Guía Didáctica. Unidad 7

IDÁCTICA GUÍ UÍA DIDÁCTIC IDÁCTICA GUÍ UÍA DIDÁCTIC DIDÁCTIC IDÁCTICA GUÍ UÍA DIDÁCTIC IDÁCTICA GUÍ GUÍ UÍA DIDÁCTIC IDÁCTICA GUÍ UÍA DIDÁCTIC DIDÁCTIC IDÁCTICA GUÍ IDÁCTICA GUÍ GUÍA DIDÁCTICA

UNIDAD

7

Neumática e hidráulica

ESO

TECNOLOGÍA 4 CONTENIDO

1 Programación de aula* ......................................................................... 2

2 Sugerencias didácticas y soluciones Presentación de la unidad .......... ..................... ...................... ...................... ....................... ................... ....... Contenidos ........... ...................... ....................... ....................... ...................... ...................... ..................... .................... .......... Actividades .......... ..................... ....................... ....................... ...................... ...................... ..................... .................... .......... Taller de tecnología ........... ...................... ...................... ...................... ...................... ...................... ................. ...... Pon a prueba tus competencias ............ ....................... ...................... ....................... ................... .......

6 7 12 14 15

de evaluación de competencias ........... ...................... ............... ....

17

3 Actividades de refuerzo ....................................................................

18

4 Actividades de ampliación ...............................................................

20

...................... ...................... ...................... ...................... ...................... ........... 5 Propuesta de evaluación ...........

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Incluye una Matriz

*Esta programación y la concreción curricular de tu comunidad autónoma podrás encontrarlas en el CD Programación y en

Programación de aula Unidad

7


Son múltiples las aplicaciones para aprovechar las propiedades de los fluidos a presión, fundamentalmente en instalaciones automatizadas. En esta unidad se estudian algunas de estas posibilidades, así como los aspectos fundamentales que intervienen en el diseño y funcionamiento de los circuitos neumáticos e hidráulicos. En su desarrollo, los alumnos conocerán las propiedades generales de los fluidos, las aplicaciones de los sistemas neumáticos e hidráulicos, los elementos de control y trabajo en los circuitos neumáticos e hidráulicos, y la representación y simulación de los circuitos neumáticos e hidráulicos. Los contenidos están relacionados con el bloque 5 del currículo oficial, Neumática e hidráulica. Las competencias que se trabajan especialmente en esta unidad son la competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico, físico, la competencia para el tratamiento de la información y competencia digital, digital, la competencia en comunicación lingüística, lingüística, la competencia para la autonomía e iniciativa personal y personal y la competencia matemática. matemática.

OBJETIVOS

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

COMPETENCIAS BÁSICAS

1.1. Señalar las características de 1. Conocer las propiedades más signi-

ficativas de los fluidos a presión.

líquidos y gases. 1.2. Realizar cálculos de aplicación

del concepto de “presión” y del principio de Pascal. 2.1. Identificar los símbolos y descri-

2. Diferenciar las características fun-

damentales y los elementos que intervienen en los circuitos neumáticos e hidráulicos.

bir el funcionamiento de los elementos básicos de un circuito neumático e hidráulico. 2.2. Interpretar esquemas esquemas y analizar

el funcionamiento de circuitos neumáticos e hidráulicos sencillos. 3.1. Reconocer y analizar las posibi-

3. Reconocer las posibilidades de los

sistemas neumáticos e hidráulicos.

lidades y aplicaciones de la neumática y la hidráulica en máquinas, aparatos e instalaciones de uso común.

4. Usar simuladores para analizar el

4.1. Simular circuitos neumáticos e

comportamiento de los circuitos neumáticos e hidráulicos.

hidráulicos por medio de un programa de diseño asistido.

• Competencia en comunicación lingüística. • Competencia matemática. • Competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico. • Competencia para el tratamiento de la información y competencia digital. • Competencia para la autonomía e iniciativa personal.

CONTENIDOS Principios físicos de los sistemas neumáticos neumáticos e hidráulicos Circuitos neumáticos. – Compresor. – Acumulador. – Tuberías. – Elementos de mantenimiento. Actuadores. – Cilindros neumáticos. – Motores neumáticos. Válvulas. 2

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Diseño de circuitos neumáticos. – Cilindro de simple efecto con una válvula 3/2. – Cilindro de doble efecto con dos válvulas 5/2. Circuitos hidráulicos. – Bomba hidráulica. – Actuadores y elementos de distribución y control. Diseño de circuitos hidráulicos. – Circuito con válvula distribuidora. – Circuito con válvula reguladora de presión. Simulación de circuitos neumáticos neumáticos e hidráulicos.

Programación de aula

ORIENTACIONES METODOLÓGICAS 1. Conocimientos previos A pesar de tratarse de una unidad nueva, está relacionada con la unidad 6 ( Máquinas y mecanismos) de Tecnologías II, ya que los sistemas hidráulicos y neumáticos suelen estar conectados a distintos tipos de mecanismos que forman parte de muchas máquinas. Características de las máquinas Mecanismos de transmisión del movimiento lineal Mecanismos de transmisión del movimiento circular Mecanismos que cambian el tipo de movimientos

2. Previsión de dificultades Al albergar contenidos completamente nuevos para los alumnos, la dificultad se encuentra fundamentalmente en el diseño e interpretación de los circuitos neumáticos e hidráulicos. Los alumnos han de familiarizarse con la simbología completamente nueva y con los elementos que forman parte de cada circuito para desempeñar una función específica.

3. Vinculación con otras áreas Lengua y Literatura. Utilización de los nuevos términos empleados en la unidad y su comprensión; desarrollo de un pensamiento crítico mediante la lectura y la búsqueda de claves que sinteticen la información. Física y Química. Aplicación de las magnitudes relacionadas con los principios de los fluidos (presión, fuerza y velocidad) y conocimiento de sus unidades correspondientes. Matemáticas. Dominio del trabajo con ecuaciones a la hora de realizar cálculos de magnitudes relacionadas con los fluidos. Informática. Manejo de programas básicos de simulación.

4. Temporalización Para el desarrollo de esta unidad se recomienda la organización del trabajo en un tiempo aproximado de seis sesiones.

5. Refuerzo y ampliación Los distintos estilos de aprendizaje y las diferentes capacidades del alumnado pueden precisar de propuestas para afianzar y reforzar algunos contenidos. Las actividades de refuerzo de esta unidad se encuentran en las páginas 18 y 19 de este cuaderno, y las de ampliación, en las páginas 20 y 21.

EDUCACIÓN EN VALORES Tanto los contenidos de la unidad como el trabajo específico por competencias nos permiten, además, desarrollar algunos de los aspectos que el currículo recoge como Educación en valores. A lo largo de toda la unidad se trabaja en la educación medioambiental. Las prácticas en grupo favorecen el trabajo sobre la educación para la convivencia y la educación para la igualdad.

