Il cilindro, come il motore idraulico, è un attuatore che converte energia idraulica in energia meccanica. A differenza del motore che ha un moto rotatorio e trasmette una coppia, il cilindro ha un moto rettilineo e trasmette una forza.

Tipi di Cilindri Idraulici

Esistono diverse tipologie di cilindri idraulici, ognuna progettata per specifiche applicazioni:

  • Cilindri a semplice effetto: L’olio in pressione entra in una sola camera e può quindi comandare movimenti solo in una direzione. Questo tipo di cilindro può effettuare solo un’azione di spinta e a seconda delle necessità, può essere dotato o meno di pistone di guida interno. Questo tipo di cilindro viene utilizzato quando l’esistenza di una forza di contrasto di direzione certa garantisce il movimento di rientro nella posizione iniziale.
  • Cilindri a doppio effetto: Il cilindro a doppio effetto possiede due superfici utili contrapposte di area uguale o diversa ed è munito di due attacchi di alimentazione, che in maniera alternativa funzionano uno da alimentazione vera e propria e l’altro da scarico.
  • Cilindri a doppio effetto differenziale: Il cilindro a doppio effetto differenziale possiede due superfici utili contrapposte di sezione diversa ed è munito di due attacchi di alimentazione. Il cilindro si dice differenziale perché le due sezioni utili sono diverse.
  • Cilindri a due steli: Il cilindro a due steli è ottenuto collegando al pistone due steli di diametro uguale o diverso, comunque inferiore a quello del pistone. Se i diametri dei due steli sono uguali, lo sono anche le aree anulari sui due lati del pistone, per cui a parità di pressione sono uguali le forze sviluppate nei due sensi.
  • Cilindri telescopici: Il cilindro telescopico si distingue dal cilindro normale perché a parità di corsa presenta una lunghezza in posizione rientrata nettamente inferiore. Grazie al rientro telescopico dei pistoni, l’ingombro è uguale alla corsa divisa per il numero di elementi più una quota morta (spessore del fondello, lunghezza della guida, elementi di fissaggio). Per una data corsa totale i cilindri telescopici possono essere costituiti a 2- 3-4-5 elementi a seconda dei limiti di ingombro prefissati. Per lo stesso motivo, per un valore prefissato di pressione e portata, il movimento di uscita di un cilindro telescopico, inizia con la massima forza e la minima velocità e si conclude con la minima forza e la massima velocità.

Costruzioni Particolari di Cilindri

Esistono una serie di costruzioni particolari di cilindri. Grazie a questa costruzione di ottiene, per un dato diametro del pistone e per una data pressione, il raddoppio della superficie utile e quindi della forza sviluppata. Questi cilindri trovano impiego soprattutto nella costruzione delle presse. Finché non è richiesta la forza massima di pressata, la pressione agisce su una sezione ridotta, corrispondete al cosiddetto pistone veloce o pistone di avvicinamento. Nel momento in cui è richiesta la forza massima, la pressione, per intervento di una valvola di sequenza o di un finecorsa va ad agire sulla sezione totale.

L’esecuzione costruttiva di un cilindro oleodinamico dipende innanzitutto dalla particolare applicazione alla quale è destinato: in funzione dell’impiego previsto, che può spaziare dalle macchine utensili alle macchine per movimento terra, dalle centrali elettriche agli impianti siderurgici e alle acciaierie, occorre valutare quali siano le caratteristiche costruttive più idonee.

  • Cilindri a tiranti: Nei cilindri a tiranti, la testata, il mantello cilindrico ed il fondello sono tenuti insieme da tiranti.
  • Cilindri a profilo circolare: Nei cilindri a profilo circolare, la testata, il corpo e il fondello sono congiunti strettamente tra di loro con viti o per saldatura o mediante anelli di bloccaggio.

Tutti i componenti sono dimensionati per garantire un elevato grado di sicurezza anche alla pressione massima.

I pistoni dei cilindri oleodinamici sono soggetti a carico di punta.

Il Principio di Pascal e il Torchio Idraulico

Il torchio idraulico è un dispositivo basato sul principio di Pascal che si comporta come un amplificatore di forza. Esso è costituito da due piatti o superfici posti come stantuffo sopra un cilindro. Pertanto ogni cilindro possiede una superficie di appoggio diversa. Per la legge di Pascal la pressione che si esercita su un punto di un liquido si trasmette pari in ogni altro punto. Se applichiamo una forza alla superficie S1 la pressione si trasmetterà anche alla superficie S2 che pertanto subirà una forza F2.

