Druck berechnen: potentielle Energie in der Hydraulik

Der Energieerhaltungssatz ist eines der grundlegendsten Theoreme in der Physik. Vereinfacht gesagt, stellt der Energieerhaltungssatz fest, dass Energie nicht verloren geht, sondern immer nur umgewandelt wird. Man unterscheidet dabei zwischen der gespeicherten "potentiellen Energie" und der freigesetzten "kinetischen Energie". Eine in einer bestimmten Höhe befindliche Last hat beispielsweise die potentielle Energie m·g·h. Das ist seine Masse, multipliziert mit der Erdbeschleunigung und der Höhe. Fällt diese Masse nun hinunter, setzt sie die Energie ½ m·v² in Form einer Bewegung frei.
Für andere physikalische Situationen wie Wärme- oder Lichtfreisetzung, Expansion einer Explosion oder Bewegung in hydraulischen Systemen gelten andere Formeln. Die grundlegende Annahme ist aber immer die gleiche: Die freigesetzte Energie entspricht in Summe immer der Energie, die vorher gespeichert wurde.

Was versteht man unter einer hydraulischen Druckenergie?

Hydraulische Druckenergie ist die potentielle, also gespeicherte Energie, die in einem hydraulischen System wirkt. Da Flüssigkeiten nicht kompressibel sind, ist es nicht möglich, die Energie im System selbst zu bevorraten. Der Druck in hydraulischen Anlagen wird deshalb immer von außen zugeführt. In der Regel ist das die Bewegungsenergie der Hydraulikpumpe. Für Notfall- und Backupmodule sind auch andere Druckspeicher verfügbar. Diese arbeiten mit Spiralfedern oder mit komprimierten Gasen.

Hydraulikdruck als potentielle Energie

Druck ist grundsätzlich eine Kraft, die auf eine Fläche wirkt. Die Formel heißt entsprechend
p = F/A
Druck = Kraft geteilt durch Fläche

Daraus folgt: Je kleiner die Fläche ist, desto größer wirkt der Druck. Um ein hydraulisches System auszulegen, sind daher zwei Kenngrößen wichtig:

  • Wie hoch steigt der Druck im System?
  • Für welche Drücke sind die Komponenten des Systems ausgelegt?

Der Druck in einem hydraulischen System richtet sich nach seinen Anforderungen. Üblicherweise wird die Hydraulik dort eingesetzt, wo hohe Kräfte erforderlich werden. Der Druck soll sich deshalb nur an den Stellen in Bewegungsenergie umwandeln, wo diese hohen Kräfte benötigt werden. Ein einfaches Beispiel ist der Tritt auf das Bremspedal. Die schwache Muskelkraft des Fahrers soll die an den Radbremszylindern befindlichen Bremsbeläge auch bei hohen Geschwindigkeiten zuverlässig gegen die Bremsscheibe pressen.

Berechnung der hydraulischen Energie mit der Gleichung von BERNOULLI

Für die Berechnung der hydraulischen Energie wird die Gleichung von BERNOULLI benötigt. In Summe besagt diese Formel, dass die Summe aus potentieller Energie, kinetischer Energie und dem herrschenden Druck in einem geschlossenen hydraulischen System immer gleich bleiben. Ganz korrekt ist das nicht, da beispielsweise die entstehende Abwärme als Energieverlust hier nicht berücksichtigt wird. Für die grundlegende Auslegung eines hydraulischen Systems reicht diese Formel jedoch aus.