Prima di parlare della trasmissione di energia attraverso i liquidi, dobbiamo comprendere alcune proprietà dei liquidi e il modo in cui la forza viene trasmessa attraverso di essi. Questo ci aiuterà a capire perché i sistemi idraulici funzionano nel modo in cui lo fanno.

In acqua fredda

Un fluido è qualsiasi sostanza che non ha una forma fissa. I fluidi comprendono sia i liquidi che i gas.

Liquido

Un liquido, come un gas, è costituito da molecole. Tuttavia, a differenza di un gas, le molecole di un liquido sono attratte l’una verso l’altra in modo ravvicinato — ma non così strettamente da essere bloccate in posizioni fisse, come avviene nei solidi. È per questo motivo che un liquido scorre liberamente e assume la forma del recipiente che lo contiene.

Figura 2-1 Le molecole di un liquido (in basso) sono impacchettate strettamente e in costante movimento, mentre le molecole di un gas (in alto) sono molto distanziate.

Energia cinetica molecolare

Le molecole all’interno di un liquido sono sempre in movimento — anche quando il liquido appare perfettamente immobile. Esse scivolano e si muovono continuamente l’una accanto all’altra. Questo movimento molecolare è chiamato energia interna del liquido.

I liquidi assumono la forma del recipiente che li contiene

A causa di questo scorrimento molecolare costante, un liquido fluisce e riempie qualsiasi recipiente che lo contenga. Che ve ne sia una grande quantità o una piccola, esso occupa comunque sempre la forma del recipiente. Questa proprietà è strettamente legata alla viscosità, trattata nei capitoli successivi.

I liquidi sono relativamente incomprimibili

Poiché le molecole di un liquido sono impacchettate strettamente, i liquidi si comportano come i solidi in un aspetto fondamentale: sono relativamente incomprimibili — non possono essere compressi in un volume significativamente più piccolo.

Questo è il motivo per cui i tuffatori entrano in acqua con i piedi o con le mani (il "tuffo a coltello") anziché con il ventre. L'acqua non riesce a spostarsi abbastanza velocemente quando viene colpita da una grande superficie piana, e l'impatto è simile a quello contro un corpo solido. I piedi o le mani dividono l'acqua con una superficie ridotta, e tale ridotta superficie comporta una forza d'impatto molto minore.

Poiché un liquido è relativamente incomprimibile e assume la forma di qualsiasi contenitore, esso presenta un vero vantaggio nella trasmissione della forza.

Trasmissione della forza

I quattro metodi di trasmissione dell'energia (meccanico, elettrico, idraulico e pneumatico) possono tutti trasmettere sia forze statiche (energia potenziale) sia forze dinamiche (energia cinetica). Quando una forza statica viene trasmessa attraverso un liquido, accade qualcosa di particolare.

Forza trasmessa attraverso un liquido

A differenza della forza applicata su un solido, la forza applicata a un liquido confinato viene trasmessa in tutto il liquido sotto forma di pressione — e la pressione è uguale in ogni punto del liquido.

Se spingiamo su un pistone mobile posizionato sulla sommità di un contenitore pieno di liquido, la forza che applichiamo genera una pressione, la quale si trasmette in modo uniforme in tutte le direzioni attraverso il liquido.

Indipendentemente da come la pressione è stata generata — mediante un pistone, una mano, la gravità, una molla, aria compressa o qualsiasi combinazione di questi fattori — una volta all'interno di un liquido confinato, la forza si converte in pressione e si trasmette uniformemente in tutto il volume.

Poiché un liquido assume la forma del recipiente che lo contiene, la pressione può essere trasmessa indipendentemente dalla forma del contenitore.

Figura 2-4: La forza applicata sul pistone diventa pressione nel liquido. Tale pressione si diffonde uniformemente in tutte le direzioni — questo è il principio fondamentale dell'idraulica.

