בוכנה הידראולית

בוכנה הידראולית היא מכשיר הממיר אנרגיה האצורה בנוזל דחוס לאנרגיית תנועה ליניארית (קווית). הבוכנה ההידראולית מורכבת מגליל ובתוכו מוט בוכנה הנע באמצעות לחץ של נוזל. בוכנה הידראולית היא התקן המשתמש בלחץ של נוזל, ברוב המקרים שמן, על מנת לדחוף גליל שמבצע עבודה מכנית. משאבת שמן מזרימה שמן בלחץ אל הבוכנה. כתוצאה מלחץ השמן, מוט הבוכנה שבגליל נע קדימה או אחורה. רצוי לנקז אוויר במערכת, על מנת לדחוס את הגזים שבאוויר, אוויר הכלוא בשמן ולא נוקז עשוי לגרום לתופעה הנקראת קוויטציה. יש בוכנות המקבלות את אספקת השמן ממשאבה ממונעת ויש בוכנות המקבלות את אספקת השמן שלהן ממשאבה ידנית (מגבה של רכב- ג'ק, לדוגמה). משאבה ידנית מסתמכת על חוק פסקל שקובע שלחץ הנוזל שווה בכל חלקיקי הנוזל. כוח המופעל על בוכנה קטנה (1) מתורגם לתנועת נוזל בגליל הצר (3), במכל (5), בגליל הרחב (4) ולתנועת הבוכנה הגדולה (2). הבוכנה הקטנה מניעה כמות קטנה של נוזל בעזרת שטח קטן של הבוכנה. כמות הנוזל הזו, מתחלקת על פני שטח גדול יותר בבוכנה הגדולה - שתנוע לאט יותר אך בעוצמה רבה יותר. נוצרת כאן הכפלת כוח, אך לגובה קטן. אם שטח הגליל הקטן הוא A ושטח הגליל הגדול הוא S, אזי מחוק פסקל והגדרת הלחץ נובע ש   F S / S = P = F A / A {\displaystyle \ F_{S}/S=P=F_{A}/A} או   F S = ( S A ) F A   {\displaystyle \ F_{S}=\left({\frac {S}{A}}\right)F_{A}\ } הנאמר לעיל לא סותר את חוק שימור האנרגיה שכן אם דחפנו את הבוכנה הקטנה מרחק h אזי סך הכול הזזנו נפח של   V = h A {\displaystyle \ V=hA} ומאחר שהנוזל (לפי ההנחה) איננו דחיס, הבוכנה העליון תעלה מרחק H כך שהנפח מתחתיה יהיה   V = H S {\displaystyle \ V=HS} . מכאן נובע ש   H = h ( A / S ) {\displaystyle \ H=h(A/S)} ולכן   W S = F S H = ( F A S A ) ( h A S ) = F A h = W A {\displaystyle \ W_{S}=F_{S}H=\left(F_{A}{\frac {S}{A}}\right)\left(h{\frac {A}{S}}\right)=F_{A}h=W_{A}} כלומר, העבודה שמבצעת הבוכנה שווה לעבודה שהושקעה עליה. קוטר הבוכנה הקטנה הוא 4 סנטימטר, המשקל המופעל עליה הוא קילוגרם (קג"כ) אחד, והיא נדחפה 20 סנטימטר כלפי מטה. קוטר הבוכנה הגדולה הוא 8 סנטימטר. חישוב: שטח הבוכנה הקטנה הוא: סמ"ר 12.56=2²×π. שטח הבוכנה הגדולה הוא: סמ"ר 50.24 =4²×π .היחס בין הבוכנות הוא 50.24/12.56, כלומר: 4. ולכן, הכוח יוכפל פי 4, ויהיה אפשרי להרים בעזרתה 4 קילוגרם. אבל, הבוכנה הקטנה דחפה 12.56×20 סמ"ק, כלומר: 251.2 סמ"ק. זה יתבטא בבוכנה הגדולה בעליה של 251.2/50.24 סנטימטר, כלומר, עליה של 5 סנטימטר. לסיכום, הכלל הוא: הכוח יוכפל כמו היחס בין רדיוס הבוכנות בחזקת 2. והבוכנה השנייה תעלה כמה שירדה הבוכנה הראשונה חלקי יחס זה (אם היחס בין רדיוס הבוכנות בחזקת 2, הוא 4 במקרה זה: 4= 4²/2², אז הבוכנה תעלה בפי 4 כוח, אך רק ברבע מהגובה). בוכנה חד כיוונית - בוכנה שהמוט שלה נע בכיוון אחד תחת לחץ נוזל. תנועה בכיוון השני מבוצעת לא תחת לחץ נוזל שמופעל ממשאבה אלא נגרמת עקב הלחץ שמפעיל עומס על מוט הבוכנה (למשל בוכנה מרימה משקל תחת לחץ נוזל שמסופק על ידי משאבה, ומורידה את המשקל כאשר פותחים שסתום ואז המשקל בקצה המוט גורם לנוזל לזרום דרך השסתום שנפתח ולמוט הבוכנה לרדת) או שתנועת המוט מתבצעת בעזרת קפיץ מחזיר. בוכנה דו כיוונית - בוכנה שמבצעת תנועה בשני הכיוונים תחת לחץ הנוזל. בוכנה טלסקופית - בוכנה מורכבת ממספר שלבים הנפתחים או נסגרים אחד לתוך השני. בוכנה טלסקופית מאפשרת מהלך בוכנה גדול יחסית ביחס למידות אורך הבוכנה במצב סגור. דוגמאות למכונות המשתמשות בבוכנות הידראוליות: נפח חלל-2 וחלל-4 אינם זהים גם אם הבוכנה בדיוק במחצית תנועתה, כי מוט הבוכנה מקטין במעט את נפח החלל ואת שטח הבוכנה. לדבר זה יש השפעה על מהירות סגירת הבוכנה, שגבוהה ממהירות פתיחתה. מכיוון שהמשאבה מזרימה כמות שמן זהה בזמן נתון ועקב כך מהירות מילוי החלל גבוהה יותר. לדבר זה אין חשיבות רבה כאשר מדובר על צמ"ה, כי אין הבדל, מבחינה מעשית, אם הבוכנה תיסגר קצת יותר מהר. אך בהיגוי של מכונית, אם ישתמשו בבוכנה כזו לשם הזזת זרועות ההיגוי, תגרם תופעה שנקראת היגוי לא סימטרי, כי לצד אחד, יסתובבו הגלגלים מהר יותר. כדי להתגבר על בעיה זו משתמשים בבוכנה לכל צד של ההיגוי, כך שהבוכנות מאזנות אחת את השנייה. דרך נוספת להתגבר על הבעיה תיעשה בעזרת בוכנה הידראולית מיוחדת, בה יש גליל משני צידי הבוכנה, כך ששטח הבוכנה זהה משני צידיה. במקרה זה יחברו כל גליל לזרוע היגוי אחרת. הידרודינמיקה איך עובדות מכונות הידראוליות