Kapitel 1: Die physikalische Welt der Maschinen

Maschinen wurden entwickelt, um die menschliche Arbeit zu ersetzen. Dennoch fühlen sich viele Menschen in ihrer Nähe unwohl, weil sie nicht verstehen, wie Maschinen funktionieren. Dieses Kapitel definiert die grundlegenden physikalischen Konzepte – Kraft, Energie, Arbeit, Leistung und Druck –, die in jedem weiteren Kapitel dieses Kurses wieder auftauchen.

Abbildung 1-1 Eine typische industrielle hydraulische Antriebseinheit. Pumpe, Motor, Behälter und Ventile sind häufig wie hier in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst.

Kraft

Eine Kraft ist jede Wirkung, die den Bewegungszustand eines Körpers verändert – oder versucht, ihn zu verändern.

Newton (N)

Die SI-Einheit der Kraft ist das Newton (N). In den US-üblichen Einheiten wird Kraft in Pfund (lbs) gemessen.

Drei Arten, wie eine Kraft die Bewegung verändert

Eine Kraft kann an einem Körper drei Dinge bewirken:

1. Sie setzt den Körper in Bewegung.
2. Sie verlangsamt ihn oder bringt ihn zum Stillstand.
3. Ändern Sie die Richtung seiner Bewegung.

Widerstand

Jede Kraft, die eine Bewegung verlangsamt oder zum Stillstand bringt, wird als Widerstand bezeichnet. Die beiden häufigsten Widerstände in hydraulischen Maschinen sind Reibung und Trägheit.

Reibung

Reibung ist der Widerstand, der an der Kontaktfläche zwischen zwei Objekten auftritt, die sich relativ zueinander bewegen – oder sich relativ zueinander zu bewegen tendieren.

Abbildung 1-3: Reibung wirkt überall dort, wo zwei Flächen in Kontakt stehen und gegeneinander gleiten.

Trägheit

Trägheit ist die Neigung eines Körpers, seinen aktuellen Bewegungszustand beizubehalten. Ein ruhender Körper bleibt in Ruhe; ein bewegter Körper behält seine Bewegung bei. Die Trägheit steht in direktem Zusammenhang mit der Masse: Ein schwererer Körper ist schwieriger in Gang zu bringen oder zum Stillstand zu bringen.

Beispiel: Eine Bleikugel besitzt mehr Trägheit als eine Holzkugel. Treten Sie beide mit derselben Kraft, so bewegt sich die Holzkugel schneller und weiter – dies zeigt, dass die Bleikugel einer Änderung ihres Bewegungszustands stärker widersteht.

Energie

Energie ist das, was eine Kraft besitzt, wenn sie in der Lage ist, etwas in Bewegung zu setzen. Einfach ausgedrückt: Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.

Kinetische Energie

Kinetische Energie ist die Energie der Bewegung. Jeder sich bewegende Körper besitzt kinetische Energie, weil er andere Dinge verschieben und in Bewegung setzen kann. Je schwerer und schneller er sich bewegt, desto mehr kinetische Energie besitzt er.

Energieformen

Energie tritt in vielen Formen auf: mechanische, thermische (Wärme), elektrische, Licht-, chemische und Schallenergie.

Gesetz der Energieerhaltung

Energie kann weder erschaffen noch vernichtet werden – sie kann lediglich von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Dies ist eines der wichtigsten Gesetze der Physik.

Abbildung 1–6 Das Gesetz der Energieerhaltung: Energie wird niemals vernichtet, sondern nur in eine andere Form umgewandelt.

Energieumwandlung

Elektrische Energie aus einer Steckdose kann in Licht (in einer Glühbirne), Wärme (in einem Heizgerät), mechanische Bewegung (in einem Motor) oder Schall (in einem Lautsprecher) umgewandelt werden – je nach angeschlossenem Gerät. Die Energie bleibt stets erhalten; sie ändert lediglich ihre Form.

Ein weiteres Beispiel: Beim Abseilen an einem Seil wird die kinetische Energie des Körpers in Wärme im Seil und in den Händen umgewandelt – daher verlangsamt die Reibung Ihre Bewegung und erwärmt das Seil.