Un sollevatore idraulico (o cric idraulico) è costituito da due pistoni uno di area di appoggio pari a 10 cm2 e l'altro di superficie maggiore. In un sollevatore (o torchio) idraulico la superficie del pistone più piccolo è ⅒ di quella del pistone più grande.

Principio di Pascal: Enunciato

Il principio di Pascal fu enunciato dal fisico e matematico Blaise Pascal nel 1653.

Il principio di Pascal descrive la seguente proprietà dei fluidi: una variazione di pressione in un punto del fluido si trasmette a ogni altro punto e sulle pareti del suo contenitore.

Una variazione di pressione in qualsiasi punto di un fluido confinato si trasmette, invariata, a ogni punto del fluido.

Riempiamo un contenitore d'acqua e posizioniamo un pistone mobile sulla superficie. Premendo il pistone sulla superficie, la pressione aumenterà in ogni punto del fluido. Questo aumento potrebbe addirittura provocare la rottura delle pareti del contenitore! In altre parole, l'aumento di pressione non rimane confinato alla superficie a diretto contatto con il pistone.

Il principio di Pascal esprime una proprietà dei liquidi che viene utilizzata in diverse applicazioni, una di queste è il torchio idraulico.

Principio di Pascal e Torchio Idraulico

Il torchio idraulico (detto anche "leva idraulica") è un'applicazione del principio di Pascal che consente di sollevare grandi pesi con forze relativamente piccole ed è usato nelle officine per sollevare le automobili.

Il torchio idraulico è costituito da due cilindri collegati tra loro, C1 e C2, contenenti liquido e da due pistoni mobili.

La pressione esercitata dal pistone più piccolo attraverso la forza F1 si trasmette al pistone grande per il principio di Pascal. Chiamando \(S_1\) e \(S_2\), rispettivamente, le superfici dei cilindri C1 e C2, e uguagliando le due pressioni applicate sui due pistoni, \(P_1 = \frac{F_1}{S_1} \) e \(P_2= \frac{F_2}{S_2}\), si ottiene la condizione di equilibrio:\[ \frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2} \, ,\]da cui ricaviamo\[ F_2= F_1 \, \frac{S_2}{S_1} \, .\]La forza \(F_2\) trasmessa a C2 è quindi pari alla forza \(F_1\) applicata a C1 moltiplicata per il rapporto delle due aree. Pertanto, se \( S_1 < S_2\), si ha \( F_2 >F_1\). Per esempio, se \(S_2 = 10 \, S_1\), si ha \(F_2 = 10 \, F_1\) , ovvero, la forza trasmessa è 10 volte superiore alla forza applicata \(F_1\)!

Affinché il torchio idraulico funzioni, il liquido contenuto nel primo cilindro deve passare al secondo cilindro senza comprimersi. Il liquido contenuto nei cilindri deve quindi essere incomprimibile.

Principio di Pascal: Esercizi

Vediamo ora alcuni esercizi per capire meglio il funzionamento del torchio idraulico!

Esempio 1

Un torchio idraulico è costituito da due cilindri uno con area di appoggio di \(0{,}05 \, \mathrm{m}^2\) e l'altro con area maggiore. Se una forza applicata sul primo cilindro è di \(200 \, \mathrm{N}\) produce una forza di \(16 \,000 \, \mathrm{N}\) sul secondo, determina la superficie di appoggio del secondo cilindro.

Dalla relazione\[ \frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2} \, ,\]ricaviamo:\[ S_2 = S_1 \, \frac{F_2}{F_1} \, .\]Inserendo i dati otteniamo:\[ S_2 =( 0{,}05 \, \mathrm{m}^2) \frac{16000 \, \mathrm{N}}{200 \, \mathrm{N}} = 4 \, \mathrm{m}^2\]

Esempio 2

Supponiamo di avere un torchio idraulico costituito da un cilindro con superficie di appoggio di \(0{,}01 \, \mathrm{m}^2\) e da un secondo cilindro, più grande, con superficie di appoggio di \(2 \, \mathrm{m}^2\). Se dobbiamo sollevare un'auto di \(1500 \, \mathrm{kg}\), quale forza è necessario applicare al primo pistone?

Calcoliamo inannzitutto la forza \(F_2\). Poiché deve sollevare l'auto, deve essere almeno pari alla forza peso: \(F_2 = mg= 1500 \, \mathrm{kg} \, (9{,}81 \, \mathrm{m} \, \mathrm{s^{-2}}) = 14\,715 \, \mathrm{N} \)Scriviamo nuovamente la relazione\[ \frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2} \,.\]da cui possiamo calcolare la nostra incognita \(F_1\):\[ F_1= F_2\, \frac{S_1}{S_2} \, .\]Inserendo i dati otteniamo:\[ F_1 = 14\,715 \, \mathrm{N} \, \frac{0,01 \, \mathrm{m}^2}{2 \, \mathrm{m}^2} = 73{,}575 \, \mathrm{N} \]È necessario quindi applicare una forza di almeno \(73{,}575 \, \mathrm{N}\).

