Wprowadzenie

Hydraulika wywodzi się z greckiego słowa hydraulikos, które składa się z przedrostka „hydor”, co oznacza woda i „aulos”, co oznacza rura i należy do najstarszego i podstawowego działu fizyki - mechaniki, a konkretnie do jej części tj. mechaniki płynów, która zajmuje się badaniem zjawisk ruchu oraz równowagi cieczy i gazów, ze szczególnym uwzględnieniem oddziaływania płynu na ścianki ciał stałych ograniczających płyn. Jej historia rozpoczęła się w starożytności na długo przed wielkimi dziełami takich badaczy jak Leonardo da Vinci (1452-1519), Galileo Galilei (1564-1642), Evangelista Torricelli (1608-1647), Blaise Pascal (1623-1662), Isaac Newton(1642-1727), Daniel Bernoulli (1700-1782) i Leonhard Euler (1707-1783). Historia hydrauliki zaczęła się nawet na długo przed Archimedesem (287–212 p.n.e.). To niesamowite, co udało się osiągnąć w zastosowaniu technologii wodnej w starożytności - na tysiąclecia przed rozwojem koncepcji zachowania masy, energii i pędu – stosowanej we współczesnym projektowaniu hydraulicznym. To cywilizacja Mezopotamii zapoczątkowała tworzenie pierwszych systemów nawadniania około 6000-7000 lat temu.

Początków badań nad ruchem cieczy i gazów można upatrywać w działalności Greków i Rzymian – Arystotelesa czy Archimedesa. Ponowne zainteresowanie tymi zagadnieniami wykazał dopiero Leonardo da Vinci w XV. Mechanika płynów rozwinęła się głównie dzięki wzajemnemu oddziaływaniu empirycznego podejścia inżynierów oraz bardzo wyidealizowanemu podejściu matematycznemu. Znaczny postęp w rozwoju tej dziedziny mógł być dokonany po odkryciu rachunku różniczkowego i całkowego, a także po odkryciach w zakresie mechaniki ogólnej (Galileusz, Newton). Obserwacje Daniela Bernoulliego oraz prace Euleraza decydowały o narodzinach hydrodynamiki klasycznej, która rozwinęła się bardzo szybko w XIX wieku. Okres rewolucji przemysłowej postawił przed inżynierami liczne problemy i był także czynnikiem powodującym istotny postęp w dziedzinie metod eksperymentalnych (Rayleigh, Osborne, Reynolds, Froude). Kolejny etap rozwoju w dziedzinie badań matematycznych nad ruchem płynów został dokonany poprzez uwzględnienie efektów lepkości (Navier, Stokes) oraz spostrzeżenie, że efekty lepkości płynu występują przede wszystkim w cienkiej warstwie płynu graniczącej bezpośrednio z opływaną powierzchnią ciała stałego (Prandtl). Dalszy postęp w mechanice płynów został znacznie przyspieszony w związku z pojawieniem się samolotu i potrzebą głębszego zrozumienia zjawisk aerodynamicznych (Lanchester, Kutta, Żukowski).

Współczesna technika obliczeniowa znacznie rozszerzyła zakres rozwiązywanych zagadnień, które mogą być uzyskane przy wykorzystaniu fundamentalnych równań mechaniki płynów.

Zakres zastosowań teoretycznej i doświadczalnej mechaniki płynów w wielu dziedzinach techniki jest bardzo szeroki. Z przepływami takich czynników jak gaz, woda, olej, para, spotykamy się w energetyce, maszynach energetycznych, inżynierii chemicznej i środowisku (wodociągi, kanalizacja, ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja, odpylanie), a także w lotnictwie, okrętownictwie, przepływowej aparaturze przemysłowej, urządzeniach chłodniczych, transporcie rurowym cieczy i gazów, układach hydraulicznych.

Klasyczny podział mechaniki płynów dzieli ją na mechanikę płynów doskonałych (nieściśliwych i nielepkich) i mechanikę płynów rzeczywistych, natomiast historyczny na hydromechanikę – mechanikę cieczy i aeromechanikę – mechanikę gazów. Obecnie, mówiąc o hydromechanice, mamy na myśli mechanikę nieściśliwych płynów nielepkich i lepkich.3 Przedmiotem rozważań tej książki jest technika połączeniowa w układach hydrauliki siłowej, a więc należy zastanowić się czym właściwie jest ta hydraulika siłowa.

Dość często, gdy słyszymy słowo hydraulika, to pierwsze skojarzenie pada na instalacje i urządzenia, które posiadamy w naszych gospodarstwach domowych, czyli instalacje wodno-kanalizacyjne czy centralnego ogrzewania. Jest to jak najbardziej słuszne skojarzenie, dlatego też w przypadku hydrauliki siłowej kluczową rolę odgrywa tutaj słowo „siłowa”. W literaturze anglojęzycznej hydraulika siłowa określana jest jako „fluid power”, co można tłumaczyć dosłownie jako „płynna moc”. W tym ujęciu płynem mogą być i gazy - wtedy mamy do czynienia z pneumatyką, jak i ciecze – wtedy wchodzimy w obszar hydrauliki siłowej. Zarówno hydraulika siłowa jak i pneumatyka są formami przenoszenia mocy (przekształcanie mocy w bardziej użyteczną formę) i dystrybucji jej tam, gdzie jest potrzebna. Powszechnie stosowane metody przenoszenia mocy to energia elektryczna, mechaniczna i płynu. Chociaż czasami są one postrzegane jako technologie konkurencyjne, to żadna pojedyncza metoda przesyłania energii nie jest najlepszym wyborem dla wszystkich zastosowań. W rzeczywistości większość aplikacji jest obsługiwana przez kombinację tych technologii. Jednak moc płynów ma istotne zalety w porównaniu z innymi technologiami. Systemy zasilania płynami z łatwością wytwarzają ruch liniowy za pomocą siłowników hydraulicznych lub pneumatycznych, podczas gdy metody elektryczne i mechaniczne zwykle wymagają użycia urządzenia mechanicznego do konwersji ruchu obrotowego na liniowy. Systemy zasilania płynami na ogół mogą przekazywać równoważną moc na znacznie mniejszej przestrzeni niż napędy mechaniczne lub elektryczne, zwłaszcza gdy wymagana jest ekstremalnie duża siła lub moment obrotowy. Systemy zasilania płynami oferują również prostą i skuteczną kontrolę kierunku, prędkości, siły i momentu obrotowego za pomocą prostych zaworów sterujących.

Aby zobrazować podstawowy układ hydrauliczny, pomyśl o dwóch identycznych strzykawkach połączonych przewodami i wypełnionymi wodą (patrz Rysunek 1a). Strzykawka A reprezentuje pompę, a strzykawka B reprezentuje siłownik. Naciśnięcie tłoka strzykawki A powoduje zwiększenie ciśnienia znajdującego się w niej płynu. To ciśnienie płynu działa jednakowo we wszystkich kierunkach (prawo Pascala) i powoduje, że woda wypływa dnem do rurki i do Strzykawki B.