Energiezustände

Kinetische Energie — Energie in Bewegung

Kinetische Energie stellt bereits verrichtete Arbeit dar — es ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Bewegung besitzt. Die meisten Energieformen müssen sich zunächst im kinetischen Zustand befinden, bevor sie nützliche Arbeit leisten können.

Potentielle Energie — gespeicherte Energie

Potentielle Energie ist gespeicherte Energie. Sobald die richtigen Bedingungen gegeben sind, wandelt sich potentielle Energie in kinetische Energie um und bewirkt Bewegung. Potentielle Energie resultiert aus der physikalischen Beschaffenheit eines Objekts oder aus dessen Position oberhalb eines Bezugspunkts.

Beispiele: Wasser, das in einem erhöhten Behälter gespeichert ist, besitzt aufgrund seiner Höhe potentielle Energie — es kann nach unten fließen und auf einer tieferen Ebene Arbeit verrichten. Eine Batterie, die nicht mit einem Stromkreis verbunden ist, speichert chemische potentielle Energie.

Abbildung 1-8 Zwei vertraute Beispiele für potentielle Energie: ein erhöhter Wasserturm und eine geladene Batterie.

Umwandlung des Energiezustands

Potentielle und kinetische Energie wandeln sich frei ineinander um. Das Wasser in einem Turm stellt potentielle Energie dar; während es bergab fließt, wird es zu kinetischer Energie; wenn es einen Behälter füllt und erneut angehoben wird, verwandelt es sich wieder in potentielle Energie.

Arbeit

Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft auf ein Objekt wirkt und es über eine Strecke bewegt. Bewegt sich nichts, wird keine Arbeit verrichtet.

Joule, J = N·m

Die SI-Einheit der Arbeit ist das Joule (J). In den US-üblichen Einheiten wird Arbeit in Fuß-Pfund (ft·lbs) gemessen.

Arbeitsformel

(J) = (m) × (N) oder (ft·lbs) = (ft) × (lbs)

Beispiel: Ein Gabelstapler hebt jede Palette 5 ft (1,524 m) hoch, wobei eine Kraft von 2.000 lbs (8.880 N) aufgewendet wird. Die pro Palette verrichtete Arbeit:

Abbildung 1–9 Arbeit = Kraft × Weg. Der Gabelstapler verrichtet bei jedem Heben einer Palette Arbeit.

Leistung

Arbeit wird stets innerhalb eines bestimmten Zeitraums verrichtet. Leistung ist die Rate, mit der Arbeit verrichtet wird – also die pro Zeiteinheit verrichtete Arbeit.

Leistungsformel

(W) = (m) × (N) / (s) oder (ft·lb/s) = (ft) × (lb) / (s)

Beispiel Gabelstapler: Wird die Arbeit von 10.000 ft·lb innerhalb von 5 Sekunden verrichtet, beträgt die Leistungsabgabe:

Pferdestärke (PS)

Die Pferdestärke ist die imperiale Einheit der Leistung. James Watt, der Erfinder der Dampfmaschine, definierte sie, indem er seine Maschine mit einem arbeitenden Pferd verglich. Er fand heraus, dass ein Pferd 550 lb über eine Strecke von 1 ft innerhalb einer Sekunde bewegen konnte:

Pferdestärkenformel

kW = PS × 0,746

Beispiel Stapler: 2.000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3,6 PS (= 2.707 W = 2,71 kW).

Abbildung 1-11: James Watt definierte 1 PS als 550 ft·lbs pro Sekunde, nachdem er arbeitende Pferde beobachtet hatte.

Druck

Druck misst die Intensität einer Kraft – also, wie stark diese Kraft auf eine gegebene Fläche konzentriert ist. Zwei Objekte können dieselbe Gesamtkraft ausüben, erzeugen jedoch je nach Kontaktfläche sehr unterschiedliche Drücke.

Alltagsbeispiel: High-Heel-Schuhe im Vergleich zu flachen Schuhen. Beide tragen dasselbe Körpergewicht, doch die winzige Absatzfläche konzentriert dieses Gewicht auf den Boden und erzeugt einen sehr hohen Druck, während eine flache Sohle dieselbe Kraft über eine große Fläche verteilt und dadurch einen niedrigen Druck erzeugt. Jeder, der schon einmal von einem Absatz auf den Fuß getreten wurde, versteht dies intuitiv.