Tabella di Esempio: Calcolo della Forza in un Torchio Idraulico

Parametro Valore Unità di Misura
Superficie Pistone Piccolo (S1) 0.01 m²
Superficie Pistone Grande (S2) 2 m²
Forza Necessaria (F2) 14715 N
Forza Applicata (F1) 73.575 N

Calcoli di un Cilindro Idraulico

Esempio: Quante pompate occorrono per estendere tutto il cilindro

Un cilindro (corsa H=50 mm) viene azionato con una pompa a mano . Deve essere eseguita una corsa a vuoto L = 30 mm. Quante pompate occorrono per ottenere l’estensione completa del cilindro?

  • -> A = 132,7 cm² (come nell’esempio 1)

Per la corsa a vuoto valeS 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 mmNumero 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 pompatePer 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 mmNumero 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 pompateRisultato: In totale = PB BP + PB AP = 13 + 87 = 100 pompate.

Velocità d’Estensione

La velocità d’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 porre per il movimento del cilindro senza carico la porta-ta a bassa pressione Q BP e per gli spostamenti sotto carico invece la portata ad alta pressione Q AP .

Formula:v(mm/s) = [Q(l / min).166,67] : A (cm²)Dove:v= velocità del cilindro in mm / sQ= portata della pompa in l / minA= area del pistone nel cilindro in cm²Esempio: Con quale velocità si estende un cilindro azionato da pompa elettrica

Un cilindro viene azionato con una pompa elettrica .

L'Idraulica e le sue Applicazioni Pratiche

L’Idraulica è una branca dell’ingegneria che si occupa del controllo e della trasmissione delle forze e dei movimenti dei fluidi, come l’acqua e l’olio, attraverso sistemi di tubazioni, valvole e componenti idraulici. Questa disciplina è fondamentale perché è alla base di numerosi aspetti della nostra vita quotidiana e svolge un ruolo cruciale in settori come l’industria, l’edilizia e il trasporto.

Applicazioni pratiche dell’Idraulica:

  • Automobili: I sistemi idraulici sono ampiamente utilizzati nei veicoli, ad esempio per i freni idraulici che consentono di arrestare il veicolo in modo rapido ed efficace. Inoltre, i sistemi di sospensione idraulica migliorano il comfort di guida.
  • Impianti industriali: L’industria utilizza sistemi idraulici per il movimento di attrezzature pesanti, come macchine per la pressatura, presse idrauliche e gru. Questi sistemi consentono di applicare forza e movimento con precisione.
  • Edilizia: Gli impianti idraulici sono alla base delle reti di distribuzione dell’acqua nelle case e negli edifici. Questi sistemi forniscono acqua potabile, riscaldamento e raffreddamento, nonché il drenaggio delle acque reflue.
  • Settore agricolo: L’irrigazione agricola è un’applicazione chiave dell’Idraulica, dove l’acqua viene trasportata e distribuita attraverso sistemi di tubazioni e pompe per l’irrigazione dei campi.
  • Settore aerospaziale: Nell’industria aerospaziale, l’Idraulica è utilizzata per il funzionamento di sistemi di controllo del volo, carrelli di atterraggio retrattili e movimenti di parti mobili nelle navicelle spaziali.
  • Scavo e costruzione di tunnel: I sistemi idraulici vengono impiegati per alimentare macchine di scavo e perforazione nei progetti di costruzione di tunnel.
  • Macchine agricole e da cantiere: Bulldozer, escavatori, trattori e altre macchine pesanti spesso utilizzano sistemi idraulici per controllare i bracci, le pale e altre parti mobili.
  • Settore marittimo: Nelle imbarcazioni, gli impianti idraulici vengono impiegati per controllare gli stabilizzatori, i timoni e altre funzioni critiche.

In sintesi, l’Idraulica è una disciplina essenziale che gioca un ruolo cruciale in vari aspetti delle nostre vite, dall’automobile all’industria, dall’edilizia all’agricoltura e all’industria aerospaziale. Senza sistemi idraulici efficienti, molte delle comodità e delle tecnologie che diamo per scontate non sarebbero possibili. La comprensione e la gestione degli aspetti idraulici sono fondamentali per garantire che questi sistemi funzionino in modo sicuro ed efficiente.

