Una vivienda. Un trabajo: Empezamos por el coche
¿Qué son los fluidos?
Un fluido es cualquier cosa que se derrama si no está en un recipiente.
Aunque el agua, el aire y el aceite sean tan diferentes, las partículas que los constituyen no mantienen la suficiente atracción entre ellas y cuando se les aplica una fuerza se deslizan y fluyen. Por eso se les llama fluidos.
Algunas propiedades de los fluidos
Ahora, veremos con más detalle algunas propiedades de los fluidos para que puedas comprender como se utilizan para realizar un trabajo. Fíjate en esta tabla, en ella se resume el comportamiento de los dos tipos de fluidos.
PROPIEDADES |
LÍQUIDOS |
GASES |
¿Cómo es la fuerza de atracción entre partículas? |
Es muy débil. |
Es tan débil que las partículas tienden a separarse entre sí. |
¿Mantienen la forma? |
No, mantienen el volumen pero cambian de forma para adaptarse al recipiente. |
No, se expanden hasta ocupar todo el espacio disponible. |
¿Se comprimen? |
No, son prácticamente incompresibles. |
Si, pueden comprimirse de forma significativa. |
¿Qué efectos produce el aumento de temperatura? |
Provoca una mayor agitación de las partículas, dilatándose |
Genera un aumento de volumen o de presión. |
Piensa en el destornillador neumático con el que se desatornilla la rueda del coche. Todo el trabajo que nos ahorramos se debe a la energía del aire comprimido.
El compresor y sus componentes comprimen el aire y le aportan energía. Veamos el resto de los elementos de un circuito neumático.
- Las tuberías o conducciones.
El desatornillador neumático tiene un tubo de caucho reforzado que se conecta con el compresor.
Por este tubo se distribuye el aire comprimido. En otros circuitos suelen ser de nailón o poliuretano, pero cuando son de mayor tamaño se usan materiales como el cobre o el acero. - Los cilindros.
Son los elementos que realizan el trabajo. Los más comunes consisten en un cilindro hueco en el que se desplaza, empujado por el aire, un émbolo.
Funcionamiento de un cilindro simple - Las válvulas.
Para controlar y regular el aire que circula por las conducciones y el que entra en los cilindros se colocan válvulas en los circuitos. Con estos elementos se controla la entrada de aire en los cilindros (válvulas de accionamiento) y se regula el flujo de aire por las tuberías (válvulas de regulación).
El botón que acciona el destornillador neumático es una válvula que corta o permite la entrada de aire.
Elemento |
Nombre |
Función |
1. |
Compresor |
Absorbe aire de la atmósfera y aumenta su presión reduciendo el volumen en el que se encuentra. |
2. |
Depósito |
Acumula el aire a alta presión que produce el compresor, y lo enfría. |
3. |
Unidad de almacenamiento |
Acondiciona el aire antes de introducirlo en el circuito. |
4. |
Válvula |
Permite que el aire comprimido pase al circuito y empuje el cilindro. |
5. |
Cilindro |
Realiza esfuerzo en el movimiento de avance. |
¿Frenos hidráulicos?
La mayoría de los vehículos tienen un sistema de frenos: disponen de frenos hidráulicos. Algo sabrás sobre el líquido de frenos, los manguitos, los frenos de disco o los de tambor, y sobre todo, dónde está el pedal de frenos.
¿Quieres ver qué elementos forman este sistema de frenado? ¿Qué es un sistema hidráulico? ¿Cómo funciona?
Los frenos hidráulicos basan su funcionamiento en el Principio de Pascal.
El investigador francés Blaise Pascal comprobó que los fluidos ejercen una fuerza sobre todos los puntos de la superficie de los sólidos que están en contacto con ellos.
La unidad de presión en el sistema internacional es el Pascal, que se simboliza como Pa. No obstante, en nuestra vida cotidiana no se suele emplear, sino que se emplean otras más adecuadas y que quizá te sonarán:
El milibar (mb) es empleado sobre todo para medir la presión atmosférica, la que ejerce el aire de la atmósfera. En milibares están expresados los números que aparecen en los mapas del tiempo.
El kilopondio por centímetro cuadrado (kp/cm2), o kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado (kgf/cm2) normalmente conocido simplemente como "kilo de presión", se usa mucho para medir la presión de inflado de los neumáticos.
La presión se calcula dividiendo la fuerza ejercida perpendicularmente a una superficie (F) y el área (A) de ésta:
P = F/A
Cuando trabajamos con fluidos es más importante conocer la presión que ejerce el fluido que la fuerza en sí misma.
La presión es una magnitud física que relaciona la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo con la superficie sobre la que se reparte esa fuerza.