Druckformel

(Pa = N/m²) = (N) ÷ (m²) oder (psi) = (lbs) ÷ (in²)

Umrechnung von Einheiten:

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar = ungefähr 14,5 psi
• Normatmosphärischer Druck = 14,7 psia = 1,01 bar = 101.000 Pa

Beispiel: Ein Block mit einer Grundfläche von 100 in² (645 cm²) wiegt 100 lbs (444 N). Druck = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Derselbe Block mit 100 lbs auf einem Stahlstift mit einer Grundfläche von 0,25 in² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Abbildung 1-12: Gleiche Kraft, sehr unterschiedlicher Druck. Je kleiner die Fläche, desto höher der Druck.

Arbeitsenergie

Maschinen nutzen Energie üblicherweise über Druck. Druck entsteht, wenn kinetische Energie auf die Oberfläche einer Last wirkt. Arbeitsenergie kombiniert kinetische Energie mit Druck, um die Last zu bewegen.

Umwandlung von Arbeitsenergie

In allen Übertragungssystemen geht auf dem Weg zur Last ein Teil der Arbeitsenergie durch Reibung verloren. Diese verlorene Energie wird nicht vernichtet – sie wandelt sich in Wärme um. Der Anteil der Energie, der in Wärme umgewandelt wird, stellt den Verlust des Systems dar und ist dafür verantwortlich, dass Systeme ineffizient sind.

Der Druck an der Quelle ist höher als der Druck am Verbraucher, weil Energie zur Überwindung der Reibung in Rohren, Ventilen und Armaturen auf dem Weg verbraucht wird.

Abbildung 1-13: Arbeitsenergie fließt von der Quelle zum Verbraucher. Die Reibung entlang des Weges erzeugt Wärme und verringert den Druck, der am Verbraucher ankommt.

Energieübertragungsverfahren

Es gibt vier Möglichkeiten, wie Maschinen Energie von der Quelle dorthin übertragen, wo Arbeit verrichtet wird:

Mechanische Übertragung

Energie wird durch physikalische Bewegung übertragen – z. B. Hebel, Ketten, Zahnräder, Rollen, Riemen und Nocken. Der Energieträger ist ein bewegtes mechanisches Teil, das direkt mit der Energiequelle verbunden ist.

Elektrische Übertragung

Energie fließt entlang elektrischer Leiter (Kabel) und wird einem elektrischen Stellglied – einem Motor oder einem Magnetventil – zugeführt, um Arbeit zu verrichten.

Pneumatische Übertragung

Energie fließt in Form von komprimierter Luft durch Rohre und wird einem pneumatischen Stellglied (Luftzylinder oder Luftmotor) zugeführt, um Arbeit zu verrichten.

HYDRAULISCHE TRANSMISSION

Energie wird in Form eines unter Druck stehenden Flüssigkeitsstroms (Öl) durch Rohrleitungen transportiert und einem hydraulischen Stellglied (Zylinder oder Motor) zugeführt, um mechanische Arbeit zu verrichten. Dies ist das gesamte Thema dieses Kurses.

Jede Maschine verrichtet letztlich mechanische Arbeit. Energie in jeder Form – elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch – muss von einem Stellglied wieder in mechanische Energie umgewandelt werden, bevor die Last bewegt werden kann. Jedes Verfahren weist Vor- und Nachteile auf, und viele Maschinen kombinieren zwei oder mehr Verfahren.

Abbildung 1-17: Hydraulische Übertragung transportiert Energie als unter Druck stehende Flüssigkeit. Der Zylinder oder Motor am Ende wandelt sie wieder in mechanische Kraft um.

Systemverlust

In jedem realen Übertragungssystem wird ein Teil der Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt, bevor sie die Last erreicht. Die nutzbare Energie (kinetische Energie unter Druck) wirkt auf die Oberflächen in Rohren und Ventilen und erzeugt dabei Widerstand und Wärme. Dieser Verlust zeigt sich als Druckabfall von der Quelle bis zur Last. Die Energie bleibt erhalten – sie wechselt lediglich ihre Form, wodurch das System weniger effizient wird.