Hydraulik: Kraft aus Öl

Ein Bagger reißt mit seiner Schaufel mehrere Tonnen Erde aus dem Boden, und wenn du genau hinschaust, findest du nirgendwo Zahnräder oder Seile: nur schlanke Stahlzylinder, aus denen glänzende Kolbenstangen fahren. In diesen Zylindern arbeitet Öl unter hohem Druck. Dieselbe Technik steckt im Bremspedal deines Autos, im Wagenheber und in der Hebebühne der Werkstatt. Hydraulik heißt der Trick, mit dem eine Flüssigkeit Kraft nicht nur weiterleitet, sondern unterwegs gewaltig verstärkt.

Druck pflanzt sich fort

Flüssigkeiten haben eine Eigenschaft, die sie von Luft unterscheidet: Sie lassen sich praktisch nicht zusammendrücken. Drückst du auf eine eingeschlossene Flüssigkeit, weicht sie nicht aus, sondern gibt den Druck unvermindert nach allen Seiten weiter. Das erkannte der französische Gelehrte Blaise Pascal schon im 17. Jahrhundert. Du kannst es mit einer prall gefüllten Wasserflasche prüfen: Stichst du mehrere Löcher hinein und drückst die Flasche zusammen, schießt das Wasser aus jedem Loch weiter als vorher, egal ob es nach oben, unten oder zur Seite zeigt. Dein Druck kommt überall gleich stark an. Druck ist dabei Kraft geteilt durch Fläche, $p = F/A$, gemessen zum Beispiel in Newton pro Quadratzentimeter. In der Technik rechnet man meist in bar: 1 bar entspricht genau 10 N pro Quadratzentimeter.

Kleiner Kolben, großer Kolben

Jetzt kommt der eigentliche Zaubertrick. Verbinde zwei Zylinder mit Öl und setze in den einen einen kleinen Kolben mit 5 cm² Fläche, in den anderen einen großen mit 100 cm². Drückst du den kleinen Kolben mit 50 N hinein, entsteht im Öl ein Druck von 10 N pro Quadratzentimeter. Dieser Druck wirkt auch unter dem großen Kolben, und zwar auf jeden seiner 100 Quadratzentimeter: Er drückt mit 1000 N nach oben, zwanzigmal so stark, wie du gedrückt hast. Gratis ist das nicht, die goldene Regel der Mechanik kassiert wie immer: Was du an Kraft gewinnst, zahlst du mit Weg. Damit der große Kolben einen Zentimeter steigt, musst du den kleinen zwanzig Zentimeter weit hineinschieben, denn das verschobene Ölvolumen ist auf beiden Seiten gleich.

Genau so arbeitet die Bremse deines Autos: Dein Fuß drückt einen kleinen Kolben im Hauptbremszylinder, der Druck läuft durch dünne Leitungen zu allen vier Rädern und schiebt dort größere Kolben nach vorn, die die Bremsbeläge gegen die Bremsscheiben pressen. In jeder Leitung steht derselbe Druck, deshalb packen alle vier Räder im selben Moment zu. Der Bagger treibt seine Zylinder mit einer Pumpe an, die das Öl auf mehrere hundert bar bringt, deshalb stemmt ein armdicker Zylinder mühelos Tonnen.

Bleibt eine letzte Frage: Warum Öl statt Luft? Luft lässt sich zusammendrücken und würde federn wie ein Schwamm, Öl dagegen gibt jeden Druck sofort und vollständig weiter, schmiert nebenbei die beweglichen Teile und schützt sie vor Rost. Dazu kommt ein praktischer Vorteil: Ein Schlauch führt Kraft um jede Ecke, wohin keine Stange und kein Seil je käme.