MATERIALES DIDÁCTICOS Bibliográficos

– CREUS SOLÉ, Antonio: Neumática e hidráulica, Ed. Marcombo, 2010. – SERRANO NICOLÁS, Antonio: Neumática, Ed. Paraninfo. Internet : recursos didácticos interactivos para profesores y alumnos. : propuestas didácticas. : plataforma educativa. : materiales para el profesor. : neumática básica. : sencillo simulador

de neumática.


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Programación de aula

CONTRIBUCIÓN DE LA UNIDAD A LA ADQUISICIÓN DE LAS COMPETENCIAS BÁSICAS Competencia en comunicación lingüística A través de los textos que se proponen al principio y al cierre de la unidad se trabaja la comunicación escrita. De este modo se permiten el conocimiento y la comprensión de diferentes tipos de textos, así como la adquisición del hábito de la lectura y el disfrute con ella. En la sección Amplía tu vocabulario se trabaja la incorporación de nuevas palabras en el lenguaje del alumno. En el texto “Armamento… de agua”, de la sección Pon a prueba tus competencias, los alumnos se encuentran con un artículo en el que se describen las características de las típicas pistolas de agua y su funcionamiento a lo largo de los años.

Competencia matemática A lo largo de la unidad, los alumnos se pueden encontrar en situaciones de calcular alguna magnitud física para poder analizar el comportamiento de algún elemento de un circuito neumático e hidráulico, así como el manejo del cambio de unidades para poder realizar estos cálculos. En la actividad “Fluidos viscosos”, de la sección Pon a prueba tus competencias , los alumnos deben interpretar unas gráficas en las que se muestra el comportamiento de la viscosidad de varias sustancias frente a la temperatura.

Competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico Esta unidad contribuye a la adquisición de la competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico mediante el conocimiento de los elementos que forman parte de los circuitos neumáticos e hidráulicos de los que constan multitud de máquinas y aparatos que se encuentran a su alrededor. De esta manera se pone de manifiesto la interacción con un entorno en el que lo tecnológico constituye un elemento fundamental para dar respuesta a las necesidades. En la actividad “Acueductos de España” se propone a los alumnos analizar los acueductos, como sistemas hidráulicos, para que valoren la importante aportación de los conocimientos sobre ingeniería de los romanos, tan importante aún en nuestras vidas.

Competencia para el tratamiento de la información y competencia digital En esta unidad se fomenta la confianza en el uso de los ordenadores como herramienta de trabajo de una manera autónoma. Por otra parte, en relación con el desarrollo de esta competencia debe destacarse el uso de las tecnologías de la información y la comunicación como herramienta de simulación de procesos tecnológicos mediante la utilización de un simulador de circuitos neumáticos e hidráulicos.

Competencia para aprender a aprender A partir del desarrollo de estrategias de resolución de problemas tecnológicos, en particular en el proceso de análisis y selección de información útil para abordar un proyecto, la unidad contribuye a la adquisición de la competencia para aprender a aprender. Además, el estudio metódico de los elementos de los circuitos neumáticos e hidráulicos proporciona habilidades y estrategias tan necesarias para el aprendizaje.

Competencia social y ciudadana A través de actividades en colaboración se trabajan la participación cívica, la convivencia y la resolución de conflictos. Esto supone ejercitar los derechos, libertades, responsabilidades y deberes cívicos, y desarrollar actitudes de cooperación, así como defender los derechos de los demás.

Competencia cultural y artística En la actividad “Hacer arte con la neumática”, de la sección Pon a prueba tus competencias, se pone de manifiesto la relación entre las técnicas de expresión artística, como es el uso de los aerógrafos, y la neumática.

Competencia para la autonomía e iniciativa personal La contribución a la autonomía e iniciativa personal se pone de manifiesto a lo largo de toda la unidad, ya que se invita a los alumnos a enfrentarse a los circuitos neumáticos e hidráulicos de manera autónoma y creativa a partir de una reflexión de las diferentes alternativas.

Otras competencias de carácter transversal Competencia emocional

En ciertos apartados de la unidad se plantean cuestiones que ponen a los alumnos en contacto con sus propias emociones y con las de los demás. Además, se hacen propuestas para ayudarles a gestionar sus sentimientos de manera constructiva.

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TRATAMIENTO ESPECÍFICO DE LAS COMPETENCIAS BÁSICAS EN LA UNIDAD A lo largo de la unidad se trabajan diversas competencias. No obstante, para esta unidad sugerimos un itinerario en el que se han seleccionado cinco competencias básicas, con el objeto de llevar a cabo un trabajo metódico y un registro de ellas. COMPETENCIA er

1. nivel de concreción

Competencia en comunicación lingüística

Competencia matemática

Competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico

Competencia para el tratamiento de la información y competencia digital

Competencia para la autonomía e iniciativa personal

SUBCOMPETENCIA 2.º nivel de concreción

DESCRIPTOR

DESEMPEÑO

3. nivel de concreción

4.º nivel de concreción

er

Conocer y comprender diferentes tipos de textos con distintas intenciones comunicativas.

Lee y comprende un texto con contenidos científicos. – Pon a prueba tus competencias: Armamento… de agua. Actividades 1 a 7 y 9, página 170.

Aplicar habilidades lingüísticas y estrategias no lingüísticas con intenciones comunicativas o creativas diversas.

A partir de la información de un texto es capaz de crear diseños propios. – Pon a prueba tus competencias: Armamento… de agua . Actividades 8 y 10, página 170.

Utilizar las matemáticas para el estudio y comprensión de situaciones cotidianas.

Realiza cálculos numéricos para resolver problemas de situaciones reales. – Actividades 1, 2, 3, 5, 14, 19 y 27.

Seleccionar las técnicas adecuadas para calcular resultados, y representar e interpretar la realidad a partir de la información disponible.

Extrae información e interpreta el comportamiento de una gráfica. – Pon a prueba tus competencias: Fluidos viscosos. Actividades 1 y 2, página 171.

Realizar predicciones con los datos que se poseen, obtener conclusiones basadas en pruebas y contrastar las soluciones obtenidas.

Sabe interpretar el funcionamiento básico de los circuitos neumáticos e hidráulicos, los comprueba y predice el funcionamiento en otras condiciones. – Actividades 4, 8, 9, 10, 11, 15, 24 y 26. – Investiga. Actividades 30 y 31, página 167.

Conocer y valorar la aportación del desarrollo de la ciencia y la tecnología a la sociedad.

Valora la aportación de la neumática y la hidráulica en el desarrollo de la tecnología. – Pon a prueba tus competencias: Acueductos en España. Actividades 1 a 5, página 171. – Desarrolla tus competencias. Actividades 1, 2 y 3, página 149.

