Los elementos hidráulicos son autolubricantes y,
1. Fundamentos físicos de la Hidráulica Hidráulica
por tanto, su duración es larga.
1.1 Oleohidráulica - introducción Generalidades sobre la hidráulica
No obstante, también tienen desventajas. En
A la pregunta: « ¿Que es la hidráulica?» puede
muchos casos se encuentran en el medio de
responderse, desde el punto de vista técnico
transmisión, en el mismo liquido a presión.
industrial, del modo siguiente: Se entiende por hidráulica la transmisión y el control de fuerzas y movimientos mediante
En las altas presiones del líquido hidráulico hay peligros inherentes. Por esta razón, hay que
líquidos.
prestar atención a que todas las conexiones estén firmemente apretadas y estancas.
Las instalaciones y elementos hidráulicos están muy divulgados en la técnica. Se emplean, por ejemplo,
EI rozamiento y las fugas de aceite reducen el rendimiento.
en la construcción de maquinas - herramientas
En la construcción de prensas
Combinándola con la electrotecnia, la mecánica y la
En la construcción de instalaciones
neumática se pueden resolver de forma excelente
En la construcción de automóviles
problemas técnicos de fabricación.
En la construcción de aviones y
En la construcción de barcos.
Condiciones que la hidráulica impone a la persona que la aplica:
Las ventajas de la hidráulica residen en el hecho de
que con pequeños elementos, fácilmente pilotables y regulables, pueden producirse y transmitirse fuerzas y potencias grandes.
carga máxima es posible con cilindros hidráulicos y un
motor
hidrostática y de la hidrodinámica
Conocimientos de las unidades y magnitudes físicas de la hidráulica
La puesta en marcha de un objeto parado con con
Conocimientos de los fundamentos físicos de la
hidráulico.
Disponiendo
los
correspondientes elementos de mando se puede
Conocimientos de los elementos hidráulicos y de su actuación conjunta en sistemas hidráulicos, que pueden telegobernarse.
invertir rápidamente la dirección del movimiento.
Conservación de la energía en instalaciones instalaciones hidráulicas hidráulicas
Energía
Energía
Energía
Energía
eléctrica
hidráulica
hidráulica
mecánica
Elementos hidráulicos de Motor
Bomba
eléctrico
hidráulica
mando y regulac
Motor hidráulico
Herramienta
9
1.2 Magnitudes físicas y unidades de la hidráulica Para
comprender
mencionarse
las
mejor
la
magnitudes
hidráulica, físicas
deben
que
se
de fuerza. EI ingles Newton (1643-1727) descubrió la siguiente relación natural:
presentan. Fuerza = Masa Aceleración
Vd. se preguntará ahora seguramente: «¿Que es en realidad una magnitud física?». En la técnica, par
Representada como ecuación de unidades
magnitudes físicas se entienden propiedades de
Fuerza = Kg
cuerpos, así como procesos a estados que se pueden medir. Así, son magnitudes físicas la velocidad, la presión, el tiempo' y la temperatura. Par ejemplo, los colores no son m agnitudes físicas.
Como unidad de fuerza, tenemos pues la unidad
derivada,
llamada en forma abreviada
newton (símbolo N).
Existen diferentes unidades para cada una de las magnitudes; par ejemplo, para la fuerza tenemos el
kilopondio y también el newton y otras.
La unidad de fuerza newton newton puede demostrarse demostrarse de A fin de conseguir conceptos claros y unívocos, los
la
servicios técnicos y científicos de la mayoría de los
colguémosla de un hilo. La pesa tira del hilo con una
países están a punta de acordar la unificación de sus
fuerza de
siguiente
manera:
Tomemos
una
pesa
y
1 newton. ¿Por qué ocurre esto?
unidades conforme al «Sistema internacional de unidades» (abreviado SI). EI sistema internacional
Explicación:
de unidades parte solamente de 7 unidades básicas. Para la descripción de la hidráulica son necesarias las siguientes magnitudes magnitudes y sus unidades: unidades:
Fuerza = Masa Aceleración
Para la aceleración hay que aplicar la aceleración de la gravedad (g = 9,81
), puesto que si soltásemos
- Longitud
en metros (m)
la pesa, se caería al suelo debido a esta aceleración.
- Masa
en kilogramos (kg)
En este caso se trata de una fuerza producida par 1
- Tiempo
en segundos (s)
- Temperatura
en kelvin (K) o grados
De ellas pueden derivarse las demás magnitudes físicas importantes para la hidráulica, como son,
peso. Esta tiene dos características: 1) Su línea de acción es siempre vertical 2) Su causa es el campo de gravitación terrestre.
fuerza, superficie, volumen, caudal, presión y velocidad.
