Sistemi idraulici: cosa sono? Impieghi e caratteristiche

Nonostante l'evoluzione tecnologica degli ultimi tempi, i sistemi basati sulla meccanica pura -specialmente quelli impostati sulla fluidotecnica industriale- sono ancora molto utilizzati nel controllo e nel funzionamento dei cicli di produzione. Sebbene rimpiazzati in parte dalle moderne tecnologie -meccatronica, automazione e AI- i sistemi idraulici e oleodinamici restano un importante motore di produzione in tante realtà che non possono farne a meno. Parliamo soprattutto del settore chimico, alimentare ed energetico, senza ovviamente tralasciare quello farmaceutico e dell'industria navale. Diventare esperti nella meccanica dei fluidi, quindi, è una strada che nel 2025 rende ancora tantissimo, e continuerà a farlo per molto tempo. Da sempre attenta a tutto ciò che riguarda la formazione in materie Stem, Mekhan offre strumentazioni laboratoriali -marchio proprio, GUNT e LN- in diversi settori tecnici, compresa la fluidotecnica industriale. Il percorso include uno studio di tutte le leggi fisiche -che sappiamo ispirarsi alle equazioni di Navier-Stokes- del funzionamento e del movimento dei fluidi: con approfondimenti pratici, in ottica learning by doing. Ma vediamo bene come funziona un sistema idraulico e oleodinamico: tutto ciò che c'è da sapere e anche sugli sbocchi professionali offerti.

I sistemi idraulici: la pressione dei fluidi sperimentata con successo nell'industria

Un tempo, quando l'industria era ancora agli albori, l'utilizzo di sistemi idraulici -e anche di pneumatica- per un controllo centralizzato di alcune aree di produzione era applicato con grande successo. Certo, dopo la prima rivoluzione industriale in Inghilterra, la tecnologia ha virato decisamente verso un'altra direzione. Dopo la macchina a vapore e l'avvento dell'energia elettrica, si è andati incontro a tecnologie sempre più sofisticate: fino ad arrivare agli avanguardistici innesti di informatica, IOT e AI. I sistemi idraulici e pneumatici, tuttavia, erano utilizzati con grande successo nelle miniere e in fabbriche di piccole dimensioni, e sono sopravvissuti fino ai giorni nostri. Questo perché si era intuito, sin dall'inizio, la loro potenzialità che era, innanzitutto, distribuire energia. Oggi, molti fluidi idraulici sono applicati per il movimento di apparecchiature industriali: soprattutto sistemi di sollevamento e di controllo.

Sistemi idraulici: distribuire energia attraverso la pressione dei liquidi

Proprio così. Per gestire la produzione di un ambiente industriale tramite sistemi idraulici, serve che questi siano in grado di trasmettere energia meccanica. E il fatto che l'energia potesse essere innestata con il movimento dei fluidi è stato intuito già in antichità. Ma in che modo un sistema idraulico genera energia? La risposta è molto semplice: viene innescata dal movimento del fluido da un punto all'altro di uno spazio, di solito una tubazione, oppure un cilindro. Tuttavia, perché avvenga questo movimento serve spostare il liquido servendosi di un meccanismo a pressione. Pressione che, ovviamente, dev'essere fornita artificialmente, grazie a una pompa che genera la spinta meccanica. È chiaro che ogni liquido abbia reazione, densità e resistenza diverse. In poche parole: delle proprietà specifiche che sono proprie e intrinseche a quel fluido.

Studiare il meccanismo dei fluidi per il funzionamento dei sistemi idraulici

Le proprietà dei fluidi, e il loro comportamento a fronte di molteplici agenti esterni, è argomento di studio sottile e sofisticato, basato su leggi fisiche e calcoli matematici precisi. Qui non ci metteremo a spiegare le complicate formule che vi sono dietro. Vi basti sapere, però, che queste richiamano principalmente le equazioni differenziali. Sono oggetto di diversi corsi di formazione specialistici, soprattutto branche di ingegneria: ingegneria meccanica su tutte. Il percorso di studio di Mekhan, oltre all'analisi delle varie proprietà dei fluidi, e ai meccanismi per trarne energia nel contesto industriale, offre la possibilità di sperimentazioni in un'ottica laboratoriale.

Fluidi idraulici: cosa sono?

C'è da dire che, quando parliamo di fluidi, non ci riferiamo a comunissimi liquidi. Se è vero che lo studio delle proprietà dei fluidi viene spesso effettuato a partire da quelli conosciuti -proprio perché sono importanti le basi- in campo industriale ne vengono adoperati alcuni con caratteristiche specifiche. I cosiddetti fluidi idraulici. Questi fluidi sono adoperati perché vantano particolari proprietà:

• Capacità di lubrificazione rispetto ad alcuni elementi meccanici e di impiantistica industriale;
• pressione stabile;
• resistenza a temperature ostiche e condizioni avverse.

Parliamo quindi di fluidi pensati non soltanto per generare energia e muovere le macchine, ma anche per offrire condizioni di protezione e manutenzione. Alcuni fluidi, per esempio, permettono di mantenere pulito il macchinario.

Fluido idraulico: le caratteristiche perché possa lavorare in sistemi idraulici

Ma quali caratteristiche deve possedere un fluido perché possa lavorare con successo in un sistema idraulico? Diciamo subito che non esiste il fluido perfetto, e queste caratteristiche che vedremo sono presenti un po' in tutti i fluidi idraulici. Vanno bilanciate e modulate a seconda del contesto industriale in cui si opera, e serve scegliere ovviamente il fluido idraulico che meglio risponda al proprio ambiente di produzione.

