Experiment & Erklärung für Eltern

Wie tauscht Hydraulik Kraft gegen Weg?

Baue eine Hebebühne, verbinde die Pumpe und hebe ein Auto. Tausche danach ein Bauteil und beobachte, was sich verändert.

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In dieser Werkstatt kannst du selbst bauen

Die Pumpe setzt die eingeschlossene Flüssigkeit unter Druck. Dieser Druck wirkt auf den Hubkolben. Eine größere Kolbenfläche liefert bei gleichem Druck mehr Kraft. Gleichzeitig braucht sie für denselben Hub mehr Flüssigkeit. Der Gewinn an Kraft wird mit mehr Pumpweg bezahlt.

Folge den drei Schritten im Baukasten: Bühne bauen, Pumpe verbinden und pumpen. Weitere Maschinen findest du darunter.

Vier Forschungsaufträge

1 · Auto heben

Hebe das 900-kg-Auto mindestens 8 cm mit einer Hebebühne.

Baue die Hebebühne und verbinde die Pumpe. Die vorbereiteten Teile passen bereits zum Auto.
Starte „15 Hübe testen“ oder pumpe einzeln. Lies die Hubhöhe ab.
Erreiche mindestens 8 cm. Tausche danach nur Pumpe oder Hubkolben und vergleiche.

Eine kleine Pumpfläche kann über den Flüssigkeitsdruck eine größere Hubfläche antreiben. Du gewinnst Kraft und brauchst dafür mehr Pumpweg.

2 · Kraft & Weg

Vergrößere nur Hubkolben A: Vergleiche Kraft und Höhe bei gleich vielen Hüben.

Teste den vorbereiteten Aufbau mit 15 Hüben und drücke „Merken A“.
Vergrößere nur Hubkolben A. Lass Last, Pumpe, Pumpweg und Kraftgrenze gleich.
Teste wieder mit 15 Hüben. Vergleiche benötigte Kraft und erreichte Höhe.

Eine größere Kolbenfläche braucht für dieselbe Last weniger Druck und Pumpkraft. Dieselbe Flüssigkeitsmenge hebt den größeren Kolben aber weniger weit.

3 · Zwei Kolben

Baue zwei angeschlossene Bühnen und hebe zuerst nur Kolben A.

Verbinde die vorbereiteten zwei Bühnen mit der Pumpe.
Schließe Ventil B; lasse Ventil A offen. Pumpe und beobachte beide Höhen.
Prüfe: A ist angehoben, B bleibt unten. Öffne anschließend B und schließe A.

Ein geschlossenes Zweigventil sperrt den Flüssigkeitsweg und hält die Höhe. Bei zwei offenen Zweigen entscheidet, welcher Zylinder weniger Druck braucht.

4 · Schwere Last

Hebe den 1.400-kg-Transporter mindestens 2 cm mit höchstens 500 N Pumpkraft.

Prüfe Last 1.400 kg und die Kraftgrenze von höchstens 500 N.
Tausche einen Kolben: Eine kleinere Pumpe oder ein größerer Hubkolben kann die nötige Handkraft senken.
Teste und lies die Hubhöhe der Last ab. Beim Kranarm unterscheiden sich Lastweg und Zylinderhub.

Kolbenflächen und Kranarm verändern Kraft und Weg gemeinsam. Ein langer Lastarm hebt weiter, braucht aber mehr Zylinderkraft. Die Maschine erzeugt keine zusätzliche Energie.

Selbst bauen und testen

Die Messwerte verstehen

Hubhöhe · cm

Wie weit die Last gestiegen ist. Beim Kranarm bewegt sich die Last anders weit als der Zylinder.

Druck · bar

Druck ist Kraft pro Fläche. Die Flüssigkeit überträgt ihn von der Pumpe zum angeschlossenen Hubkolben.

Benötigte Pumpkraft · N

Die nötige Handkraft für diese Last und diese Kolben. Die eingestellte maximale Kraft muss dafür ausreichen.

Pumpstöße

So oft wurde gepumpt. Auch ein erfolgloser Versuch zählt; dabei steigt die Last nicht.

So beginnt euer Kind

Beginnt mit den drei geführten Schritten: Hebebühne bauen, Pumpe verbinden, einmal pumpen. Die passenden Ausgangsteile sind bereits gewählt; dafür müsst ihr keine Größen oder Kräfte einstellen. Über die direkten Knöpfe könnt ihr Last, Hubkolben und Pumpe wechseln. Kranarm, zwei Bühnen und Feinregler bleiben zunächst eingeklappt. Tauscht nur den Hubzylinder: Braucht ihr weniger Kraft, dafür aber mehr Hübe? Bei zwei Bühnen lassen sich Zylinder und Lasten A und B getrennt auswählen. Mit den Zweigventilen könnt ihr eine Last halten, während ihr die andere bewegt. Die Kraftvorgabe ist eine Obergrenze und kein Befehl, diese Kraft immer vollständig aufzubringen. Im gelben Nallo-Band steht das Ziel des gewählten Auftrags; den nächsten Schritt zeigt die Bauwerkstatt. Unter „So funktioniert der Versuch“ findet ihr die Anleitung in drei Schritten. Nallo erklärt auf Nachfrage genau diesen Auftrag.