Legge di Pascal

La proprietà di un liquido di trasmettere la pressione uniformemente in tutte le direzioni è chiamata Legge di Pascal, dal nome del suo scopritore Blaise Pascal.

La formulazione matematica della Legge di Pascal è identica alla formula della pressione introdotta nel Capitolo 1:

Manometri

Un manometro misura la pressione esercitata su un liquido nel sistema. I due tipi più comuni nei sistemi idraulici sono il manometro a tubo di Bourdon e il manometro a pistone.

Manometro a tubo di Bourdon

Un manometro a tubo di Bourdon è composto da un quadrante e da un indice. L'indice è collegato a un tubo metallico curvo e flessibile, detto tubo di Bourdon. La pressione del sistema entra nel tubo attraverso l'ingresso. La scala è solitamente graduata in psi, bar o Pa.

Funzionamento del tubo di Bourdon

Man mano che la pressione del sistema aumenta, la differenza di superficie tra l'interno e l'esterno del tubo curvo tende a raddrizzarlo. Questo movimento di raddrizzamento aziona l'indicatore sul quadrante per indicare la pressione. I manometri a tubo di Bourdon sono strumenti di precisione con un'accuratezza compresa tra lo 0,1% e il 3,0% della scala piena; vengono utilizzati nei laboratori o in qualsiasi applicazione in cui l'accuratezza della misurazione della pressione sia fondamentale.

Manometro a pistone

Un manometro a pistone è costituito da un pistone, una molla di bilanciamento, un indicatore e una scala. La pressione del sistema agisce sulla faccia del pistone, spingendolo contro la molla. Il movimento del pistone aziona l'indicatore sul quadrante. La scala è tarata in psi (bar). I manometri a pistone sono robusti ed economici: una scelta comune per il monitoraggio quotidiano dei sistemi.

Figura 2-6 Manometro a pistone: la pressione del sistema spinge il pistone contro una molla. Lo spostamento del pistone muove l'indicatore.

Conversione della pressione in forza meccanica

Trasmettere la pressione attraverso un liquido sigillato è utile solo se la pressione può essere nuovamente convertita in forza meccanica in qualche punto. Questo è il compito dell’attuatore (elemento di esecuzione): riceve la pressione idraulica e la converte in forza meccanica.

Un cilindro idraulico è un tipo di attuatore.

Cilindro idraulico

Un cilindro idraulico riceve la pressione idraulica e la converte in forza meccanica lineare (rettilinea). Mediante opportuni collegamenti meccanici, tale forza può essere anche convertita in moto rotatorio.

Costruzione del cilindro

Le parti fondamentali di un cilindro sono: il corpo (tubo), i tappi di chiusura, il pistone, la stelo del pistone e i raccordi di ingresso/uscita. Ogni estremità è dotata di un tappo di chiusura. Il pistone può scorrere all’interno del corpo. Lo stelo è collegato al pistone. I raccordi di ingresso e uscita, posti alle due estremità del corpo, consentono l’afflusso e il deflusso dell’olio operativo.

Figura 2-8 Sezione trasversale di un cilindro idraulico. L’olio entra da un raccordo, spinge il pistone e lo stelo si estende. L’olio che esce dall’altro raccordo ritorna nel serbatoio.

Funzionamento di un cilindro

Quando la porta di ingresso del cilindro è collegata al sistema, il cilindro diventa parte del sistema. La pressione dal punto A si trasmette attraverso il sistema fino al pistone all'interno del cilindro. Tale pressione, agendo sulla superficie del pistone, genera una forza meccanica nel punto B — all'estremità della barra.

Applicando pressione

Quando la pressione viene trasmessa attraverso un liquido sigillato, una parte mobile ne genera la pressione. In tutti gli esempi finora analizzati, la parte mobile è un pistone. Dividendo la forza per la superficie del pistone si ottiene la pressione nel sistema (P = F/A).

