Come Calcolare la Forza di un Pistone Idraulico: Formula e Principi
In determinati lavori o ambiti professionali, è molto importante conoscere alcune specifiche del campo della fisica meccanica. In particolare, in questo articolo faremo riferimento al celebre pistone idraulico, anche definito come cilindro idraulico. Lo scopo è quello di spiegare, con l'uso di parole semplici e comprensibili ai più, come è possibile calcolare la potenza di un cilindro idraulico.
Struttura del Pistone Idraulico
Il pistone idraulico, o cilindro oleodinamico, è un componente fondamentale in molti sistemi che richiedono la generazione di una forza lineare. È composto da due parti principali: un cilindro e un pistone, quest'ultimo spesso chiamato "stelo". Il pistone è tipicamente costituito da un tubo, chiuso da due terminali: il fondello e la testata. Al suo interno scorre uno stelo. Molto frequentemente, il pistone è congiunto allo stelo tramite un collegamento a filetto. Per prevenire lo svitamento del pistone, i costruttori di cilindri hanno adottato diverse soluzioni empiriche.
Dobbiamo preliminarmente sottolineare che in effetti il pistone, nonché una componente di un aggeggio idraulico, è composto da un fluido ma si divide in due parti: da un lato abbiamo il cilindro, dall'altro un pistone propriamente detto, che invece di essere rettificato verso l'interno, come nel caso del cilindro, è rettificato verso l'esterno. Questa distinzione era necessaria per poter comprendere tutta la guida e in generale la potenza del pistone.
Principio di Funzionamento e Legge di Pascal
Il funzionamento del pistone idraulico si basa sul principio di Pascal, che afferma che la pressione esercitata su un punto di un fluido incomprimibile si trasmette inalterata in ogni altro punto del fluido. Questo principio è sfruttato nel torchio idraulico, un dispositivo che si comporta come un amplificatore di forza.
La legge di Pascal in tal senso è fondamentale: secondo questa importantissima spiegazione fisica, infatti, quando viene esercitata una qualsiasi pressione in un punto del fluido che si trova all'interno del pistone idraulico, la stessa pressione automaticamente verrà trasportata verso tutte le direzioni.
Il torchio idraulico è costituito da due superfici (o piatti) che fungono da stantuffi all'interno di un cilindro. Ogni cilindro possiede una superficie di appoggio diversa. Se applichiamo una forza alla superficie S1, la pressione si trasmetterà anche alla superficie S2, che subirà una forza F2.
Calcolo della Forza
La prima cosa da sapere è che la pressione di un cilindro idraulico è direttamente proporzionale alla sua portata. Per quanto riguarda invece la forza, si deve sapere che questa corrisponde invece ad una semplice moltiplicazione. Basterà infatti ottenere il prodotto della pressione, di cui abbiamo precedentemente parlato in abbondanza, per il punto dell'area in cui questa pressione viene esercitata.
Per scegliere il pistone idraulico più adatto alle proprie esigenze, è necessario valutare il valore dell'alesaggio, poiché è questo valore che determina la "forza" del cilindro oleodinamico. Pertanto ogni cilindro possiede una superficie di appoggio diversa.
Fluidi Idraulici
I fluidi idraulici presenti sul mercato possono essere raggruppati, in generale, in tre grandi gruppi:
- Fluidi sintetici a base d'acqua che sono resistenti alle infiammazioni. A loro volta, sono suddivisi in due tipi:
- Emulsioni di acqua e olio: in questo tipo di fluidi, oltre all'olio base minerale emulsionabile, vengono utilizzati additivi che gli conferiscono proprietà antiossidanti, antiusura, ecc.
- Soluzioni acqua-glicole: miscele di glicole al 40% e acqua al 60%, più additivi speciali.
- Fluidi sintetici non acquosi: composti organici sintetici (esteri fosfatici semplici o clorurati, idrocarburi clorurati ed esteri di silicato). Sono costosi, ma hanno un punto di infiammabilità molto alto.
Esempio di Calcolo: Sollevatore Idraulico
Un sollevatore idraulico (o cric idraulico) è costituito da due pistoni, uno con area di appoggio pari a 10 cm² e l'altro con una superficie maggiore. In un sollevatore idraulico, la superficie del pistone più piccolo è ⅒ di quella del pistone più grande.
Calcolo del Numero di Pompate
Consideriamo un cilindro (corsa H=50 mm) azionato con una pompa a mano, con una corsa a vuoto L = 30 mm. Vogliamo calcolare quante pompate occorrono per ottenere l’estensione completa del cilindro.
Supponendo che A = 132,7 cm², per la corsa a vuoto vale:
S BP (mm) =[V BP (cm³).10] : A (cm²)
Con una portata ad ogni corsa della pompa: V BP = 32cm³
S BP = (32.10) : 132,7 mm = 2,4 mm
Numero pompate per la corsa a vuoto: si divide la corsa a vuoto per la corsa ad ogni pompata:
PB BP = L (mm) : S BP (mm) = 30 : 2,4 = 13 pompate
Per la corsa sotto carico:
S AP (mm) =é V AP (cm³).10] : A (cm²)
Con una portata ad ogni corsa della pompa: V AP = 3 cm³
S AP =(3.10) : 132,7 mm = 0,23 mm
Numero delle pompate per la corsa sotto carico: si divide la corsa residua per la corsa compiuta ad ogni pompata:
PB A = [H(mm) - L(mm)] : S AP(mm)= [50-30] : 0,2 =87 pompate
Risultato: In totale = PB BP + PB AP = 13 + 87 = 100 pompate.
Velocità di Estensione
La velocità di estensione di un cilindro idraulico azionato con una pompa elettrica dipende dall'area del pistone nel cilindro e dalla portata dell'elettropompa. Per le pompe bistadio, si deve considerare la portata a bassa pressione (Q BP) per il movimento del cilindro senza carico e la portata ad alta pressione (Q AP) per gli spostamenti sotto carico.
La formula per calcolare la velocità è:
v(mm/s) = [Q(l / min).166,67] : A (cm²)
Dove:
- v = velocità del cilindro in mm/s
- Q = portata della pompa in l/min
- A = area del pistone nel cilindro in cm²
Esempio: Con quale velocità si estende un cilindro azionato da pompa elettrica?
Tabella Riepilogativa Calcolo Pompate
| Fase | Formula | Valori | Risultato |
|---|---|---|---|
| Corsa a vuoto | S BP (mm) =[V BP (cm³).10] : A (cm²) | V BP = 32cm³, A = 132,7 cm² | S BP = 2,4 mm |
| Numero pompate corsa a vuoto | PB BP = L (mm) : S BP (mm) | L = 30 mm, S BP = 2,4 mm | PB BP = 13 pompate |
| Corsa sotto carico | S AP (mm) = [V AP (cm³).10] : A (cm²) | V AP = 3 cm³, A = 132,7 cm² | S AP = 0,23 mm |
| Numero pompate corsa sotto carico | PB A = [H(mm) - L(mm)] : S AP(mm) | H = 50 mm, L = 30 mm, S AP = 0,23 mm (approssimato a 0,2) | PB A = 87 pompate |
| Totale pompate | PB BP + PB AP | PB BP = 13, PB AP = 87 | 100 pompate |
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