- Unidad de almacenamiento (depósito y bomba hidráulica): la bomba inyecta el líquido a presión en el circuito.
- Válvula antirretorno: impide el paso del líquido en el otro sentido.
- Conducciones: distribuyen el líquido por el circuito.
- Cilindros: se desplazan para hacer el trabajo que deseamos.
- Válvulas: controlan el paso del líquido al cilindro y el retorno del propio cilindro.
- Pedal de freno
- Cilindro director
- Depósito del líquido de frenos
- Latiguillo
- Cilindros
- Pastillas y zapatas de frenos
El funcionamiento del sistema es muy sencillo:
- Al pisar el pedal de freno, la fuerza ejercida por el pie se amplifica con la palanca del pedal y se transmite a un cilindro director que crea una presión en el líquido de frenos.
- Mediante los latiguillos se transmite esta presión a los cilindros que hay en las ruedas, cumpliéndose el principio de Pascal.
- Cuando disponemos de frenos de disco, los pistones de estos cilindros ejercen una fuerza en las pastillas de freno que rozan el disco giratorio.
- Cuando disponemos de frenos de tambor, los pistones ejercen una fuerza en las zapatas de freno.
El uso de los fluidos (gases y líquidos) a presión no es nuevo, su uso para propulsar artefactos tampoco. Ya en 1955 se construyó el primer barco sobre un colchón de aire, lo que conocemos como hovercraft.
Pues una tobera (ventilador al revés) aspira aire que es comprimido, y después se expulsa por los costados inferiores del casco, elevándolo como consecuencia de la fuerte corriente de aire que fluye hacia abajo.
El uso de los fluidos a presión en circuitos cerrados si es reciente, se usa en aplicaciones que requieren movimientos lineales y grandes fuerzas.
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La hidráulica y neumática tienen aplicaciones tan variadas, que pueden ser empleadas incluso en teatro, cine, parques de atracciones, represas, puentes levadizos, plataformas de perforación submarina, ascensores, mesas de levante de automóviles, bomba de la bicicleta, gato del coche... Como ves lo que es difícil es encontrar algo que no esté basado en estos principios ¿verdad?
1.- Ahora vas a leer un texto sobre las aplicaciones de la neumática e hiráulica, con mucha atención, porque después deberás contestar una serie de preguntas.
«Hoy, se utiliza la potencia hidráulica para hacer funcionar muchas y variadas herramientas y mecanismos. En un garaje, un mecánico levanta el extremo de un automóvil con un gato hidráulico. Los dentistas y los peluqueros utilizan transmisión hidráulica, a través pequeños movimientos de una palanca de mando, para levantar y colocar sus sillas a una altura de trabajo conveniente. Los cierres hidráulicos evitan que puertas pesadas se cierren de golpe. Los frenos hidráulicos han sido un equipo estándar en los automóviles desde los años 30. La mayoría de los automóviles se equipan con transmisiones automáticas que son accionadas hidráulicamente. La dirección hidráulica es otro uso de la potencia hidráulica. Los trabajadores de construcción dependen de la energía hidráulica para la operación de varios componentes de su equipamiento. Por ejemplo, la pala de una niveladora es accionada normalmente por energía hidráulica. Durante el período precedente a la Segunda Guerra Mundial la marina de guerra comenzó a aplicar la hidráulica a los mecanismos navales extensivamente. Desde entonces, los usos navales han aumentado al punto donde muchos dispositivos hidráulicos ingeniosos se utilizan en la solución de problemas de artillería, de aeronáutica, y de navegación. A bordo de la nave, se utiliza la transmisión hidráulica para operar equipos tales como el guinche de ancla, las grúas, dirección, dispositivos teledirigidos, y los impulsores hidráulicos de elevación y de entrenamiento para el armamento y los lanzacohetes. Los elevadores en portaaviones utilizan potencia hidráulica para transferir los aviones de la cubierta de hangar a la cubierta de vuelo y viceversa.
El uso extenso de la hidráulica y de la neumática para transmitir energía es debido al hecho de que los sistemas fluidos correctamente construidos poseen un número de características favorables. Eliminan la necesidad de sistemas complicados de engranajes, de levas, y de palancas. El movimiento se puede transmitir sin la holgura inherente en el uso de las piezas sólidas de máquina. Los líquidos usados no están sujetos a roturas al igual que las piezas mecánicas, y los mecanismos no se están expuestos a un gran desgaste. Las diversas piezas de un sistema de energía fluido se pueden situar convenientemente en puntos muy distanciados, puesto que las fuerzas generadas se transmiten rápidamente a distancias considerables con pequeñas pérdidas. Estas fuerzas se pueden desplazar hacia arriba y hacia abajo o a través de codos con pequeñas pérdidas en eficacia y sin mecanismos complicados.