Moltiplicazione della forza meccanica

L'idraulica può amplificare (moltiplicare) la forza meccanica. Il fattore di moltiplicazione dipende dalla superficie del pistone del cilindro idraulico (in² o cm²). Poiché la pressione si trasmette in modo uniforme attraverso un liquido sigillato, se la superficie del pistone del cilindro di uscita è maggiore rispetto a quella del pistone di ingresso, la forza in uscita risulta superiore alla forza in ingresso.

Esempio: una forza di 5.000 libbre (22.200 N) agisce su un pistone con superficie pari a 10 in² (64,52 cm²), generando una pressione pari a:

Lo stesso valore di pressione pari a 500 psi agisce su un pistone di uscita di 15 in² (96,78 cm²):

Figura 2-9 Moltiplicazione meccanica della forza. La stessa pressione agisce su entrambi i pistoni, ma il pistone più grande genera una forza maggiore. F = P × A.

Moltiplicatore di pressione

Un moltiplicatore di pressione (detto anche booster) può amplificare la pressione idraulica. Esso utilizza due pistoni collegati da una sola asta all’interno di un’unica carcassa dotata di porti di ingresso, uscita e scarico. Il pistone grande rileva la pressione del sistema; la forza da esso generata viene trasmessa al pistone piccolo, che produce una pressione di uscita superiore poiché la sua superficie è minore.

Funzionamento di un moltiplicatore di pressione

Il pistone grande rileva la pressione del sistema e trasmette tale forza attraverso la barra al pistone piccolo. Poiché il pistone piccolo ha un'area minore, la pressione in uscita all'estremità del pistone piccolo è più elevata: la pressione viene intensificata.

Esempio: una forza di 5.000 lbs (22.200 N) agisce sul pistone grande (area: 15 in² / 96,78 cm²). Pressione = 333 psi (22,9 bar). Tale forza viene trasmessa al pistone piccolo (area: 0,76 cm²). Pressione in uscita = 5.000 lbs / 0,76 cm² × (1/10.000) = 2.000 psi (137,9 bar). Forza in uscita = 30.000 lbs (133.200 N).

Un utilizzo comune degli intensificatori di pressione è nei dispositivi di serraggio.

Figura 2-11 Intensificatore di pressione. Il pistone grande trasferisce la propria forza al pistone piccolo, il quale ha un'area molto minore, generando così una pressione molto più elevata in uscita.

Trasmissione dell'energia idraulica

Lo scopo dell'uso dell'idraulica (o di qualsiasi altro metodo di trasmissione dell'energia) in una macchina è compiere un lavoro utile. Perché un cilindro possa compiere lavoro, deve applicare una forza sul carico e spostarlo su una certa distanza; pertanto, il sistema necessita di un componente in grado di utilizzare l'energia per fornire un flusso continuo di liquido.

Accumulatore idraulico

Tutto ciò che abbiamo esaminato finora per generare pressione in un liquido sigillato utilizza pistoni e cilindri. Il pistone applica la forza; il cilindro sigilla il liquido. Questo tipo di dispositivo è chiamato accumulatore.

Un accumulatore può immagazzinare l'energia potenziale di un liquido sotto pressione. Questa energia potenziale immagazzinata può essere convertita in energia di lavoro (flusso e pressione).

Esempio: un accumulatore da 500 psi (34,5 bar) fornisce la pressione necessaria per spingere un carico. Dei 500 psi immagazzinati, 400 psi (27,6 bar) vengono utilizzati per vincere la resistenza del carico, mentre la pressione residua si converte in flusso per spostare il carico.

Gli accumulatori presentano un limite: se il carico è molto elevato, potrebbe non esserci pressione sufficiente per superarlo, quindi non è possibile compiere alcun lavoro. Inoltre, una volta rilasciato completamente il liquido immagazzinato, non vi è più flusso.

Per applicare una pressione sufficiente a superare un carico e garantire continuamente il flusso, è necessario un dispositivo diverso: la pompa idraulica a spostamento positivo.

