Generalità

Il significato attribuito al termine idraulica, si riferisce principalmente alla trasmissione di forze ed alla realizzazione di movimenti mediante liquidi.
Lo sfruttamento della potenza idraulica avviene praticamente in ogni settore industriale: meccanico (macchine utensili), trasporto (aerei, missili, navi), ecc. In tutti i campi di applicazione, la trasmissione dell’energia idraulica avviene mediante oli (da cui il termine Oleodinamica), grazie alla grande versatilità posseduta dal fluido per trasmettere potenza e movimenti. Infatti un fluido è ottimamente deformabile e nello stesso tempo teoricamente incompressibile; può prontamente cambiare forma , essere distribuito in più parti per lavorare in punti diversi, trasmettere la sua forza in tutte le direzioni. Nessun altro mezzo riunisce lo stesso grado di sicurezza, precisione e flessibilità di controllo, con la capacità di trasmettere il massimo della potenza con un minimo di volume e di peso.

Pressione nei liquidi

La pressione costituisce una delle grandezze fondamentali dell’idraulica: è definita come la forza che agisce sull’unità di superficie:

ed espressa usualmente in Pa (Pa = N/m2). Tenendo presente che tutti i fluidi - in particolare i liquidi - hanno un proprio peso, ogni recipiente è soggetto a pressioni dovute al peso del liquido contenuto. Per spiegare quanto detto si consideri un recipiente cilindrico di sezione S, pieno di un liquido per un’altezza h. Sapendo che il peso P del liquido è il prodotto del volume di liquido per il suo peso specifico g e che il volume V è il prodotto della superficie di base S per l'altezza h, la pressione p esercitata sul fondo sarà:

Tale formula indica che la pressione esercitata da un liquido sul fondo del recipiente, definita pressione idrostatica, dipende esclusivamente dall’altezza e dal peso specifico del liquido ed esprime in termini analitici la legge di Stevino. Nel caso si voglia determinare la pressione idrostatica in un punto qualsiasi di un liquido l’altezza h da considerare è quella tra il punto interessato e la superficie libera del liquido. La legge di Stevino è valida per qualsiasi forma di recipiente, purché siano uguali i pesi specifici e le altezze dei liquidi in essi contenuti.
La legge fondamentale alla base della moderna idraulica, fu formulata da Pascal e può essere enunciata nel modo seguente:

la pressione esercitata su un liquido si trasmette con uguale intensità in tutte le direzioni.

Il principio di Pascal ha trovato la sua più nota applicazione nel torchio idraulico, macchina capace di muovere grossi carichi con uno sforzo limitato, composto essenzialmente da due cilindri di sezioni diverse comunicanti fra loro e nei quali scorrono a perfetta tenuta due stantuffi; applicando una forza su uno stantuffo si produce una pressione che, trasmettendosi con la stessa intensità in tutte le direzioni, agirà anche sull’altro stantuffo con una forza che dipende dal rapporto delle sezioni dei due cilindri. Se tale rapporto è maggiore di 1, la forza agente sul secondo stantuffo sarà maggiore di quella agente sul primo. Supponiamo, ad esempio, che i due pistoni abbiano sezioni rispettivamente pari a 1 e 10; una forza di intensità 1 applicata al pistone più piccolo dà luogo a una pressione pari a 1 che, trasmessa attraverso il liquido, esercita sul pistone più grande una forza di intensità 10 (data dal prodotto della pressione per l'area della sezione del pistone).

Concetto di base di un sistema idraulico

In un impianto idraulico, la funzione del dispositivo che deve esercitare una pressione sul liquido viene svolta da una pompa, mentre la funzione del dispositivo che deve trasformare la pressione in lavoro meccanico viene svolta da un martinetto, dimensionato in funzione delle caratteristiche dell’utenza o carico.
Sotto l’effetto dell’azione della pompa, che erogando un certo flusso genera nelle tubazioni una pressione, il cilindro del martinetto si sposta provocando lo spostamento del carico, la cui velocità dipende unicamente dalla quantità di liquido convogliata al cilindro nell’unità di tempo.
In pratica, il sistema considerato deve essere completato inserendo delle apparecchiature che permettano di controllare la direzione e la velocità di movimento del cilindro e la sollecitazione massima del cilindro stesso.