La pregunta que puede presentarse es porqué usar la hidráulica en ciertos usos y neumática en otros. Si la necesidad del sistema requiere velocidad, una cantidad media de presión, y solamente un control relativamente exacto, un sistema neumático puede ser utilizado. Si el uso requiere solamente una cantidad media de presión y de un control más preciso, una combinación de hidráulica y de neumática puede ser utilizada. Si el uso requiere una gran cantidad de presión y/o control extremadamente exacto, un sistema hidráulico deberá ser le opción a elegir.»
- Cita las ventajas de esta forma de transmitir energía respecto de otros mecanismos.
- ¿Qué sistemas usarías (neumático, hidráulico o hidroneumático) para un control preciso que no requiera mucha presión.
- Enumera las aplicaciones que tiene la hidráulica en el automovil.
2. Este es un problema resuelto, deberás leer el problema y revisar las soluciones propuestas para responder después a unas cuestiones:
¿Qué fuerza F1 se requiere para mover una carga K de 10.000 kg?
Los datos son: A2 = 10 cm²; K = 10.000 kgf
Calculamos P2 = F2/A2;
P2 = 10.000 kgf/ 10 cm² => P2 = 1.000 kgf/cm²
Por otro lado, F1 = P1 x A1 Como, según el principio de Pascal, debe ser P1 = P2 = 1000 kgf/cm2
Entonces tendremos que:
F1 = 1.000 kgf/cm² x 5 cm² => F1 = 5.000 kgf
Luego la solución es: Se requiere una fuerza de 5.000 kgf.
Elige la respuesta correcta:
- Es correcta porque el área es proporcional a la fuerza ejercida, es decir a menor área menor fuerza hay que hacer.
- Es correcta porque el área es inversamente proporcional a la fuerza que hay que hacer, es decir a mayor área menor fuerza.
- Es incorrecta ya que las presiones P1 y P2 no pueden ser iguales, ya que un cilindro es mayor que el otro y las presiones deben ser distintas.
- Es incorrecta porque la fuerza no se mide en kgf sino en newton, los cálculos están mal.
Actividad nº 1:
- Son muchas las ventajas de este tipo de circuitos respecto de otros tipos de mecanimos:
- Eliminan la necesidad de sistemas complicados de engranajes, de levas, y de palancas.
- El movimiento se puede transmitir evitando la holgura de las piezas sólidas.
- Los líquidos usados no se rompen.
- Los mecanismos no se están expuestos a un gran desgaste.
- Las diversas piezas de un sistema de energía fluido se pueden situar convenientemente en puntos muy distanciados, puesto que las fuerzas generadas se transmiten rápidamente a distancias considerables con pequeñas pérdidas.
- Estas fuerzas se pueden desplazar hacia arriba y hacia abajo o a través de codos con pequeñas pérdidas en eficacia y sin mecanismos complicados.
- Usaría una combinación de hidráulica y neumática, la presión del aire se aplica a la superficie del fluido hidráulico en un depósito. La presión de aire fuerza el líquido hidráulico a realizar el trabajo que sea.
- Dirección asistida, frenos, transmisión, y en los autobuses el cierre de las puertas.
- La respuesta correcta es la "a"
- Porque el principio de Pascal dice que "Un cambio de presión aplicado a un fluido en reposo dentro de un recipiente cerrado se transmite sin alteración a través de todo el fluido". Y esto siginfica que la presión ejercida en el cilindro pequeño (P1) se transmite íntegramente al cilindro grande y, por tanto, la presión en el cilindro grande (P2) debe ser igual a la que se ejerce en el cilindro pequeño: P1 = P2
- Entonces F1/A1 = F2/A2 y esto quiere decir que al ser A2 mayor que A1, para que se cumpla dicha igualdad, F2 debe ser mayor que F1 (las mismas veces que A2 es mayor que A1) como A2 es el doble de A1 ( 10 cm2 es el doble de 5cm2) F2 debe ser el doble de F1 (efectivamente 10000 kgf es el doble de 5000 kgf)
- Porque el principio de Pascal dice que "Un cambio de presión aplicado a un fluido en reposo dentro de un recipiente cerrado se transmite sin alteración a través de todo el fluido". Y esto siginfica que la presión ejercida en el cilindro pequeño (P1) se transmite íntegramente al cilindro grande y, por tanto, la presión en el cilindro grande (P2) debe ser igual a la que se ejerce en el cilindro pequeño: P1 = P2
- La respuesta b es incorrecta porque está enunciada justo al revés.
- La respuesta c es incorrecta, porque el principio de Pascal dice exactamente lo contrario.
- La respuesta d es incorrecta porque la fuerza se puede expresar en kgf o en newton 1kgf = 9,8 N