Hidráulica
La palabra "Hidráulica" proviene del
griego "hydro" que significa "agua", y “aulos” que
significa cañería o en tuba miento, cubrió originalmente el estudio del
comportamiento físico del agua en reposo y en movimiento.
La “hidráulica”, por lo tanto, es un adjetivo que
implica que la palabra está de alguna manera relacionada con líquidos. Ejemplos
pueden ser encontrados en el uso diario de “hidráulica” en conexión con
elementos familiares como los gatos de automóviles y los frenos. Como un
ejemplo gráfico, la frase “elevador hidráulico de carga” se refiere a un
elevador ascendiendo y descendiendo sobre una columna de líquido en lugar de
usar cables y un tambor. Por otro lado, la palabra “hidráulica” es el nombre
genérico de un tema. De acuerdo con el diccionario la palabra “hidráulica”
está definida como la ciencia que trata con aplicaciones prácticas (tales
como la transmisión de energía o los efectos del caudal) de un líquido en
movimiento.
El uso ha ampliado su significado para incluir el
comportamiento de todos los líquidos, aunque se refiera sobre todo al
movimiento de líquidos. La hidráulica incluye la manera de la cual los
líquidos actúan en los tanques y las cañerías, se ocupa de sus
características, y explora maneras de aprovechar las mismas. Hoy el término
hidráulica se emplea para referirse a la transmisión y control de fuerzas y movimientos
por medio de líquidos, es decir, se utilizan los líquidos para la transmisión
de energía, en la mayoría de los casos se trata de aceites minerales pero
también pueden emplearse otros fluidos, como líquidos sintéticos, agua o una
emulsión agua-aceite.
La potencia fluida es un término que fue creado
para incluir la generación, control, y el uso de la energía en forma continua
y eficaz de fluidos bombeados o comprimidos (líquidos o gases) cuando se
utiliza esta energía para proporcionar la fuerza y el movimiento a los
mecanismos. Esta fuerza y movimiento puede estar en forma de empuje,
tracción, rotación, regulación, o conducción. La potencia fluida incluye la
hidráulica, que se relaciona con los líquidos, y la neumática, que se
relaciona con los gases. Los líquidos y los gases son similares en muchos
aspectos.
Sistemas
hidráulicos
Un
sistema hidráulico contiene y confina un líquido de manera que la misma usa
las leyes que gobiernan los líquidos para transmitir potencia y desarrollar
trabajo. Vemos aquí algunos sistemas básicos y tratamos componentes de un
sistema hidráulico que almacenan y acondicionan el fluido. El reservativo de
aceite (sumidero y tanque) usualmente sirve para depósito y acondicionador
del fluido. Los filtros, reguladores y conexiones magnéticas acondicionan el
fluido al quitar impurezas extrañas que podrían obstruir los pasajes y dañar
las partes. Los intercambia dores de calor o enfriadores son usados para
mantener la temperatura del aceite dentro de los límites aceptables de seguridad
y evitar el deterioro del aceite. Los acumuladores, a pesar de ser
técnicamente fuentes de energía almacenada, actúan como almacenes de fluido.
DESARROLLO DE LA HIDRÁULICA
Aunque el desarrollo moderno de la hidráulica sea
comparativamente reciente, las antiguas civilizaciones estaban familiarizadas
con muchos principios hidráulicos y sus usos. Los egipcios y la población
antigua de Persia, India, y China transportaron el agua a lo largo de canales
para la irrigación y propósitos domésticos, usando las presas y esclusas para
controlar el caudal. Los antiguos cretenses tenían un sistema de fontanería
avanzado. Arquímedes estudió las leyes de la flotación y cuerpos sumergidos.
Los romanos construyeron los acueductos para llevar el agua a sus ciudades.
Después de la desintegración del mundo antiguo,
hubo pocas novedades por muchos siglos. Luego, durante un período
comparativamente corto, comenzando cerca del final del siglo XVII, el físico
italiano, Evangelista Torricelle, el físico francés, EdmeMariotte, y posteriormente,
Daniel Bernoulli condujeron experimentos para estudiar los elementos de
fuerza en la descarga del agua a través de pequeñas aberturas a los lados de
los tanques y a través de cañerías cortas. Durante el mismo período, Blaise
Pascal, científico francés, descubrió la ley fundamental de la ciencia de la
hidráulica.