Figura 2-12 — Funzionamento dell’accumulatore. La pressione immagazzinata può spingere un carico, ma una volta esaurito il fluido, il flusso cessa: l’accumulatore non è in grado di sostenere da solo un lavoro continuo.

Pompa idraulica a spostamento positivo

Una pompa a spostamento positivo genera un flusso continuo di liquido mediante un movimento interno alternato o rotativo ripetuto. Fornisce sia energia cinetica (flusso) sia energia di pressione — l’energia operativa necessaria per compiere un lavoro idraulico continuo.

Pompa a pistoni alternativi

Una pompa a pistone alternativo ha un pistone collegato a un motore primo (motore a combustione o motore elettrico) tramite una manovella o un camme. L’ingresso e l’uscita sono dotati ciascuno di una valvola di ritegno a sfera. Quando il pistone viene estratto, il volume interno aumenta, la sfera di ingresso si apre e il liquido entra. Quando il pistone viene spinto verso l’interno, il volume diminuisce, la pressione aumenta, la sfera di ingresso si chiude e quella di uscita si apre, spingendo il liquido nel sistema. Il movimento continuo avanti e indietro genera un flusso pulsante; la pressione può raggiungere qualsiasi valore richiesto dal sistema.

Figura 2-13 – Pompa a pistone alternativo. Il pistone si muove avanti e indietro, aspirando olio attraverso la valvola di ritegno di ingresso e spingendolo fuori attraverso la valvola di ritegno di uscita.

Pompa rotativa a spostamento positivo

La pompa più comune nei sistemi idraulici industriali è la pompa rotativa a spostamento positivo. Essa genera un flusso relativamente uniforme e pressurizzato ed è facile da azionare con un motore elettrico o un motore a combustione. Ogni giro dell’elemento rotante sposta un volume fisso di liquido.

Costruzione della pompa rotativa

Una pompa rotativa è composta da un corpo e da un insieme rotante. Il corpo presenta un’apertura di ingresso e un’apertura di uscita. L’insieme rotante genera la portata e la pressione. Nell’esempio illustrato sono presenti un rotore e delle palette che possono scorrere liberamente all’interno delle scanalature del rotore.

Funzionamento di una pompa rotativa

L’insieme rotante è montato in posizione eccentrica (fuori centro) all’interno del corpo ed è collegato all’organo motore tramite l’albero di trasmissione — il rotore ruota. Durante la rotazione del rotore, la forza centrifuga spinge le palette verso l’esterno, facendole aderire alla parete interna del corpo e formando così camere sigillate. Sul lato di aspirazione il volume della camera aumenta, consentendo l’ingresso del liquido; sul lato di mandata il volume della camera diminuisce, determinando un aumento della pressione e la fuoriuscita del liquido dal sistema. La pompa genera una pressione pari esclusivamente alla minima resistenza presente nel sistema — né più né meno.

Figura 2-15: Pompa a palette rotative. Le palette, premute contro la parete interna del corpo, creano camere il cui volume aumenta (lato di aspirazione) e diminuisce (lato di mandata) durante la rotazione del rotore.

Resistenza e pressione

In un sistema idraulico, pressione e resistenza sono direttamente correlate. La pompa spinge il liquido nel sistema; il livello di pressione è determinato dal livello di resistenza. Resistenza elevata → pressione elevata; resistenza bassa → pressione bassa. La resistenza al flusso del fluido determina la quantità di pressione generata.

Resistenza sulla pompa

Una pompa incontra due tipi di resistenza: resistenza del carico e resistenza al flusso. Se si trascura la resistenza al flusso, l’unica resistenza presente è quella del carico. Se per superare la resistenza del carico sono necessari 200 psi (13,8 bar), la pompa genera 200 psi e trasferisce energia idraulica di lavoro all’attuatore, che quindi muove il carico.

La resistenza al flusso è sempre presente. Essa costringe la pompa a prelevare maggiore energia dall’organo motore e a generare una pressione più elevata per superarla.