Obtención, transformación y comunicación de la información.

Organizar la información, relacionarla y sintetizarla.

Sabe organizar y seleccionar la información que obtiene en diferentes medios. – Actividades 6, 7 y 18. – Pon a prueba tus competencias: Armamento… de agua. Actividad: 10, página 170.

Uso de las herramientas tecnológicas.

Hacer uso habitual de los recursos tecnológicos disponibles para aplicarlos en diferentes entornos y resolver problemas reales.

Utiliza simuladores de circuitos neumáticos e hidráulicos. – Actividades 9 a 18 y 34 a 37. – Taller de Tecnología: Cómo diseñar y probar un circuito con un simulador, página 168.

Afrontar los problemas de forma creativa, buscar soluciones y llevarlas a la práctica.

Previamente a su diseño, comprueba el funcionamiento de los circuitos neumáticos e hidráulicos. – Taller de Tecnología: Cómo diseñar y probar un circuito con un simulador, página 168.

Comunicación escrita.

Relación y aplicación del conocimiento matemático a la realidad.

Aplicación del método científico en diferentes contextos.

Conocimiento y valoración del desarrollo científicotecnológico.

Planificación y realización de proyectos.


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Sugerencias didácticas y soluciones Presentación de la unidad SUGERENCIAS DIDÁCTICAS La imagen que inicia la unidad muestra a una buceadora y una tortuga en un fondo marino. Dado que este medio es más propio de la tortuga, la buceadora necesita un equipo que le suministre aire para respirar a la debida presión, pues, de otro modo, sus pulmones no podrían hacerlo. Además, el aire debe ser proporcionado exactamente a la misma presión a la que se encuentre la buceadora. Para conseguir esto es necesario conocer las características de los fluidos y utilizar circuitos neumáticos, cuyos elementos se estudiarán en la unidad junto a los circuitos hidráulicos. Del mismo modo se estudiarán diferentes aplicaciones de la neumática y la hidráulica, sus particularidades y diferencias. Reflexión: el efecto de la presión

La presión es un concepto importante y recurrente durante toda la unidad. Para hacer más entendible esta importancia, se puede preguntar a los alumnos si bastaría suministrar aire atmosférico a la buceadora simplemente a través de un tubo muy largo. La respuesta es negativa. El aire que tratara de respirar la buceadora estaría a presión atmosférica, pero las paredes de sus pulmones sufrirían la presión del agua. Es fácil comprenderlo si se sabe que a diez metros de profundidad, la presión es el doble que la atmosférica; a veinte, se triplica, y así sucesivamente. PROFUNDIDAD

PRESIÓN EN ATMÓSFERAS

Nivel del mar

1

10 m

2

20 m

3

30 m

4

Los músculos intercostales no pueden vencer esa presión y no podrían ensanchar la caja torácica para tomar aire. Reflexión: diferencias entre gases y líquidos

Sería interesante retomar el ejemplo de la buceadora para mostrar la principal diferencia entre los líquidos y los gases, que es que los gases son muchísimo más compresibles que los líquidos. Se puede proyectar una escena en clase de la película Hombres de honor , del año 2000, dirigida por George Tillman Jr. y protagonizada por Robert de Niro, con Cuba Gooding Jr. y Charlize Theron. El instructor de buceo de la marina Billy Sunday (Robert de Niro) intenta enseñar la ley de Boyle a un joven recluta, Carl Brashear (Cuba Gooding Jr.) con una excesiva violencia. Esta ley establece que para un gas, la presión y el volumen son inversamente proporcionales. Se puede preguntar a los alumnos por qué era tan importante que un buzo conociese esta ley. 6

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Tras unos minutos en los que se pueden aportar las primeras ideas, se les puede reconducir concretando un poco más la situación y observando la tabla de la reflexión anterior. ¿Qué pasaría si un buceador tomara aire a diez metros de profundidad y, aguantando la respiración, subiese a la superficie? En esa situación, la presión que actuara sobre los pulmones se reduciría a la mitad, por lo que, según la ley de Boyle, el volumen del aire contenido en ellos se doblaría. De los cuatro o cinco litros que los pulmones pueden contener con normalidad, se pasaría a ocho o diez litros, lesionándolos gravemente. Además, cuando se respira aire a presión superior a la atmosférica, los tejidos absorben una mayor fracción de nitrógeno. Una vez en la superficie, el nitrógeno se va eliminando. Si el cambio de presión es muy brusco, se forman burbujas de este gas que, si pasan al riego sanguíneo, pueden causar serios problemas. Esto no se tuvo en cuenta durante la construcción del famoso puente de Brooklyn, en Nueva York, en la que los buzos bajaban para trabajar en los cimientos del puente y eran devueltos a la superficie demasiado rápido.

Por tanto, la diferente compresibilidad de los gases frente a los líquidos debe ser tenida en cuenta, y es una de las causas de que existan dos disciplinas: la neumática y la hidráulica.

SOLUCIONES 1. a) Es un mecanismo que regula el flujo de un fluido que circula por un conducto entre dos partes de una máquina o sistema. Se pueden encontrar en la mayoría de los balones para impedir que se salga el aire. b) Procede del latín hydraulı˘cus, y este del griego u' uó, derivado de u' uí , órgano musical movido por agua. Se refiera a aquello que se mueve por medio del agua o de otro fluido. 2. a) Es un conducto artificial por donde discurre el agua a un lugar determinado, y especialmente el que tiene por objeto abastecer de agua a una población. Es muy famoso el situado en Segovia, de la época de los romanos. b) Ambos fueron inventados para moler. 3. a) Por ejemplo, la prensa hidráulica. b) Del latín pneumatı˘cus, y este del griego πνευµατικóσ, relativo al aire.

Sugerencias didácticas y soluciones

1. Principios físicos de los sistemas neumáticos e hidráulicos SUGERENCIAS DIDÁCTICAS

Investigación: importantes estudiosos de los fluidos

Conviene recordar a los alumnos que la densidad es una propiedad que nos indica lo apretadas que se encuentran las partículas dentro de un volumen. Por eso se define como la masa que hay por unidad de volumen ( ρ m / V), y su unidad en el sistema internacional (SI) es el kg/m 3. Otra propiedad importante de los fluidos es la temperatura, porque muchas de las otras propiedades dependen de ella. Por ejemplo: La viscosidad. El aceite hirviendo fluye con mayor rapidez que el aceite recién sacado del frigorífico. La densidad. En general, en cualquier fluido, al aumentar la temperatura, disminuye su densidad; por eso, el aire caliente tiende a subir (de ahí la calefacción de suelo radiante). El agua, sin embargo, tiene su máxima densidad a 4 °C, de manera que el hielo es menos denso que el agua y por eso flota. Esto explica también por qué los lagos se congelan de arriba para abajo o por qué existe vida en el interior de ríos y lagos helados.