• Resistenza a condizioni avverse: ossidazione e corrosione sono processi che alterano la natura del fluido, rendendolo meno efficiente in uno specifico ambiente industriale. L'effetto può essere la generazione di acidi e funghi, i quali possono non soltanto danneggiare le superfici metalliche, ma compromettere addirittura tutto il funzionamento della macchina.
• Sostenibilità ambientale: oggi l'impatto ambientale è uno dei temi a cui si presta maggiore attenzione, con normative rigide e pene severe da parte delle istituzioni. Serve, quindi, che il fluido risponda a caratteri di ecosostenibilità, in modo da ridurre l'impatto ambientale in caso di fuoriuscita.
• Viscosità: uno degli aspetti più importanti nel funzionamento di un sistema idraulico è trovare un equilibrio nella viscosità. La viscosità è la resistenza del fluido alla spinta della pressione, spinta su cui si basa tutto il meccanismo di generazione dell'energia. Un fluido troppo viscoso, quindi, potrebbe compromettere il corretto funzionamento del sistema, mentre uno troppo liquido causare perdite di potenza. Serve trovare il giusto equilibro.
• Efficienza anche ad alte temperature: un liquido efficiente è in grado di mantenere intatte le sue proprietà anche a fronte di alte temperature. Parliamo di stabilità termica. Negli ambienti industriali si lavora spesso a temperature molto rigide: queste accompagnano perennemente i cicli di produzione dei macchinari. Temperatura e viscosità sono collegate, visto che quest'ultima è influenzata dalla prima. Serve dunque un fluido che sappia mantenersi inalterato anche a seguito di condizioni avverse.

Fluidi idraulici: quanti ne esistono? Quelli più utilizzati nei sistemi idraulici e oleodinamici industriali

Di fluidi idraulici ne esistono tantissimi, e ognuno di questi risponde a esigenze industriali diverse, presentando vantaggi e svantaggi a seconda del contesto. Vediamo più comuni. Fluidi sintetici

• Origine: sintetizzati a partire da additivi e oli chimici
• Vantaggi: stabilità termica ed elevata resistenza allìossidazione.
• Impieghi: ambienti industriali che lavorano a cicli estremi, come industria aerospaziale e automobilistica.

Fluidi acquosi

• Origine: usano acqua-olio e soluzioni glicolate come base
• Vantaggi: presentano più o meno le stesse caratteristiche di quelli sintetici, ma con una minore capacità di potenza.
• Impieghi: alcuni contesti industriali in cui la potenza impiegata nei cicli industriali è più modesta.

Fluidi minerali

• Origine: derivano dal petrolio e risultano fra i più utilizzati.
• Vantaggi: buone le prestazioni in fatto di resistenza ad alte temperature, corrosione e ossidazione.
• Impieghi: molto vasto, essendo fra i più economici. Impatto ambientale, però, è molto alto in caso di fuoriuscire.

Fluidi biodegradabili

• Origine: oli biodegradabili pensati per ridurre l'impatto ambientale;
• Vantaggi: prestazioni buone, ma tutto è sacrificato per la compatibilità ambientale;
• Impieghi: utilizzati in ambienti industriali in cui il rischio di impatto sull'ambiente è elevato, come agricoltura e settore minerario.

Come funzionano i sistema idraulici? Il principio di Pascal nell'industria

Per capire il funzionamento di un sistema idraulico serve porre per un momento in esame il principio di Pascal. Non spaventatevi. Non vi metteremo di fronte a concetti trascendentali e ingarbugliate formule matematiche, anche se si spera siano nel vostro interesse, se state leggendo quest'articolo. Noi vogliamo solo rendere le cose più semplici. Vi basterà semplicemente sapere che, secondo questo principio, se noi applichiamo una variazione di pressione, all'interno in un ambiente in cui un fluido è circoscritto, questo si diramerà in modo uniforme in ogni direzione, trasmettendo questa potenza in ogni parte del sistema. Per capire il concetto, è sufficiente pensare a quando pigiamo il pedale del freno all'interno della nostra auto: la spinta del fluido idraulico genera pressione, e questa si trasferisce sulle pinze, agendo sui dischi per frenare il veicolo. Come funziona, invece, nei sistemi industriali? Semplice: la pressione viene generata da una pompa, che spinge il fluido attraverso una rete di condotti e tubazioni. La pressione si distribuisce in ogni direzione, azionando gli attuatori (pensiamo per esempio ai pistoni) e generando così il moto della macchina.

Sistemi idraulici nell'industria: quali i settori più coinvolti?

Come dicevamo, nonostante il grande balzo tecnologico a favore dell'informatica, tanti sono i contesti in cui i sistemi idraulici vengono applicati, e non solo quelli più tradizionali.

• Settore energetico: impiegati specialmente nel contesto delle energie rinnovabili, con l'attivazione di centrali idroelettriche e pale eoliche; ma anche nei sistemi di raffreddamento e controllo dei macchinari;
• Agricoltura: molte macchine agricole -quali trattori ed escavatori- utilizzano sistemi idraulici per azionare i meccanismi di sollevamento. I fluidi utilizzati devono essere in grado di resistere a condizioni avverse e sbalzi di temperatura.
• Marina: per quanto riguarda il settore marittimo, i sistemi idraulici sono impiegati con successo per l'attivazione dei meccanismi di propulsione e argani. Questi devono mostrare particolare resistenza alla corrosione.
• Automotive: sicuramente uno dei campi in cui i sistemi idraulici trovano maggior impiego. Usati soprattutto per il funzionamento di freni, sospensioni e trasmissione. In questo caso, la qualità del fluido utilizzato agisce non soltanto sulla qualità e la longevità del veicolo, ma anche sulla sicurezza dello stesso.

Studiamo il funzionamento dei fluidi idraulici nei laboratori di Mekhan

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