Figura 2-16 Resistenza e pressione. La pressione della pompa aumenta per superare la resistenza totale cui è sottoposta — ovvero la somma della resistenza del carico e della resistenza al flusso (resistenza dovuta all’attrito).

Conversione aggiuntiva di energia

L'energia aggiuntiva fornita dalla pompa al liquido per superare la resistenza al flusso non viene convertita in utile energia idraulica di lavoro all'attuatore: essa viene dissipata a causa dell'attrito del flusso. Questa energia "dissipata" non va persa nel senso della conservazione dell'energia; viene invece convertita in calore, il quale innalza la temperatura del fluido. Questo calore rappresenta l'inefficienza del sistema.

Velocità e portata

In un sistema idraulico dinamico (in movimento), il liquido scorre attraverso i tubi con una certa velocità (rapporto tra spazio percorso e tempo impiegato). La velocità si misura in ft/s (piedi al secondo) o in m/s.

Il volume di liquido che passa attraverso un punto nell'unità di tempo è definito portata. Nei sistemi idraulici l'unità di misura è generalmente gpm (galloni statunitensi al minuto) o Lpm (litri al minuto).

Velocità e portata sono correlate: per riempire un contenitore da 5 galloni (18,95 L) in un minuto attraverso un tubo di grande diametro, il liquido deve scorrere alla velocità di 10 ft/s (3,04 m/s). Attraverso un tubo di diametro pari alla metà, il liquido deve scorrere a 20 ft/s (6,10 m/s) per erogare la stessa portata di 5 gpm. La portata rimane identica; la velocità è diversa.

Figura 2-17 Stessa portata, diversa velocità. In un tubo più piccolo, il fluido deve muoversi più velocemente per far passare lo stesso volume al minuto.

L’attrito genera calore

Il liquido che scorre attraverso i tubi idraulici genera calore a causa dell’attrito: maggiore è la velocità di scorrimento, maggiore è il calore prodotto. Nelle applicazioni industriali, la velocità raccomandata del fluido all’interno delle tubazioni tra pompa e attuatore è di 15 ft/s (4,572 m/s).

Le curve generano calore

Un liquido che scorre in un tubo rettilineo e raggiunge una curva deve cambiare direzione improvvisamente. Le molecole del fluido entrano in collisione tra loro e con la parete del tubo, generando ulteriore calore. A seconda del diametro del tubo, un singolo gomito a 90° può generare tanto calore quanto diversi piedi di tubo rettilineo.

Differenziale di pressione

Una differenza di pressione è la differenza di pressione tra due punti qualsiasi di un sistema. Una differenza di pressione indica due cose:

1. Indica che è presente energia idraulica di lavoro (liquido in pressione e in movimento) tra quei due punti.
2. Misura quanta energia idraulica viene convertita in calore tra questi due punti.

Esempio: il manometro 1 indica 200 psi (13,79 bar); il manometro 2 indica 180 psi (12,41 bar). La differenza è pari a 20 psi (1,38 bar). Ciò significa che:

3. Il liquido scorre dal manometro 1 verso il manometro 2.
4. un'energia idraulica pari a 20 psi è stata convertita in calore a causa dell'attrito del flusso tra i due manometri.

Figura 2-19: Differenza di pressione. La caduta di pressione di 20 psi su questo tratto di tubazione indica la presenza di flusso e quantifica l'energia idraulica persa per attrito sotto forma di calore.

Progettazione volta a ridurre il calore nei sistemi idraulici

La conversione di energia idraulica in calore significa che il sistema sta sprecando energia. Per migliorare l'efficienza, i progettisti devono scegliere la viscosità corretta dell'olio, dimensionare adeguatamente le tubazioni e ridurre al minimo il numero di curve e raccordi. Tutte queste misure riducono la resistenza al flusso e quindi l'energia persa sotto forma di calore.

Figura 2-20: Generazione di calore in un circuito reale. Ogni tubo, raccordo, curva e valvola contribuisce alla caduta di pressione e alla perdita di energia.