Flusso dei Fluidi

Il flusso dei fluidi è il movimento di liquidi o gas in un sistema, che può essere descritto e analizzato attraverso una serie di concetti chiave:

  • Portata: La portata, indicata solitamente con il simbolo “Q,” rappresenta la quantità di fluido che attraversa una sezione di un condotto in un dato intervallo di tempo. Si misura in unità di volume al secondo (ad esempio, litri al secondo o cubi al metro al secondo).
  • Velocità: La velocità del fluido è la distanza percorsa dal fluido in un certo intervallo di tempo. Si misura in metri al secondo o altre unità di lunghezza per unità di tempo.
  • Viscosità: La viscosità è una proprietà del fluido che misura la sua resistenza al flusso. I fluidi viscosi sono spessi e offrono maggiore resistenza al movimento, mentre i fluidi meno viscosi scorrono più facilmente.

Equazione di Continuità

L’equazione di continuità è una legge fondamentale dell’Idraulica che descrive la conservazione della massa in un sistema idraulico. Essa afferma che la massa del fluido che entra in una sezione di un condotto deve essere uguale alla massa che esce dalla stessa sezione, assumendo che non ci siano perdite o accumuli di massa nel mezzo. L’equazione di continuità può essere espressa matematicamente come: A1V1=A2V2A1V1=A2V2 Dove: A1A1 e A2A2 rappresentano le aree trasversali del condotto nelle sezioni iniziali e finali. V1V1 e V2V2 rappresentano le velocità del fluido nelle stesse sezioni.

In parole povere, questa equazione ci dice che se l’area del condotto si restringe (come in un tubo con un diametro più piccolo), la velocità del fluido aumenterà per mantenere costante la portata (quantità di fluido che passa attraverso il tubo). Al contrario, se l’area si allarga, la velocità diminuirà.

Ciò implica che la conservazione della massa è sempre rispettata in un sistema idraulico, a meno che non ci siano perdite o guadagni di massa all’interno del sistema, il che può verificarsi in casi particolari come fuoriuscite o accumuli.

In breve, l’equazione di continuità è una fondamentale legge dell’Idraulica che ci aiuta a comprendere e analizzare il flusso dei fluidi nei sistemi idraulici e a garantire che la massa del fluido rimanga costante durante il suo spostamento attraverso i condotti.

Pressione nei Sistemi Idraulici

La pressione nei fluidi è una misura della forza esercitata da un fluido su una superficie. Essa si manifesta nei sistemi idraulici quando un fluido, come un liquido incompressibile (solitamente olio) o un gas, viene confinato in un contenitore o un sistema di tubi. La pressione si esprime in unità di forza per unità di area, come pascal (Pa), bar, psi (libbre per pollice quadrato), o atmosfere (atm). Nel contesto idraulico, la pressione è fondamentale per generare e trasmettere forza e movimento attraverso il fluido. Aumentando la pressione in un punto del sistema, si può generare una forza che agisce su un pistone o un altro dispositivo, consentendo di eseguire un lavoro utile.

Legge di Pascal

La legge di Pascal è un principio fondamentale dell’idraulica che afferma che “in un fluido in equilibrio, una variazione di pressione applicata in un punto si trasmette integralmente e uniformemente in tutte le direzioni.” In altre parole, quando si applica una forza o una pressione su un fluido in un punto di un sistema idraulico, questa pressione si trasmette senza attenuazione attraverso il fluido a tutte le altre parti del sistema. Questo principio consente di creare dispositivi idraulici come martinetti idraulici che amplificano la forza.

Ad esempio, consideriamo un martinetto idraulico composto da due cilindri collegati da un tubo, uno grande (cilindro di uscita) e uno piccolo (cilindro di ingresso). Se si applica una forza verso il basso sul pistone del cilindro di ingresso, la pressione aumenta nel fluido in quel cilindro. Poiché la legge di Pascal stabilisce che questa pressione si trasmetterà uniformemente attraverso il fluido, essa si rifletterà nel cilindro di uscita, generando una forza maggiore sulla superficie del pistone del cilindro di uscita.

In pratica, ciò significa che un piccolo sforzo applicato su un’estremità di un sistema idraulico può generare una forza molto maggiore dall’altra parte del sistema. Questa amplificazione della forza è ciò che rende i dispositivi idraulici, come i martinetti, estremamente utili in una varietà di applicazioni, come la sollevamento di carichi pesanti nei garage o nelle officine.