Se puede pedir a los alumnos que busquen información sobre la contribución al estudio de los fluidos de diferentes científicos de los siglos XVI al XX; por ejemplo, Leonardo da Vinci, Galileo, Torricelli, Pascal, Bernoulli, Navier, Stokes, Reynolds, Venturi, Poiseuille o Prandtl.

=

SOLUCIONES 1. p

=

F S

=

p

400 (N) 2 (m2 ) =

10 5 (bar) 1 (Pa) −

=

200 Pa

=

200 (Pa)

200 (Pa) 98 000 (Pa/atmtec.)

⋅

=

0,02 bar

204 , 10 3 atm téc. −

=

⋅

2. Operando en el sistema internacional de unidades: p

=

dgh

=

780 9,8 3 ⋅

3. Q = Av ⇒ v =

Q A

=

⋅

=

22 932 Pa

0,02 (m3 /s) 10 2 (m2 )

=

−

2 m/s

2. Circuitos neumáticos. El compresor SUGERENCIAS DIDÁCTICAS Los compresores permiten generar aire a presión capaz de producir la energía necesaria para mover los componentes del circuito neumático. Algunos de estos elementos pueden desarrollar elevadas fuerzas capaces de desplazar importantes pesos. En este epígrafe se estudian diferentes tipos de compresores, cada uno de ellos con sus propias características de ruido o caudal de aire que pueden manejar. Sería conveniente elaborar una tabla resumen similar a la siguiente: COMPRESOR

RUIDO

CAUDAL

Y también, por ejemplo, que marquen con un asterisco el tipo de compresor más común, el de émbolo. Ampliación: rendimiento de un compresor

La cantidad de aire que entra en un pistón para ser comprimido depende de muchos factores, como su densidad, que varía muy fácilmente con la temperatura, por ejemplo, pero también depende del estado de las válvulas o l as tuberías utilizadas. Debido a ello, la cantidad de aire comprimido que se obtiene es menor que el que en teoría debería proporcionar el pistón. Por eso se introduce el concepto de rendimiento volumétrico para el compresor: caudal real η=

⋅ 100

Paletas

Bajo

Grande

Tornillo helicoidal

Muy bajo

Medio

El rendimiento volumétrico se expresa en tanto por ciento.

Émbolo alternativo

Alto

Reducido

SOLUCIONES

Actividad práctica: propiedades de los compresores

Se copia en la pizarra la tabla anterior vacía, dejando solamente los encabezados. Se pide a los alumnos que lean el epígrafe detenidamente y completen la tabla con las características que se detallan.

caudal teórico

4. Sería preferible un compresor rotativo de paletas. 5. En cada carrera, el compresor desplaza un volumen de aire: 2

 D  2 3 −4 V = π   a = π ⋅ 0,06 ⋅ 0,03 = 3,4 4 ⋅ 10 m = 0,34 L  2 

Q = Vω = 0,34 (L) ⋅ 1000 (rpm) = 340 L/min

NOTAS


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3. Acumulador, tuberías y elementos de mantenimiento SUGERENCIAS DIDÁCTICAS Dado que los compresores no garantizan un flujo constante de aire comprimido, el aire se puede almacenar en tanques o acumuladores. Estos acumuladores proporcionan el aire comprimido necesario, incluso sin la participación del compresor. Este aire se transmitirá a través de las tuberías hasta el lugar donde se encuentren los actuadores. En los esquemas presentados en este epígrafe y en el anterior pueden apreciarse elementos de mantenimiento como el refrigerador o el secador. Cuando el aire se comprime, sus partículas pasan de estar alejadas a estar muy próximas, de manera que se producen muchos choques entre partículas, y entre estas y las paredes del recipiente que las contiene, produciéndose un aumento considerable de temperatura. Así, a la salida del compresor, el aire puede alcanzar una temperatura de hasta 150 °C. A esta temperatura no se puede permitir que el aire siga por el circuito, por lo que se necesita de un refrigerador (situado a la salida del compresor o en el propio depósito) que enfríe el aire hasta valores próximos a 25 °C. Es en este proceso en el que se elimina cerca del 80 % del agua contenida en el aire.

Investigación: el refrigerador

Se puede pedir a los alumnos que averigüen en qué consiste este dispositivo y cómo es capaz de enfriar el aire comprimido. El refrigerador consiste en un serpentín por donde circula el aire que, al entrar en contacto con agua a menor temperatura, se enfría. También podría ser al revés, agua fría circulando por el serpentín que, al contacto con el aire caliente, lo enfría. Se les puede preguntar si han visto alguna vez un serpentín. Basta darle la vuelta a cualquier frigorífico para encontrar uno.

SOLUCIONES 6. La técnica del aerografiado tiene múltiples aplicaciones en actividades como la pintura de vehículos, los tatuajes sobre la piel (body painting), etc. Si se utiliza pintura comestible, se pueden decorar tartas. Las medidas de precaución que deben seguirse han de encaminarse a evitar la inhalación de la pintura por parte del usuario, por lo que tienen que usarse máscaras protectoras.

4. Actuadores SUGERENCIAS DIDÁCTICAS Para poder entender bien el funcionamiento de los cilindros es importante manejar algunos términos específicos: Posiciones del cilindro. La posición 0 se produce cuando la mayor parte del vástago está dentro del cilindro, y la posición 1, cuando la mayor parte del vástago se encuentra fuera del cilindro. Carrera. Es el recorrido del vástago cuando el émbolo o elemento móvil se desplaza de un extremo a otro del cilindro. Ciclo. Es el recorrido del vástago desde la posición inicial hasta que vuelve a ella. Un ciclo son dos carreras. Así, el uso de un cilindro de simple o doble efecto depende de si se necesita que el émbolo realice trabajo en una o en las dos carreras del ciclo. En los cilindros de simple efecto, las carreras son siempre más cortas (10 cm) debido a que se debe dejar un espacio para situar el muelle; por este motivo son también más largos que los de doble efecto. En los cilindros de doble efecto hay que tener dos precauciones: se debe controlar el pandeo o movimiento del vástago en la posición 1, y también la velocidad con la que el vástago avanza y retrocede, porque suele ser elevada; para esto se utilizan reguladores de flujo. Actividad práctica: circuito para etiquetado de productos

Se puede plantear a los alumnos que diseñen un circuito neumático para el etiquetado de productos. Se podría

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diseñar con cilindros de simple efecto o cilindros de doble efecto. El cilindro estamparía la etiqueta sobre el producto, y volvería a su posición de reposo para tomar otra con la que etiquetar el siguiente producto. Sería interesante valorar las ventajas e inconvenientes de usar uno u otro.

