}{10}$ des Weges angehoben, den der Eingangskolben nach unten gedrückt wird.

Die Berechnung der Ausgangskraft oben geht davon aus, dass der Wagenheber ohne Reibung funktioniert. Bei einem echten Wagenheber gibt es Reibung, wodurch sich die Ausgangskraft verringert.


Fragen

1. Das Diagramm zeigt eine einfache hydraulische Hebevorrichtung. (Wir nehmen an, dass das System ohne Reibung arbeitet):

  1. Wie hoch ist der Druck bei A?
  2. Wie hoch ist der Druck bei B?
  3. Wie groß ist die Ausgangskraft?
  4. Erkläre, warum diese Hebevorrichtung als Kraftverstärker bezeichnet werden kann.
Hydraulische Hebevorrichtung

Richtig ist:

  1. 200 Pa
  2. 200 Pa
  3. 100 N
  4. Die Ausgangskraft ist höher als die Kraft, die aufgewendet wird.

2. Was wäre die Wirkung von einer ...

  1. ... Vergrößerung der Fläche des Ausgangskolbens
  2. ... Verringerung der Fläche des Eingangskolbens

Richtig ist:

  1. Die Ausgangskraft vergrößert sich
  2. Gleicher Effekt: die Ausgangskraft vergrößert sich

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