La ley de Pascal indica que el aumento en la
presión sobre la superficie de un líquido confinado es transmitido sin
disminución a través del recipiente o del sistema que lo contiene . (Éste es
el principio básico de la hidráulica).
Para que la ley de Pascal sea útil en usos
prácticos, era necesario tener un pistón que “encajara exactamente.” No fue
sino hasta la última parte del siglo XVIII en que fueron encontrados métodos
para hacer piezas que encajaran con precisión según los requerimientos de los
sistemas hidráulicos. Esto fue logrado por la invención de máquinas que
fueron utilizadas para cortar y para dar forma a las piezas, logrando el
encastre necesario, particularmente, por el desarrollo de juntas y
empaquetaduras. Desde entonces, componentes tales como válvulas, bombas,
cilindros actuadores, y motores han progresado y perfeccionado para hacer de
la hidráulica una de tecnologías principales para transmitir potencia.
La prensa hidráulica, inventada por el inglés
John Brahmah, fue uno de los primeras partes realizables de maquinaria
desarrolladas que utilizaron la hidráulica en su operación. Consistió en una
bomba de émbolo canalizada por tubos a un cilindro grande y a un pistón. Esta
prensa encontró uso amplio en Inglaterra porque proporcionó medios más
eficaces y más económicos de aplicar grandes fuerzas en aplicaciones
industriales.
Neumática
La neumática es
una fuente de energía de fácil obtención y tratamiento para el control de
máquinas y otros elementos sometidos a movimiento. La generación , almacenaje
y utilización del aire comprimido resultan relativamente baratos y además
ofrece un índice de peligrosidad bajo en relación a otras energías como la
electricidad y los combustibles gaseosos o líquidos. Ofrece una alternativa
altamente segura en lugares de riesgo de explosión por deflagración, donde
otras energías suponen un riesgo importante por la producción de calor,
chispas, etc.
CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA HIDRAÚLICA Y NEUMÁTICA
En la actualidad las aplicaciones de la oleo
hidráulica y neumática son muy variadas, esta amplitud en los usos se debe
principalmente al diseño y fabricación de elementos de mayor precisión y con
materiales de mejor calidad, acompañado además de estudios más acabados de
las materias y principios que rigen la hidráulica y neumática. Todo lo
anterior se ha visto reflejado en equipos que permiten trabajos cada vez con
mayor precisión y con mayores niveles de energía, lo que sin duda ha permitido
un creciente desarrollo de la industria en general.
Los
sistemas hidráulicos tienen muchas características deseables. Sin embargo,
una desventaja es el elevado costo original de muchos componentes. Esto es
más que superado por más muchas ventajas que hacen de los sistemas
hidráulicos los medios más económicos de transmisión de potencia. Vemos a
continuación algunas ventajas de los sistemas hidráulicos.
Eficiencia.
Descontando las pérdidas que puedan ocurrir en sus vínculos mecánicos,
prácticamente toda la energía transmitida a través de un sistema hidráulico
es recibida a la salida, donde el trabajo es llevado a cabo. El sistema
eléctrico, su competidor más cercano, es 15 a 30% menor en eficiencia. Los
mejores sistemas totalmente mecánicos son generalmente 30 a 70% menos
eficientes que los sistemas hidráulicos comparables debido a factores de
inercia elevada y pérdidas friccionales. La inercia es la resistencia al
movimiento, acción o cambio.
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HIDRAULICA Y NEUMATICA
martes, 25 de junio de 2013
Confiabilidad.
El sistema hidráulico es consistentemente confiable. A diferencia de otros
sistemas mencionados, el mismo no está sujeto a cambios en el desempeño o a
fallas súbitas inesperadas.
Sensibilidad
de control. El líquido confinado de un sistema hidráulico opera como una
barra de acero al transmitir la fuerza. Sin embargo, las partes móviles son
livianas y pueden ser puestas en movimiento o paradas casi instantáneamente.
Las válvulas dentro del sistema pueden iniciar o parar la circulación de
fluidos presurizados casi en forma instantánea y requerir muy poco esfuerzo
para ser manipuladas. El sistema completo es muy manejable por el control del
operario.