SOLUCIONES 7. Entre las ventajas que se citan en el vídeo están las siguientes: – Obtener un combustible más barato. Técnicamente, el aire comprimido no puede considerarse como combustible, ya que no se quema en el pistón. – No se generaría contaminación alguna. – Se pueden fabricar motores con un peso mucho menor. El principal inconveniente es que, en caso de choque, existiría un alto riesgo de explosión. También se debería considerar el origen de la energía que se necesita para comprimir el aire. Si esta proviene de las fuentes de energía fósiles, continuaría contaminando. 8. El cerrojo de una puerta debe tener dos posiciones estables, abierto y cerrado. Por tanto, sería adecuado un cilindro de doble efecto, ya que hay que abrirlo y, posteriormente, cerrarlo a voluntad. El pestillo de una comunidad debe tener una sola posición estable, que es cerrado, y tender a ella aunque se abra momentáneamente. Sería adecuado un cilindro de efecto simple con retorno por muelle.


5. Elementos de control en circuitos neumáticos: las válvulas SUGERENCIAS DIDÁCTICAS

Ampliación: puertas lógicas con válvulas

Las diferentes válvulas vistas en este epígrafe permiten el control de los circuitos neumáticos, cada una de ellas con una función determinada. Es conveniente usar ejemplos prácticos de su aplicación.

De forma simplificada, una válvula selectora realiza la función lógica OR, es decir, que permite la salida de aire si este entra por cualquiera de las dos entradas. Una válvula de simultaneidad, por su parte, realiza la función lógica AND, es decir, que solo permite la salida de aire si este entra por las dos entradas a la vez. Es interesante plantear a los alumnos situaciones en las que se puedan aplicar estas válvulas. Algunas de estas aplicaciones serían las siguientes: – La válvula selectora permite, por ejemplo, controlar un cilindro desde dos puntos diferentes. – La válvula de simultaneidad es útil cuando interesa accionar un cilindro, por ejemplo, desde dos puntos a la vez, de forma que un operario mantenga ambas manos en los accionadores y convenientemente protegidas de algunas zonas de peligro.

Las válvulas distribuidoras, como la de la imagen superior, permiten controlar los circuitos y dirigir el caudal de aire por las tuberías que interese. Una de las válvulas más comunes y con muchas aplicaciones es la antirretorno. Algunos ejemplos son tan intuitivos como los de los flotadores o colchonetas de la playa, que, aunque la boquilla por donde se inflan esté abierta, no sale el aire contenido en el interior. Tienen otras aplicaciones de gran importancia, como en las redes de saneamiento que se conectan a la acometida general, para impedir que, en caso de lluvias intensas, las viviendas se inunden, al retroceder el agua hasta su interior.

En la imagen superior se aprecian dos válvulas distribuidoras (izquierda) conectadas a una válvula. Si esta es una válvula selectora, basta activar una de las distribuidoras para que se abran ambas puertas. Si se trata de una válvula de simultaneidad, las puertas se abren si se activan ambas válvulas distribuidoras a la vez. Actividad práctica: lista de válvulas

Hay muchos otros tipos de válvulas. Además de las tratadas aquí, los alumnos pueden elaborar una lista de ellas donde de forma esquemática indiquen símbolo, nombre y funcionamiento. Se pueden orientar por la lista que aparece en:

SOLUCIONES 9. Con la válvula antirretorno, que impide el retroceso de un fluido.

NOTAS


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6. Diseño de circuitos neumáticos SUGERENCIAS DIDÁCTICAS En este epígrafe se estudia el control de cilindros simples y de doble efecto a través de válvulas distribuidoras. En ellas se especifica la entrada y la salida de aire con símbolos muy similares. Se trata de un triángulo isósceles a modo de punta de flecha que indica la dirección del aire. De esta forma es más fácil identificarlos. Estos circuitos son interesantes porque muestran claramente la acción de las válvulas distribuidoras como elementos de control. Posteriormente se pueden añadir otro tipo de válvulas que modifican la acción del actuador; por ejemplo, cuando interese que su movimiento sea suave. Es conveniente que el profesor utilice un simulador para crear estos circuitos simples, de forma que los alumnos puedan ver cómo funcionan. Actividad práctica: la puerta de un garaje

Una aplicación común de los circuitos neumáticos consiste en la apertura de puertas de ascensores, garajes o autobuses. Puede preguntarse a los alumnos qué hay que tener en cuenta en el diseño de una puerta neumática corredera y plegable que pueda ser accionada desde dentro y desde fuera. – Los movimientos de la puerta y del cilindro neumático para definir la posición de este y el recorrido completo del vástago. – La fuerza que debe realizar el cilindro para mover la puerta y compensar la fuerza del muelle de recuperación. – El sistema de apertura debe controlarse mediante las válvulas distribuidoras, la válvula selectora y la válvula de regulación de caudal. – El equipo de producción debe proporcionar la presión de aire suficiente, así como el caudal o flujo de aire que necesite el circuito. En una primera aproximación, el circuito neumático podría ser el siguiente:

El circuito, tal como está, produce un movimiento rápido del cilindro en ambas direcciones. Si se desea, por ejemplo, un movimiento suave del cilindro hacia la izquierda, es necesario añadir una válvula reguladora de caudal, mientras que si se quiere un retroceso rápido, se puede

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acelerar la salida de aire colocando una válvula de escap e rápido.

Ampliación: método de diseño de circuitos neumáticos en cascada

A medida que los circuitos se vuelven más complejos, resulta complicado saber a priori los elementos necesarios. Para facilitar esta tarea se desarrollan técnicas analíticas como el diseño de circuitos en cascada. Puede observarse un ejemplo de uso de este sistema en la siguiente página web:

SOLUCIONES 10. a) Un cilindro de efecto simple con retorno por muelle, una válvula reguladora de caudal, y una válvula distribuidora 3/2 de accionamiento manual y de retorno por muelle. Cuando se acciona la válvula 3/2, el cilindro se mueve hacia la derecha. Cuando llega al final de la carrera, el muelle lo hace volver. b) La reguladora de caudal determina la velocidad del movimiento del actuador. 11. El aire se calienta en las compresiones rápidas. Este hecho se produce porque la energía mecánica comunicada se transforma en energía térmica del fluido, que no tiene tiempo de intercambiar esta energía con el entorno y aumenta su temperatura (compresión adiabática). 12. En la válvula 5/2, el aire sale por distinta vía cuando el cilindro se mueve en un sentido y en otro. 13. La apertura o el cierre de puertas, el control de máquinas herramientas, como la lijadora que se muestra en la imagen, y el control de máquinas de trabajo.