-Fuerza = Masa Aceleración de gravedad
En el sistema internacional de unidades se ha
-La masa se elige de 0,102 kg (102 g).
establecido el kilogramo como unidad de masa. Pero, ¿qué significa masa? En sentido general se designa a la masa como peso. Un cubo de acero de
-Fuerza producida par el peso = 0,102 kg 9,81
1 kg de peso tiene una masa de 1 kg. Característica de la masa es su independencia de la aceleración de la gravedad. Par ejemplo, una masa de 1 kg es también un kg en la luna. AI fijar la unidad de la masa y combinarla can la aceleración de la gravedad se determina la unidad
-Fuerza producida par el peso = 1 kg
-Fuerza producida par el peso = 1 N Este ejemplo muestra también que solo en nuestro planeta una pesa de 102g
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Origina una fuerza de 1 N, pues hemos tenido que
Indicadas en Pabs no dependen en absoluto de la
aplicar la aceleración de la gravedad terrestre. En la
presión
atmosférica
luna, la misma pesa solo producirá una fuerza de 0,166 N, porque La presión es la fuerza dividida par la superficie P=
en
de presión se refieren a la presión atmosférica. Se
emplea, pues, el símbolo Pe, siendo Pe = 0 el nivel
de la presión atmosférica del lugar en que se
La unidad SI derivada para la presión es por tanto
En la hidráulica y también en la neumática, los datos
, llamada pascal (símbolo Pa).
efectúa la medición. Cuando la presión se indique en kPa (bar), habrá que convertirla a
La presión de 1 Pa es muy pequeña. Tanto, que no se aprecia sobre la piel. La ejerce aproximadamente una hoja arrancada de este libro sobre el objeto en
Ejemplo:
que se deposita. Un metro cuadrado de este papel
Sobre una superficie de 1 cm2 actúa una presión de
pesa 100 9 Y ejerce una fuerza de 1 N por metro
5000 kPa (50 bares). ¿Qué magnitud tiene la fuerza
cuadrado, o sea, la presión de 1 Pa. Una reducción
que actúa sobre ella?
del papel no influye sobre la presión, puesto que la superficie sometida a ella es proporcionalmente menor. Como el pascal es una presión pequeñísima, se suele emplear el múltiplo mil ( ) del pascal, el kilopascal (símbolo kPa) o el múltiplo cien del kilopascal, el bar (símbolo bar). 1 bar =Pa = 100 kPa = (
F = A· P F = 1 5000 kPa 5000 kPa kPa = 500
F = 1 500
)
F = 500 N
1 Pa = bar Los datos de presión se entienden siempre
Ejemplo:
relacionados con una presión de referencia, que en general es la presi6n atmosférica. Esta depende del
En una tronzadora se necesita una fuerza de 100
fenómeno climatológico y varía.
kN. EI cilindro hidráulico correspondiente tiene una superficie de 200 . ¿Qué magnitud mínima debe
La presión referida a la atmosférica tiene el símbolo
tener la presión en el cilindro, para que el embolo
Pe. EI índice e es abreviatura de la palabra latina
alcance esta fuerza?
excedens, que significa excedente. Una presión de 200 kPa
(2 bar) mayor que atmosférica. Pe =
-50 kPa (-0,5 bar) es una presión 50 kPa (0,5 bar) menor que la atmosférica. Los valores negativos de Pe no pueden ser mayores de
-100 (-1) (p. ej., no no
pueden ser de -200 kPa (2 bar), pues no existe una presión inferior al vacio absoluto. el vacio absoluto
es el punto cero de la presión atmosférica la presión del aire medida en cada caso es la presión absoluta,
teniendo el símbolo Pabs. En las leyes de la física se utiliza con frecuencia la presión absoluta. Las presiones
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1.3 Leyes fundamentales fundamentales físicas físicas de la
Ejemplo:
hidráulica
Fuerza F=1000N
Hidrostática (líquidos en estado de reposo) En
Superficie A del embolo =10
ambos recipientes (fig. 1), la presión (fuerza dividida por superficie) que el liquido ejerce con su peso sobre el fondo de los depósitos es igual. La igual. La presión
hidrostática depende depende únicamente únicamente de la altura altura 1 de la columna de Líquido y no de la forma del recipiente.
