Kraft

Kraft ist eine gerichtete physikalische Größe, die eine wichtige Rolle in der technischen Mechanik spielt. Sie kann Körper beschleunigen oder verformen. Durch Kraftwirkung kann man Arbeit verrichten und die Energie eines Körpers verändern. Einige Kräfte haben eigenständige Bezeichnungen aufgrund ihrer Ursachen oder Wirkungen erhalten. Dazu gehören die Reibungskraft, die Gewichtskraft und die Fliehkraft. Die heutige Physik unterscheidet vier Grundkräfte, die alle diesen Ausformungen von Kraft zugrunde liegen. In diesem Zusammenhang wird der Begriff Wechselwirkung gleichbedeutend mit Kraft verwendet.

Druck

Bei Druck werden häufig die folgenden Multiplikatoren verwendet:

1 kPa (Kilopascal) = 1.000 Pa

1 MPa (Megapascal) = 1.000.000 Pa

Die Verwendung der Einheit bar hat sich in der Fluidtechnik generell durchgesetzt.

1 bar = 100,000 Pa = 0.1 MPa = 0.1 N/mm2

1 mbar = 0,001 bar

1 nbar = 0,000000001 bar

In einigen Ländern – wie z. B. in Großbritannien oder in der USA – wird noch die  Maßeinheit psi (pounds per square inch - Pfund pro Quadratzoll) verwendet.

1 psi = 0,07 bar (gerundet)

Normal atmosphärischer Druck ist der Druck bezogen auf die Meereshöhe, dessen Wert ist 1 atm (Atmosphäre).

1 atm = 101.325 Pa = 1013,25 mbar (Millibar) oder hPa (Hektopascal)

Diese Maßeinheit wird meistens in der Meteorologie verwendet.

In der Praxis 1 atm = 1 bar.

Der Überdruck zeigt den Wert des Druckes über dem atmosphärischen Druck.

Wird der Wert als absoluter Druck angegeben, wird auch der vorhandene atmosphärische Druck mitgerechnet. Der absolute Druck wird also ab 0 Pa = komplettes Vakuum gerechnet.

Absoluter Druck = normaler atmosphärischer Druck + Überdruck (relativer Druck)

Die Ausdrücke „Überdruck“ und „Vakuum“ beziehen sich darauf, ob der Druck größer oder kleiner ist als der normal atmosphärische Druck.

Die Qualität des Vakuums wird in verschiedenen Klassen unterschieden:

In der Pneumatik wird die Maßeinheit bar sowohl für Überdruck als auch Vakuum verwendet.

Ohne weitere Angaben versteht man in der Pneumatik unter „Druck“ den Überdruck = relativer Druck.

In der Praxis:

Nachstehend rechnen wir beispielhaft aus, welche Kraft ein Zylinder mit angegebener Größe bei angegebenem Druck ausüben kann:

Welche Kraft übt ein Zylinder mit Durchmesser 40 mm bei 6 bar Druck aus?

Damit wir in der Formel die richtigen Maßeinheiten verwenden, nehmen wir für den Druck die Einheit Mpa. Dies entspricht N/mm².  Längenmaße geben wir in mm an.

Der Kolbendurchmesser des Zylinders:         

Berechnet wurde die theoretische Kraft. In der Praxis muss mit einem in Höhe von ca. 5% gerechnet werden.

Demnach kann ein Zylinder mit  40 mm Durchmesser bei 6 bar Druck etwa 716 N Druckkraft ausüben. Dies entspricht einer Masse von ca. 73 kg.

Welche Kraft übt derselbe Zylinder aus, wenn wir ihn von der Endstellung in Richtung Grundstellung zurückfahren?

Die Zugkraft desselben Zylinders ist kleiner als die Druckkraft, da ein Teil der Kolbenfläche von der Kolbenstange abgedeckt ist. D.h. es fehlt ein Stück der Oberfläche, auf die kein Druck einwirken kann. Die fehlende Oberfläche muss entsprechend abgezogen werden.

Nach Berechnung mit einem kalkulierten Verlust von ca. 5%, kommen wir auf folgendes Ergebnis:

die Zugkraft des Zylinders ist etwa 601 N, gegenüber der Druckkraft von 716 N.