7. Circuitos hidráulicos SUGERENCIAS DIDÁCTICAS Los frenos hidráulicos del coche son un buen ejemplo para entender el principio de Pascal. El líquido que circula por el circuito hidráulico es el llamado líquido de frenos, que está compuesto por alcoholes o glicerinas, y es el que permite que la fuerza de frenado se transmita de manera instantánea a las pastillas de freno, que actuarán sobre el disco de freno y más tarde sobre las ruedas. Las características principales del líquido de frenos son su incompresibilidad, su baja viscosidad y que su punto de ebullición debe ser como mínimo de 230 °C para permanecer en estado líquido a pesar del calor generado por el rozamiento de las pastillas con el disco de freno. Una propiedad añadida pero negativa es que el líquido de frenos es higroscópico, es decir, que absorbe agua con

facilidad, provocando que el punto de ebullición disminuya considerablemente y que al estar el líquido (incompresible) mezclado con el vapor de agua (compresible), no toda la fuerza de frenado se transmite a los pistones, porque una buena parte de ella se pierde comprimiendo el vapor de agua. Por este motivo, conviene cambiar el líquido de frenos cada dos años.

SOLUCIONES 14. Utilizando unidades del SI: Q

1(m3 )

50 (L) =

⋅

1(min) 1000 (L)

p P

=

=

3 (bar)

pQ

=

⋅

1(min) ⋅

60 (s)

105 (Pa) 1(bar)

=

⋅

⋅

300 000 Pa

300 000 8,3 10 ⋅

8,3 1 0 4 m3 /s , −

=

4

−

=

250 W

8. Diseño de circuitos hidráulicos SUGERENCIAS DIDÁCTICAS A diferencia de los circuitos neumáticos, donde el aire puede escapar a la atmósfera, en los circuitos hidráulicos necesitamos recoger el agua en un tanque. Es importante no olvidar este detalle y no dejar ninguna vía libre. Otra diferencia habitual con los circuitos neumáticos se presenta en las válvulas distribuidoras. Estas suelen tener tres posiciones, una más que las que aparecen en los circuitos neumáticos. Esta posición extra, de reposo, mantiene los actuadores libres de las altas presiones a las que se suele trabajar. En el circuito presentado en la actividad 15 se representa esta situación de reposo. Actividad práctica: la válvula 5/3

Se puede pedir a los alumnos que traten de averiguar qué ocurre con el circuito de la actividad 15 cuando se acciona alguno de los pulsadores. Si se acciona el pulsador de la izquierda, la presión pasa a B, haciendo que el émbolo del cilindro se mueva a la derecha, desplazando la carga. Así permanece hasta que se acciona el pulsador de la derecha, en cuyo caso, la válvula vuelve a su posición de

reposo. Una pulsación más y la presión se desviará a A y provocará que el émbolo regrese a la izquierda. Se puede preguntar a los alumnos cómo se podría conseguir eliminar la pulsación necesaria para devolver la válvula a su posición de reposo de forma automática. Bastaría con añadir muelles a ambos lados de la válvula. Tal cual está, el cilindro se ve continuamente sometido a presión tras cada pulsación, y el usuario tiene que recordar qué pulsador se ha utilizado para poder recuperar la posición de reposo. Finalmente, se puede preguntar qué utilidades tendría este circuito, alguna de las cuales podría ser como elemento seleccionador en una cinta transportadora. En este caso, el operador responsable del control de calidad puede apartar aquellos elementos que juzgue defectuosos de la cinta.

SOLUCIONES 15. a) El aceite no circula porque la válvula está en posición de reposo. b) Permanecerá inmóvil. c) 100 bar. 16. Actividad resuelta en www.librosvivos.net.

NOTAS


Unidad 7

11


9. Simulación de circuitos neumáticos e hidráulicos Ampliación: el manual de FluidSIM SUGERENCIAS DIDÁCTICAS El programa de simulación FluidSIM, tanto de neumática como de hidráulica, nos permite trabajar de forma sencilla con este tipo de circuitos. En la misma página donde se descarga el programa

están disponibles también los manuales del simulador, en los que se explica no solo cómo funciona el programa, sino también los conceptos fundamentales de la neumática y la hidráulica. En los manuales se sugieren también distintos ejercicios con solución para practicar.

Organiza tus ideas SUGERENCIAS DIDÁCTICAS En el mapa conceptual que aparece al final de la unidad se presentan los conceptos claves y organizados de la misma. Con él se pretende que el alumno, después de haber trabajado la unidad, recuerde y organice la información de una manera visual, clara y concisa. En esta sección se trabaja de manera particular la competencia para aprender a aprender, ya que se propone que los alumnos manejen de forma eficaz un conjunto de recursos y técnicas de trabajo.

Amplía tu vocabulario SUGERENCIAS DIDÁCTICAS En esta sección se recogen los términos utilizados a lo largo de la unidad que pueden conllevar dificultades de comprensión para los alumnos, y que previamente se han señalado con un asterisco la primera vez que aparecen en el texto.

NOTAS

12

Unidad 7


En el anexo C del manual (Perspectiva sobre el material los alumnos pueden leer todo lo referente a componentes (simbología y función). Además, se plantean una serie de circuitos que incluyen estos componentes, y con diferente grado de complejidad. didáctico),

SOLUCIONES 17.

Es interesante que los alumnos hagan su propio mapa conceptual que les sirva para organizar e interrelacionar los contenidos de la unidad. Además, se puede aprovechar el que aparece al final de la unidad, pero eliminando algún concepto, de tal manera que los alumnos sean capaces de completarlo. Después de que todos hayan realizado su mapa conceptual en el cuaderno, se debe poner en común para establecer cuál es la mejor organización de los contenidos, en función de cómo se hayan desarrollado en clase.

Además de estimular la competencia lingüística de los alumnos, hacer un repaso de este vocabulario después de haber estudiado los epígrafes de la unidad puede servir para afianzar el aprendizaje. Es importante que los alumnos contextualicen los términos con el significado que se les da en la unidad.