Ensayo 1:
Tres recipientes de diversa forma, pero con la misma superficie básica, se sujetan sucesivamente en un trípode y llena de agua (fig. (fig. 2) La placa de fondo 2 se empuja con una pesa contra el fondo del recipiente. En cada recipiente se marca y se mide la altura del Liquido 1 alcanzada en el momento en que se separa el fondo. Resultado: En los tres recipientes, la columna de
Líquido tiene la misma altura. Si sobre un Líquido se ejerce una fuerza - por ejemplo, a través de la superficie A del embolo -, dicha fuerza se transmite uniformemente por el liquido. Produce en las paredes y en el fondo del recipiente una presión que en todas partes tiene la misma magnitud si no se considera la presión producida por el peso del Líquido (fig. 3). Ensayo 2:
Se empuja el embolo de una jeringa esférica introduciéndolo en el cilindro. Resultado: La presión del embolo se transmite al
Líquido, y el agua sale eyectada por todos los orificios de la bola esférica. La presión presión del Líquido se extiende hacia todos los lados (fig. 4). La presión reinante en el recipiente de la figura 3 se calcula dividiendo la fuerza F por la superficie A del embolo.
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En el siguiente ejemplo, la fuerza F no ha de variar,
1) Embolo de trabajo
pero la superficie del embolo ha de ser la mitad de
2)
Pieza
la del primer ejemplo.
3)
Válvula de cierre
4) Deposito Ejemplo:
5) Válvula antirretorno 6)
Fuerza F = 1000 N
Embolo de apriete
Superficie A del embolo = 5
Conclusión: Con la misma fuerza aplicada sobre la
mitad de la superficie del embolo, la presión sube al doble. Por consiguiente, con una misma fuerza se puede elevar la presión, disminuyendo la superficie del embolo.
Transmisión Transmisión hidráulica de fuerza Si se configura de forma móvil la superficie A1 del embolo del recipiente dibujado en la figura 5, se pueden transmitir fuerzas. La presión del recipiente se transmite también a la superficie A2 del embolo mayor y produce allí una fuerza mayor. Relación de la transmisión de fuerza de F1 a F2:
Como la presión en el recipiente es igual en todas las partes, tenemos:
EI comportamiento de las fuerzas es igual que el de las superficies de los émbolos. Si la superficie A2 es e s cuatro veces mayor que la A1 (este es el caso, si el embolo tiene el doble de diámetro), también se cuadriplica la fuerza. Este es el principio de la prensa hidráulica (fig. 6). Disponiendo de una presión, se puede obtener una fuerza mayor aumentando el tamaño de la superficie del embolo de trabajo.
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Calculo de la presión en una prensa hidráulica:
Dos émbolos de diverso tamaño están unidos por un vástago (fig. 8).
Se dan: Si se aplica la presión 1, por ejemplo, a la F1 = 60N
superficie de embolo A1, sobre el embolo grade
A1 = 2
actúa una fuerza
Se busca:
reaccionando en la superficie del embolo pequeño
través
del
F1.
vástago
Esta fuerza se transmite a al
embolo
pequeño,
A2. Con ello, la presión 2 es mayor que 1
en kPa (bar) Si se desprecian las perdidas por fricci6n, tenemos: Solución:
F1 = F2
1 A1 = 2 A2
Calculo de la fuerza en el embolo de trabajo 1 (fig. 7):
En un transmisor de presión, las presiones se comportan en proporción inversa a la de las superficies de los émbolos.
Se dan: F1 = 60 N A1 = 2 A2 = 200
Se busca: F2 en
N
Solución:
Otros análisis demostraran que tan poco en la prensa hidráulica se pueden obtener fuerzas de la nada. Las distancias que tienen que recorrer los émbolos se comportan en proporción inversa a las correspondientes superficies. En la hidráulica vale también la regla de la mecánica: Lo que se gana de fuerza hay que emplearlo en el camino.
Transmisor hidráulico de presión La prensa hidráulica es un transmisor de fuerza. La inversión de ella es el transmisor de presión.
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Ejemplo: EI embolo grande de un transmisor de presión tiene una superficie A1 = 100 ; a el se aplica una presión Pe1 = 600 kPa (6 bar). ¿Que magnitud tiene
Pe2, si A2 es de 10 ?