Cenni di dinamica dei fluidi

Se si considera il movimento di un fluido in un condotto e si osserva il comportamento delle innumerevoli particelle che lo compongono, si nota che ciascuna di esse nel tempo percorre una traiettoria che viene definita linea di corrente o di flusso, con velocità la cui direzione è sempre tangente a tale linea.
L’insieme di particelle che si muovono su una stessa linea di flusso prende il nome di filetto fluido e più filetti fluidi formano una vena fluida.
Se la configurazione della linea di flusso rimane sempre la stessa con il passare del tempo, si ha il moto permanente o stazionario.
Se invece in istanti successivi la configurazione delle linee di flusso cambia, si ha un moto vario.
La portata di un condotto è la quantità di fluido che attraversa una sua sezione nell’unità di tempo. Il moto di un fluido in un condotto è regolato dalle leggi di Leonardo (o della continuità) e di Bernoulli.

Perdite di carico

Una vena fluida possiede dell’energia in virtù del suo stato fisico e della sua velocità. Tali energie prendono il nome, rispettivamente, di energia potenziale e cinetica. L’energia potenziale, a sua volta, può dipendere dalla posizione del fluido o dalla pressione alla quale si trova.
Per il principio di Bernoulli in un sistema conservativo, in cui non ci sia apporto o sottrazione di energia, parte dell’energia posseduta da un fluido può trasformarsi da una forma ad un’altra, ma la somma delle energie deve rimanere sempre costante.
È evidente, pertanto, che nel caso di un fluido in movimento attraverso un condotto di sezione non costante, alla variazione della velocità dovrà corrispondere una variazione della pressione, in modo che la somma delle energie rimanga costante.
Nella realtà, quando un fluido fluisce in un sistema, l’attrito che ne deriva produce calore.
Una parte dell’energia posseduta dal fluido viene perciò dissipata in calore, con conseguente perdita di pressione.
Il calore generato viene parzialmente irradiato nell’ambiente circostante dalla tubazione e dai componenti. Una parte dell’energia termica prodotta surriscalda invece l’olio e le parti dell’impianto, fino a che si stabilisce una condizione di equilibrio tra calore introdotto e calore asportato. In tali condizioni l’olio si stabilizza ad una temperatura detta di regime.
Per poter fare a meno di un dispositivo di raffreddamento esterno, la temperatura di regime deve risultare pari o inferiore alle massime temperature di esercizio del sistema. Nelle applicazioni pratiche, quindi, non è possibile trasmettere energia senza perdite. L’entità delle perdite dipende principalmente dai seguenti fattori:

lunghezza delle tubazioni;
rugosità delle pareti interne della tubazione;
numero dei gomiti e curve;
raggio delle curve (curve troppo brusche comportano maggiori perdite);
sezione delle tubazioni;
velocità del flusso;
viscosità del fluido;
tipo di moto (laminare o turbolento);
stato dei componenti idraulici (grado di deterioramento).

Sebbene le perdite non possano essere completamente eliminate, possono essere in parte ridotte controllando la struttura del circuito e il regime di flusso.
Aumentando la velocità di flusso a parità di sezione di passaggio e di viscosità, il comportamento del flusso varia in corrispondenza di una determinata velocità (velocità critica).
Il flusso diventa vorticoso, turbolento e le singole particelle non scorrono più parallelamente tra loro, ma si mescolano e si influenzano reciprocamente. Tale regime turbolento è indesiderabile negli impianti idraulici, in quanto comporta un aumento della resistenza al flusso con conseguente aumento delle perdite.