Soluciones de las actividades 18. Un circuito neumático con un cilindro de simple efecto mueve las cajas grandes, cuya altura se detecta mediante una célula fotoeléctrica. Un circuito hidráulico mantiene la carretilla elevadora en su posición adecuada. 19. a) El caudal es de 10 L/s 0,01 m3/s. La sección de la tubería es la siguiente: =

2

A = π ⋅ 0,02

Q = Av ⇒ v =

Q

2

0,0013 m

=

0,01

=

A

=

0,0013

7,7 m/s

b) Si el caudal en toda la tubería es el mismo, se cumple que: Q = A1v1 v2 =

A1v 1

π ⋅

A2 v 2

0,022 ⋅ 7,7

=

A2

=

π ⋅

=

0,0152

13,7 m/s

20. Si L es la longitud de la carrera del pistón entre el PMI y el PMS, y D es el diámetro del cilindro, el volumen de aire desplazado en cada carrera es el volumen de un cilindro: 2

 D  2 3 −3 V = π  L = π ⋅ 0,05 ⋅ 0,15 = 118 , ⋅ 10 m = 118 , L  2 

Si el pistón gira a razón de ω rpm, y V se mide en litros, el caudal teórico Q expresado en litros por minuto es:

ω =

=

5000 (L/min) 118 , (L)

=

4237 rpm

21. Los dispositivos que funcionan mediante el efecto Venturi son el carburador, la pistola de pintura y el espray. 22. Para que exista presión en la salida en esta válvula debe haber presión en ambas entradas. Realiza la función lógica Y, cuya tabla es la siguiente: a

b

f

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

27. a) Por el principio de Pascal: p1 = p2 ⇒ F1S1 = F2S2 ⇒ F1 = F2

Q= Vω

Q V

b) La salida de la válvula reguladora llena un depósito con una rapidez prefijada de antemano al controlar el caudal. El tiempo de llenado se puede establecer. Cuando el depósito se ha llenado, llega presión a la válvula distribuidora y esta se abre, controlando un actuador; por ejemplo, un cilindro de simple efecto que retorne con un muelle y abra el pestillo de una puerta. 25. Es una válvula reguladora de caudal con antirretorno. Se sitúa en una tubería para controlar el caudal de fluido que circula por ella mediante un estrangulamiento variable a voluntad. El antirretorno impide que el fluido retroceda. La válvula es una asociación de otras dos: una válvula reguladora de caudal y una válvula antirretorno. 26. a) Si hay presión en cualquier entrada X o Y, hay presión en la salida (la bola tapa el escape de aire en la entrada que no tiene presión). Si hay presión en las dos entradas X e Y, también la hay en la salida. La válvula simula la función lógica O. b) El símbolo de esta válvula neumática, también llamada válvula selectora, es el siguiente:

1

23. a) y b) VÁLVULA

VÍAS

ACCIONAMIENTO

RETORNO

I

2

Pulsador

Muelle

II

3

Palanca

Eléctrico

III

3

Mecánico

Muelle

IV

5

Manual

Eléctrico

24. a) Se trata de la combinación de una válvula reguladora de caudal antirretorno, con un depósito de aire y una válvula distribuidora de tres vías y dos posiciones, normalmente cerrada (NC).

S1

Si se aproxima la aceleración de la gravedad a 10 m/s2, la fuerza, F2, debida al peso del vehículo sobre el émbolo, vale F2 = ma = 1500 · 10 = 15 000 N. Aplicando la fórmula anterior para F1: F1 =15 000

π⋅

2

5

= π⋅

2

15

1666,7 N

Dado que en la expresión para F1 aparece un cociente entre radios, no es necesario pasar los centímetros a metros. b) Dado que la presión es la misma en cualquier punto del fluido, se puede considerar la que ejerce el vehículo sobre el émbolo. p=

1

S2

F2 S2

=

15 000 π⋅

152

=

, Pa 212

28. Es una válvula distribuidora de cuatro vías y tres posiciones con accionamiento eléctrico. La válvula se encuentra normalmente en posición de reposo, sin que haya presión conectada a ningún componente gobernado por la válvula. Esto la hace especialmente idónea para los circuitos hidráulicos que suelen funcionar a grandes presiones, ya que, en posición de reposo, aísla a los actuadores para que no soporten dichas presiones. 29. Se trata de una válvula reguladora de presión. Reduce la presión de entrada, manteniendo en su única salida una presión constante. Esto se consigue mediante una recirculación del fluido de salida que alimenta la entrada cuando la presión supera un límite, fijado mediante la presión ejercida por un muelle. Neumática e hidráulica

Unidad 7

13


Soluciones de las actividades INVESTIGA 30. Los componentes del circuito son los siguientes: – Una válvula distribuidora 3/2 NA, accionada mediante pulsador y con retorno por muelle. – Una válvula distribuidora 3/2 NA, accionada mediante un final de carrera. – Una válvula reguladora de flujo con antirretorno. – Una válvula distribuidora 5/2 biestable accionada neumáticamente. – Un cilindro actuador de doble efecto. Respecto a su funcionamiento: – Si se acciona el pulsador, la válvula 5/2 biestable hace llegar presión a la zona izquierda del cilindro a través de la válvula selectora, mientras sale aire a través de la reguladora de flujo y de la válvula 5/2 biestable al exterior. El cilindro se mueve a la velocidad que se desee (por la presencia de la reguladora de flujo) a la derecha. – Cuando el cilindro llega al final de carrera, se activa la válvula 3/2 NA con final de carrera y se da la siguiente situación:

La válvula 3/2 de la derecha cambia el estado de la válvula 5/3 biestable a su estado primitivo. Vuelve a entrar aire a la parte derecha del cilindro por la válvula reguladora de flujo y sale de la parte izquierda sin ningún impedimento a través de la válvula selectora y de la válvula biestable. – El sistema queda a la espera de otra pulsación. 31. Los elementos señalados son los siguientes: 1. Bomba hidráulica operada con un motor eléctrico. 2. Depósito de fluido. 3. Válvula antirretorno para que el circuito no se vacíe. 4. Válvula limitadora de presión para proteger el circuito. 5. Cilindro de doble efecto. 6. Válvula distribuidora 4/3. 7. Válvula reguladora de caudal. El accionamiento manual de la válvula distribuidora 4/3, inicialmente en reposo, mueve el cilindro para uno u otro lado, a una velocidad controlada por la válvula reguladora de caudal.

Soluciones de las actividades de autoevaluación 1. d) Los fluidos pasan a través de pequeños orificios. 2. b) El caudal aumenta del mismo modo que se incrementa la velocidad del fluido. 3. b) Envían el aire comprimido a un depósito acumulador. 4. d) Una válvula de bloqueo.

NOTAS

14

Unidad 7


5. 6. 7. 8.

d) Se puede gobernar con una válvula 4/2. c) Se puede aplicar el principio de Pascal. c) Las válvulas tiene una posición de reposo. d) En las tuberías de los sistemas oleohidráulicos hay mucha pérdida de carga.