Flexibilidad
de instalación. Las líneas hidráulicas pueden ser colocadas casi en cualquier
lugar. A diferencia de los sistemas mecánicos que deben seguir recorridos
rectos, las líneas de un sistema hidráulico pueden ser dirigidas alrededor de
obstáculos. Los principales componentes de los sistemas hidráulicos, con la
excepción de las bombas impulsadas localizadas cerca de la fuente de
suministro de potencia, pueden ser instaladas en una variedad de lugares. Las
ventajas de estas características son fácilmente reconocibles al estudiar las
muchas localizaciones de los componentes hidráulicos en varios tipos de
aviones.
Requerimientos
de poco espacio. Las partes funcionales de un sistema hidráulico son pequeñas
en comparación con aquellas de otros sistemas, por lo tanto, el requerimiento
de espacio es comparativamente bajo.
Estos
componentes pueden ser fácilmente conectados mediante líneas de cualquier
longitud o contorno. Las mismas pueden ser separadas e instaladas en espacios
pequeños, sin uso o fuera del camino. Áreas grandes con falta de uso
para los sistemas hidráulicos con innecesarias, en resumen, los
requerimientos especiales de espacio son reducidos a un mínimo.
Bajo
peso. El sistema hidráulico pesa relativamente poco en comparación con la
cantidad de trabajo que hace. Un sistema mecánico o eléctrico capaz de hacer
el mismo trabajo pesa considerablemente mas. Dado que el peso de la carga no
útil es un factor importante sobre una aeronave, el sistema hidráulico es
ideal para el uso en aviación.
Auto
lubricación. La mayoría de las partes de un sistema hidráulico operan en un
baño de aceite. Los pocos componentes que no requieren lubricación periódica
son los vínculos mecánicos del sistema.
Bajos
requerimientos de mantenimiento. Los registros de mantenimiento
consistentemente muestran que los ajustes y las reparaciones de emergencia a
las partes de un sistema hidráulico son necesarios con poca frecuencia.
Fuerza
La
palabra “fuerza” usada en un sentido mecánico, significa un empuje o
tracción. La fuerza, debido a que empuja o tracciona, tiende a causar que el
objeto sobre el cual es aplicado la fuerza se mueva. En ciertas
circunstancias, cuando la fuerza que actúa sobre un objeto no es suficiente
para superar su resistencia o arrastre, ningún movimiento tendrá lugar. En
tales casos, la fuerza aún es considerada como presente.
Dirección
de la fuerza. La fuerza puede ser ejercida en cualquier dirección. La misma
puede actuar hacia abajo: como cuando la gravedad actúa sobre un cuerpo,
empujándolo hacia la tierra. La fuerza puede actuar en forma transversal:
como cuando el viento empuja un bote a través del agua. Una fuerza puede ser
aplicada hacia arriba: como cuando un atleta arroja (empuja) una bola hacia
el aire. O una fuerza puede actuar en todas las direcciones a la vez: como
cuando un globo explota.
Magnitud
de la fuerza. La extensión (magnitud) de una fuerza dada es expresada por
medio de una única medición. En los Estados Unidos, la libra (pound) es la
unidad de medición de la fuerza. Por ejemplo, se emplearon 7,5 millones de
libras de empuje para elevar (fuerza) la nave Apolo fuera de su lanzadera. La
fuerza hidráulica es medida en la cantidad de libras requeridas para
desplazar un objeto dentro de un área específica, como por ejemplo una
pulgada cuadrada.
Presión.
La
palabra “presión”, cuando es usada en conjunto con sistemas mecánicos e
hidromecánicos, tiene dos usos diferentes. Uno es técnico; el otro; no
técnico. Estos dos usos pueden ser fácilmente distinguidos entre sí por la
presencia o ausencia de un número. En el uso técnico, un número siempre
acompaña a la palabra “presión”. En el uso no técnico, ningún número está
presente. Estas definiciones son explicadas con mas detalles a continuación.
Técnico.