Differenza tra Flusso e Pressione

Il flusso e la pressione sono due concetti intimamente interconnessi nei sistemi idraulici. La relazione tra di essi è fondamentale per comprendere il comportamento dei fluidi all’interno di tali sistemi. Ecco come il flusso e la pressione sono correlati:

Legge di Bernoulli

La legge di Bernoulli è un principio fisico che descrive la relazione tra la pressione, la velocità e l’altezza di un fluido in movimento. Secondo questa legge, in un fluido ideale (non viscoso) in movimento lungo una tubazione, quando la velocità del fluido aumenta, la pressione diminuisce e viceversa. Questo significa che se si accelera il flusso di un fluido in un sistema idraulico, la pressione in quella parte del sistema diminuirà e viceversa.

Equazione di Continuità

Come descritto in precedenza, l’equazione di continuità afferma che la massa del fluido che entra in una sezione di un condotto deve essere uguale alla massa che esce dalla stessa sezione. Questo significa che se l’area del condotto si restringe (causando un aumento della velocità del fluido), la pressione diminuirà per mantenere costante la portata. Al contrario, se l’area si allarga (riducendo la velocità del fluido), la pressione aumenterà per mantenere costante la portata.

Dispositivi Idraulici

Nei dispositivi idraulici come martinetti e cilindri, una variazione della pressione nel fluido causa un movimento meccanico. Se si aumenta la pressione in un lato del dispositivo, si genera una forza che può spostare un pistone o un’altra componente. Questo movimento può essere utilizzato per sollevare carichi pesanti o compiere lavoro meccanico.

In sintesi, il flusso e la pressione sono interdipendenti nei sistemi idraulici, e le variazioni in uno di questi parametri influenzano l’altro. Questo è un principio fondamentale nell’ingegneria idraulica, e la comprensione di questa relazione è essenziale per il progetto, la manutenzione e l’ottimizzazione dei sistemi idraulici in vari settori, dall’industria all’edilizia e al trasporto.

Applicazioni Pratiche ed Esempi

  • Freni Idraulici in un’Auto: I freni idraulici in un’automobile sfruttano i principi di pressione e flusso idraulico. Quando il conducente preme il pedale del freno, viene aumentata la pressione del fluido all’interno del sistema idraulico dei freni. Questa pressione viene trasmessa attraverso il liquido nei tubi ai pistoni delle pinze dei freni. L’aumento della pressione del fluido spinge i pistoni contro le pastiglie dei freni, che a loro volta premono sulle superfici dei dischi dei freni, creando attrito e rallentando il veicolo.
  • Escavatori e Macchine da Cantiere: Escavatori, bulldozer e altre macchine da cantiere utilizzano sistemi idraulici per controllare i bracci, le lame e altre parti mobili. La pressione del fluido viene utilizzata per azionare i cilindri idraulici che muovono queste componenti pesanti con precisione.
  • Sollevamento di Carichi Pesanti con Martinetti Idraulici: I martinetti idraulici sono ampiamente utilizzati in officine meccaniche, garage e cantieri per sollevare carichi pesanti, come veicoli o strutture. L’aumento della pressione del fluido nel cilindro del martinetto causa l’espansione del pistone, consentendo di sollevare il carico con una forza considerevole.
  • Sistemi di Alimentazione Idraulica in Aerei: Negli aerei, i sistemi idraulici vengono utilizzati per controllare i flaps, i timoni, il carrello d’atterraggio e altre superfici mobili. La pressione del fluido viene utilizzata per azionare cilindri idraulici che regolano queste superfici e contribuiscono al controllo dell’aereo durante il volo e l’atterraggio.
  • Presse Idrauliche in Industria: Nell’industria manifatturiera, le presse idrauliche sono utilizzate per compiere una vasta gamma di operazioni, come la stampa di metalli o la formatura di materiali. La pressione del fluido è applicata per eseguire un lavoro meccanico con una forza considerevole.
  • Sistemi di Sollevamento in Ascensori: Gli ascensori moderni spesso utilizzano sistemi idraulici per il sollevamento. La pressione del fluido viene regolata per muovere l’ascensore su e giù in modo sicuro ed efficiente.
  • Impianti di Trattamento delle Acque: Negli impianti di trattamento delle acque, i sistemi idraulici vengono utilizzati per spostare l’acqua attraverso filtri, reattori e serbatoi. La pressione e il flusso vengono controllati per garantire che l’acqua venga trattata e distribuita in modo adeguato.

Questi sono solo alcuni esempi di come i principi di flusso e pressione nei sistemi idraulici vengono applicati in situazioni reali. Questi sistemi sono fondamentali in una vasta gamma di settori e applicazioni, contribuendo a eseguire una varietà di lavori meccanici complessi con efficienza e precisione.

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