Kraft und Weg gehören zusammen

Die Kraft am Pumpkolben geteilt durch seine Fläche ergibt den möglichen Druck. Am Hubkolben wirkt der Druck auf dessen Fläche. Im idealen Fall ist das Kraftverhältnis gleich dem Flächenverhältnis. Doppelte Durchmesser bedeuten vierfache Flächen. Für eine bestimmte Hubhöhe muss die Pumpe das entsprechende Flüssigkeitsvolumen fördern.

Was machen die Ventile?

Rückschlagventile sorgen dafür, dass die Flüssigkeit beim Rückhub des Pumpkolbens nicht einfach zurückströmt. Der Vorratsbehälter liefert Flüssigkeit für den nächsten Hub. Das hier sichtbare Ablassventil öffnet einen Rückweg zum Behälter: Die Last sinkt und die Flüssigkeit fließt zurück. Eine gelöste Leitung überträgt keinen Pumpdruck zur Last.

Zwei Zylinder an einer Pumpe

Beide Zylinder werden an denselben Druckkreis angeschlossen. Sie bewegen sich nicht automatisch gleich: Entscheidend ist die nötige Kraft geteilt durch die jeweilige Kolbenfläche. Im quasistatischen Modell bewegt sich zuerst der Zweig mit dem kleineren erforderlichen Druck. Bei gleichem erforderlichem Druck wird die Fördermenge gleich aufgeteilt; identische Zylinder steigen dann gemeinsam. Erreicht ein Kolben seinen maximalen Hub, kann die übrige Fördermenge den anderen antreiben, sofern die Pumpkraft reicht.

Ein Kranarm als zweiter Bauweg

Der ideale Kranarm ergänzt den Hydraulikzylinder um einen Hebel. Das Wegverhältnis ist die Länge des Lastarms geteilt durch die Länge des Zylinderarms. Ein Verhältnis von zwei hebt die Last beim gleichen Zylinderhub doppelt so weit; der Zylinder muss dafür die doppelte Lastkraft liefern. Die Energie bleibt erhalten. Das Bild zeigt eine idealisierte Hebelübertragung mit beweglicher Auflage; Gelenkgeometrie und seitliche Kräfte werden nicht gesondert berechnet. Der Zahlenwert Zylinderhub unterscheidet sich deshalb vom Hub der Last.

Zwei Bühnen selbst steuern

Jeder Zweig besitzt ein eigenes Absperrventil. Ein geschlossener Zweig nimmt kein neues Pumpvolumen auf und hält seine Höhe. Auch beim gemeinsamen Ablassen sinken nur offene Zweige. Versucht, zunächst eine Last und dann die andere anzuheben. Bei offenen Ventilen entscheidet wie bisher das erforderliche Verhältnis aus Lastkraft und Kolbenfläche, wohin das Volumen fließt.

Fair vergleichen

Merkt einen Versuch mit dem kleinen Auto und verändert nur den Durchmesser des Hubkolbens. Vergleicht bei denselben 15 Pumpstößen die erreichte Höhe und die benötigte Pumpkraft. Fragt vorab: Was wird leichter und was braucht länger? Die Kraftvorgabe ist die maximal verfügbare Kraft am Pumpkolben; die tatsächlich nötige Kraft wird separat angezeigt.

Gemeinsam ohne Bildschirm

Mit zwei nadellosen, dicht verbundenen Kunststoffspritzen und Wasser kann ein Erwachsener das Prinzip vorsichtig zeigen. Unterschiedliche Spritzengrößen machen den Zusammenhang zwischen Kraft und Weg sichtbar. Nur kleine Handkräfte verwenden und keine Personen oder schweren Gegenstände anheben.

Modell und Grenzen

Das Lab berechnet Kolbenflächen, Druck, gefördertes Volumen und Arbeit. Der Pumpweg ist zwischen 5 und 25 cm wählbar. Es modelliert langsame, quasistatische Bewegung mit einer begrenzten Pumpkraft, vereinfachter Dichtungsreibung und Pumpverlusten. Es zeigt keine schnelle Flüssigkeitsströmung, elastischen Leitungen, Leckagen oder Luftblasen. Der Druckmesser zeigt den aktiven Druck des Pumpkreises. Bei blockierter Last ist er durch die verfügbare Pumpkraft und den Pumpwirkungsgrad begrenzt. Die Zahl der Pumpstöße zählt auch erfolglose Versuche. Getrennte Leitungen übertragen keinen neuen Pumpdruck; Rückschlagventile halten eine bereits gehobene Last im Modell fest. Das Absenken erfordert das Ablassventil. Die Autoansicht vergrößert den Hub zur besseren Erkennbarkeit; der Zahlenwert in Zentimetern ist maßgeblich. Keine Auslegung einer echten Hebebühne. Strömungsverluste zwischen parallelen Zweigen sowie Druckunterschiede durch unterschiedliche Einbauhöhen sind nicht enthalten. Der maximale Zylinderhub beträgt 32 cm; danach kann der Kolben nicht weiter steigen. Der Hebel kann den Lastweg darüber hinaus vergrößern. Die Energieanzeige zählt nur tatsächlich gefördertes Volumen und mechanische Arbeit.

So forscht ihr weiter

Schreibt eure Vermutung vor dem Start auf. Merkt einen abgeschlossenen Versuch als A. Verändert möglichst nur eine Sache und testet erneut. Das Ergebnis bewahrt die Vermutung und nennt die geänderten Teile. Wenn ein Auftrag gleiche Bedingungen verlangt, zeigt die Rückmeldung, welche Bedingungen ihr wiederherstellen solltet. Freies Bauen bleibt jederzeit möglich.