El número que acompaña a la presión contiene información específica acerca de
la fuerza significativa de la fuerza que es aplicada. La magnitud de esta
fuerza aplicada es expresada como el valor al cual la fuerza es distribuida
sobre el área sobre la cual está siendo aplicada. Así, libras por pulgada
cuadrada (psi) expresan una relación de presión como las millas por hora
(mph) expresan velocidad. Un ejemplo de esto es: “El sistema hidráulico en el
avión UH-1 funciona a 1500 psi”.
No
técnico. La palabra “presión”, cuando es usada en el sentido no técnico
indica que una cantidad no especificada de fuerza es aplicada a un objeto.
Frecuentemente adjetivos tales como liviano, medio o pesado son usados
para quitar algo de la vaguedad concerniente a la magnitud de la fuerza
aplicada.
Medición
de presión
Cuando
se usa en sentido técnico, la presión es definida como la cantidad de fuerza
por unidad de área. Para tener significado universal, consistente y
definitivo, la unidades estándar de medición son usadas para expresar
presión. En los Estados Unidos, la libra es la unidad de medición usada para
la fuerza, y la pulgada cuadrada es la unidad de área. Esto es comparable a
la unidad de medición usada para la velocidad: la milla es la unidad de
medición de distancia, y la hora es la medición de tiempo.
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Una medición
de presión es siempre expresada en términos de ambas unidades de medición
según lo explicado: cantidad de fuerza y unidad de área. Sin embargo, sólo
una de estas unidades, la cantidad de fuerza, es variable. La pulgada
cuadrada es usada sólo en singular, nunca más o menos de una pulgada
cuadrada.
Una
medición de presión dada puede ser citada en tres modos diferentes y aún
significar la misma cosa. Por lo tanto, 50 psi de presión, 50 libras de
presión y 50 psi tienen el mismo significado.
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. Fuerzas muy grandes se pueden controlar por otras más pequeñas y
se pueden transmitir a través de líneas y de orificios comparativamente
pequeños.
Si el sistema se adapta bien al trabajo que se
requiere realizar, y si no se emplea mal, puede proporcionar una acción
continua, flexible, uniforme y sin vibraciones, y no es afectado por
variaciones de la carga. En caso de una sobrecarga, una reducción automática
de la presión puede ser garantizada, de manera de proteger el sistema contra
averías o tensiones excesivas. Los sistemas de potencia mediante fluidos
pueden proporcionar amplios movimientos variables, tanto en la transmisión de
energía rotatoria como en forma rectilínea. La necesidad del control manual
puede ser reducida al mínimo. Además, los sistemas de potencia fluida son
económicos para operar.
La pregunta que puede presentarse es porqué usar
la hidráulica en ciertos usos y neumática en otros. Muchos factores son
considerados por el usuario y/o el fabricante al determinar qué tipo de
sistema utilizar en un uso específico. No hay reglas claras e inmediatas a
seguir; sin embargo, la experiencia pasada ha proporcionado algunas
conclusiones que se consideran generalmente cuando se toman tales decisiones.
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.
La hidráulica y la neumática se combinan para
algunos usos. Esta combinación se refiere como hidroneumática. Un ejemplo de
esta combinación es la elevación usada en garajes y estaciones de gasolina.
La presión de aire se aplica a la superficie del fluido hidráulico en un
depósito. La presión de aire fuerza el líquido hidráulico a levantar el
elevador.
Dentro de las aplicaciones se pueden distinguir
dos, móviles e industriales:
Aplicaciones Móviles
El empleo de la energía proporcionada por el aire
y aceite a presión, puede aplicarse para transportar, excavar, levantar,
perforar, manipular materiales, controlar e impulsar vehículos móviles tales
como:
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En la industria, es de primera importancia contar
con maquinaria especializada para controlar, impulsar, posicionar y mecanizar
elementos o materiales propios de la línea de producción, para estos efectos
se utiliza con regularidad la energía proporcionada por fluidos comprimidos.
Se tiene entre otros:
Otras aplicaciones se pueden dar en sistemas
propios de vehículos automotores, como automóviles, aplicaciones
aeroespaciales y aplicaciones navales, por otro lado se pueden tener
aplicaciones en el campo de la medicina y en general en todas aquellas áreas
en que se requiere movimientos muy controlados y de alta precisión, así se
tiene:
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