Wie kann man das Prinzip einer hydraulischen Presse oder einer hydraulischen Hebebühne hautnah erfahren?
Eine sehr kostengünstige Lösung bietet der folgende Versuch. Die preiswerten Teile dafür stammen aus der Apotheke (Kunststoffspritzen) und dem Aquarienshop (Ventile, Hähne und Schläuche).
Aus einem Vorratsbehälter (V) wird der Arbeitsstoff (am besten Wasser) bezogen und mit jedem Spiel (Auf und Ab) des Pumpkolbens (P) in das System des Presskolbens (R) transferiert. Den Fluss des Arbeitsmediums regeln die Ventile (V1) und (V2). Auf deren Bedeutung wird noch eingegangen. Damit der Presskolben (R) auch wieder abgesenkt werden kann, ist das Handventil (V3) nötig, das den Rückfluss des Arbeitsmediums in den Vorratsbehälter erlaubt.
Die Funktion
Die Ventile V1 und V2 sind als Gummilippen ausgebildet. Ist der Druck auf der linken Seite größer, so ist die Druckkraft, welche bekanntlich senkrecht auf die beteiligten Flächen wirkt hier ebenfalls größer als von rechts her. Hierdurch wird bewirkt, dass sich die Lippen öffnen und Luft oder Wasser durchströmen kann. In der ersten Phase entsteht der Druckunterschied dafurch, dass der Pumpkolben P nach oben gezogen wird. Der Druck zwischen V1 und V2 sinkt etwas ab, dadurch öffnet V1, Flüssigkeit strömt aus dem Vorratsgefäß in den Punmpenzylinder. V2 bleibt während dieser Zeit geschlossen, weil die höhere Druckkraft von rechts die Lippen zusammenpresst.
Beim Senken des Pumpenkolbens P steigt der Druck zwischen V1 und V2. Die jetzt höhere Druckkraft presst die Lippen von V1 zusammen, was den Rückfluss des Arbeitsmediums in den Vorratstank verhindert. Übersteigt der Druck zwischen V1 und V2 den Wert, den der Presskolben R auf die Flüssigkeit ausübt, so öffnet V2, das Arbeitsmedium wird in den Presszylinder transportiert. V2 schließt in dem Moment wieder in dem die Kraft Fp auf den Pumpkolben den Wert unterschreitet, wie er durch das hydraulische Prinzip festgelegt ist.
Der Versuch
Die Versuchsanordnung, mit Teilen aus dem Aquarienshop und der Apotheke zusammengestellt, kann auch einfach nur mit Luft betrieben werden. Damit diese aus dem Vorratsbehälter (moderat aufgeblasener Luftballon) austreten kann muss das rechte Handventil von V3 geöffnet werden, also Hebel nach rechts. Wurde der Ballon zu fest aufgeblasen, strömt die Luft von selbst durch die Ventile und schiebt die Kolben vor sich her. Die T-Stücke, mit denen die Spritzen an das Schlauchsystem angeschlossen sind, wurden aus Messingrohr mit Hilfe des Lötkolbens selbst hergestellt, man kann sie aber auch im Aquarienhandel bekommen. Anstelle des Ventils V3 könnte man auch weniger komfortabel ein weiteres T-Stück und Schlauchklemmen verwenden. Die grüne Plastikspritze für den Pumpkolben hatte 17,5 mm Durchmesser bei 10 cm³ Nennvolumen, die große Spritze besaß einen Kolben mit 30 mm Durchmesser und hatte eine Nennvolumen von 50 cm³.
Die Querschnittsflächen berechnen sich zu 240 cm² und 707 cm², was ein Flächenverhältnis von ca 1 : 3 ergibt. Reibungskräfte, vor allem in der kleinen Spritze mit Kunststoffkolben vorhanden, nicht berücksichtigt, ist die Kraft auf den Presskolben R also ca. 3 mal so groß wie auf den Pumpkolben. Die Reibungskräfte auf den Pumpkolben konnten übrigens bei einem anderen Versuch mit einer geschliffenen Glasspritze wesentlich gesenkt werden.
Durch Heben und Senken des Pumpkolbens kann dann das oben bereits beschriebene Ventilspiel beobachtet werden. Bei Luft als Betriebsmedium ergibt sich ein beliebter Nebeneffekt. Weil Gase kompressibel sind kann man eine beträchtliche Menge Luft in den Presszylinder pumpen. Der Presskolben muss dazu natürlich am Zylinder fixiert werden, am besten so, dass er sich etwa in der unteren Hälfte des Zylinders befindet. Nach etwa 7 - 8 Pumpenhüben hat man so viel Luft im Presszylinder gesammelt, dass der Kolben dadurch komplett herausgedrückt würde. Der Druck wird noch weiter erhöht, was durch die Übersetzung der Kraftbeträge leicht möglich ist. Gibt man schließlich den Presskolben R frei, dann wird er etliche Meter durch die Luft geschleudert.
Energiebetrachtungen aus der Wurfhöhe wären denkbar, wurden aber noch nicht durchgeführt.