(Ecuación de la continuidad)
= 6000 (60 bar)
Hidrodinámica Hidrodinámica (fluidos) Ley de circulación
Por un tubo de diversas secciones (A1, A2, A3) circulan en el mismo espacio de tiempo los los mismos volúmenes. Esto significa que la velocidad del fluido tiene que aumentar (fig. 9). EI caudal V, que fluye por el tubo, resulta de la cantidad de fluido V en litros (1) dividida por la unidad de tiempo t en minutos (min).
EI volumen es también igual a la superficie A multiplicada por el largo S
(fig. 10a). Reemplazando V por este producto, se obtiene para V (fig. 10b).
EI camino s dividido por el tiempo t es la velocidad v. EI caudal
V es,
pues, también la superficie de la
sección del tubo multiplicada por la velocidad del liquido (fig. 10c).
Como los caudales
V 1
y V 2 en un tubo de diversas
secciones A1 y A2 tienen que ser iguales, deben variar
correspondientemente
las
velocidades
(fig. 11).
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desplazamiento). Conservando la corriente de
Ejemplo:
Por un tubo de una secci6n de 10 circula un Iiquido a una velocidad de 20 cm/s. ¿Qué velocidad
tiene el líquido si la sección disminuye a 2 ?
suministro,
están
en
condiciones
de
vencer
obstáculos
p. ej., de levantar cargas. La presión
puede aumentar entonces en el líquido líquido hidráulico hidráulico hasta más de 10000 o de 20000 kPa (100 de 200 bares). Por esta razón, se habla también de
Se dan:
accionamientos hidrostáticos. A1 = 10 A2= 2
Rozamiento y circulación
La energía hidráulica no puede transmitirse V1 = 20 cm/s
sin
ninguna perdida por tuberías. En las paredes del tubo y en el Líquido mismo se produce rozamiento,
Se busca:
que a su vez genera calor. La energía hidráulica se convierte en energía i térmica. Una pérdida de
V2 en cm/s
energía hidráulica significa una pérdida de presión Solución:
del líquido hidráulico.
En
los
lugares
angostos
del
sistema
hidráulico, el líquido hidráulico pierde pre sión.
todos
Esta pérdida de presión se debe al rozamiento del
medio que circula. Se denomina (delta p).
(fig. 12).
Energía hidráulica hidráulica Un
líquido
tiene
una
energía
mecánica
determinada. Si este líquido se mueve, su energía total se compone de tres energías parciales: • La energía estática (por el peso) depende de la
altura
de
la
columna
de
Líquido
• La energía hidrostática (debida a la presión)
depende
de
la
presión
Pe
• la energía hidrodinámica (debida al movimiento)
depende de la velocidad de la masa del líquido. En la oleo hidráulica se puede desestimar la energía estática, porque los circuitos oleohidraulicos no presentan construcción
generalmente
grandes
alturas
de
(por ejemplo, mas de
20 m). La energía hidrodinámica es también pequeña y puede desestimarse, porque la masa de aceite movida por los tubos relativamente estrechos
(en
general, de menos de 40 mm de diámetro) es pequeña y su velocidad es de solo algunos metros por segundo o incluso menos. La energía de un Líquido oleohidraulico resulta, pues, realmente de su presión. Las bombas hidráulicas (por ej., bombas de embolo, bombas de engranaje) trabajan según el principio hidrostático
(principio de
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Esta pérdida de presión en los estrechamientos, debido a que la energía se convierte en energía térmica, se provoca a veces deliberadamente (por ejemplo, en la válvula reductora de presión), pero a menudo no se desea que en los estrechamientos se pierda presión, por el calentamiento. Todo líquido hidráulico se calienta, pues, en servicio, por los muchos estrechamientos que hay en los elementos hidráulicos. Si se interrumpe la circulación, el Líquido se para. Estando en estado de reposo, no se produce ningún rozamiento. Como consecuencia, la presión es la misma delante y detrás del punto de estrangulación (fig. 13). Los Líquidos se trasladan por el tubo, hasta determinadas velocidades, de modo laminar
(en
capas). La capa interior del líquido es la más rápida. La exterior teóricamente esta parada pegada a la pared del tubo (fig. 14). Si aumenta la velocidad de circulación, al alcanzar la llamada velocidad critica, la corriente se vuelve turbulenta (se arremolina) (fig. 15). Con ello aumentan la resistencia de circulación y las perdidas hidráulicas. Por esta razón, general mente no se desea que la corriente sea turbulenta. La velocidad crítica tiene un valor fijo. Depende de la viscosidad del Líquido a presión y del diámetro del tubo. Puede calcularse y no debería sobrepasarse en una instalación hidráulica.
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