TALLER DE TECNOLOGÍA SUGERENCIAS DIDÁCTICAS A la hora de trabajar con FluidSIM conviene dictar unas pautas generales para ayudar a los alumnos a encontrar los componentes necesarios y a manejarlos adecuadamente. – En la biblioteca de componentes existe una llamada Válvulas de vías de uso frecuente, en la que el alumno puede encontrar rápidamente la válvula que necesite. – Los componentes se trasladan seleccionando sus símbolos en la biblioteca y arrastrándolos a la hoja de trabajo. Pulsando con el botón derecho del ratón sobre el componente se puede copiar, alinear con otros o girar para facilitar las conexiones. – Las conexiones entre los componentes se realizan pulsando con el ratón sobre las vías de cada uno y arrastrándolas hasta la vía del componente con el que debe unirse. – Las propiedades de cada componente pueden modificarse pulsando con el botón derecho sobre cada uno; esto permite variar la presión de la fuente de alimentación, la apertura de la válvula de regulación o las dimensiones del cilindro. Por tanto, para cambiar de estado las válvulas de vías o distribuidoras se pulsa con el ratón sobre cada una de ellas. La versión completa del programa permite abrir ventanas informativas sobre la descripción de cada componente, su fotografía y un dibujo en sección que muestra cómo funciona. – Una vez diseñado el circuito, se comprueba su funcionamiento pulsando en el icono Iniciar, que está situado a la derecha de la barra de herramientas. Estas indicaciones son importantes, especialmente si se trabaja con la versión de demostración. Dicha versión nos permite trabajar en una sesión de treinta minutos sin que se pueda salvar el trabajo.

Para aumentar la eficacia y conseguir que los alumnos realicen la actividad completamente dentro de esta sesión en la versión de demostración, es conveniente seguir estos pasos: – Realizar un listado de los elementos necesarios y un boceto que describa cómo se conectan entre sí. – Localizar en las bibliotecas dónde se encuentran los elementos necesarios. – Practicar el manejo de los elementos, cómo incluirlos en el proyecto y cómo cambiar sus propiedades. Unir algunos de ellos para adquirir destreza. Tras la realización de estos pasos, los alumnos estarían listos para realizar la tarea. Es aconsejable que a su término se obtenga un pantallazo del circuito, que se puede imprimir o enviar por correo electrónico al profesor para su evaluación. Se puede fijar una temporalización: TAREA

TIEMPO

Diseño del circuito. Selección y unión de componentes: 20 minutos.

20 min

Comprobación del resultado.

10 min Total de la sesión:

30 min

No es necesario reservar tiempo para la captura de pantalla. Aunque haya aparecido el aviso de que la sesión ha expirado impidiendo el uso del programa, la captura puede realizarse apartando esta ventana para que se muestre el diseño. Es bueno advertir previamente de esto, pues el mensaje de error puede inducir a equívoco al alumno y cierre el programa sin realizar la captura. Si la sesión termina sin que el alumno haya podido terminar su tarea debido a errores en el diseño del circuito, es mejor realizar las modificaciones necesarias sobre el propio boceto antes de iniciar otra sesión.

NOTAS


Unidad 7

15


PON A PRUEBA TUS COMPETENCIAS En esta doble página de cierre de unidad, relacionada con la página de presentación, con el apartado Desarrolla tus competencias, se trabajan las competencias en comunicación lingüística, la matemática, la del conocimiento y la interacción con el mundo físico, y el tratamiento de la información y competencia digital.

APLICA LAS MATEMÁTICAS

LEE TECNOLOGÍA

1. a) Falso b) Verdadero c) Verdadero d) Falso e) Falso f) Falso g) Verdadero h) Verdadero 2. Porque a temperaturas por debajo de cero se convierte en hielo.

Armamento… de agua

En esta actividad se trabaja en mayor medida la competencia en comunicación lingüística, y también la competencia para el tratamiento de la información y competencia digital.

SOLUCIONES 1. En la primera pistola, aparte del depósito amarillo, el agua ocupa también todo el interior de la pistola. 2. En la primera. En la segunda se utiliza una bomba de mano para aumentar la presión. 3. Aumentar la presión antes del disparo. 4. Se saldría por el tubo de disparo y retornaría al depósito. Sería difícil aumentar la presión en esas condiciones. 5. Con la Super Soaker, porque se consiguen presiones más elevadas. 6. Deja pasar el agua desde el depósito de agua y evita el retorno. 7. Deja pasar el agua hacia la zona de disparo y el depósito de aire, permitiendo que gracias a la bomba de mano se aumente la presión e impidiendo que el agua abandone esta zona. 8. Podemos utilizar pulverizadores de distintos productos de limpieza gastados. Otra posibilidad más avanzada la podemos encontrar en la siguiente página web:

9. La respuesta es libre. Se puede pedir al alumno que ponga su respuesta por escrito antes de compartirla con sus compañeros. En la puesta en común se puede iniciar un debate entre los partidarios y detractores de cada postura. 10. En la página web

se pueden encontrar otros sistemas utilizados, desde bazucas de agua hasta mecanismos motorizados. Esta página está en inglés.

Fluidos viscosos

En esta actividad se trabaja principalmente la competencia matemática.

SOLUCIONES

DESCUBRE TU ENTORNO Acueductos en España

En esta actividad se trabaja la competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico.

SOLUCIONES 1. Algunos acueductos de la época de los romanos en España son el de Los Milagros, en Mérida; el de Peña Cortada, a las afueras de Chelva; el de los Caños de Carmona, en Sevilla, y el del Puente del Diablo o acueducto de Les Ferreres, a las afueras de Tarragona. 2. En la página de Wikipedia

se puede encontrar información de los principales acueductos de España, muchos de ellos de gran interés desde los siglos XIV al XIX. 3. Algunos de ellos, como el de Almuñécar, siguen en uso, por lo menos parcialmente. 4. Ahora se suelen sustituir por modernas cañerías de poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV), hierro fundido, acero, latón, cobre, plomo, hormigón, polipropileno, PVC, etc. 5. Se pueden considerar los acueductos de Morella (Castellón), del siglo XIV, y del Águila en Nerja (Málaga), del XIX. Pueden apreciarse diferencias respecto al número de pisos, el tipo de arco o los materiales utilizados.

A continuación presentamos una matriz de evaluación que el profesor puede utilizar para evaluar el grado de adquisición de las competencias básicas trabajadas a lo largo de esta unidad. Además, en puede descargar una aplicación informática que facilitará esta tarea. 16

Unidad 7


Actividades de refuerzo Unidad


7

OBJETIVOS

Los objetivos que se van a reforzar en esta unidad son los siguientes: – Conocer las características de los fluidos. – Emplear las unidades adecuadas para expresar la presión en un fluido. – Reconocer los elementos que forman parte de un circuito neumático e hidráulico. – Identificar la simbología usada para los distintos elementos.

SOLUCIONES DE LAS ACTIVIDADES DE REFUERZO 1. Fluidez. Los gases se expanden ocupando todo el volu-

men del recipiente que los contiene (los recipientes deben estar cerrados), y los líquidos adoptan la forma del recipiente hasta un nivel determinado (pueden permanecer en recipientes abiertos). Densidad. Los gases son mucho menos densos que los líquidos. Viscosidad. Este fenómeno es mucho más importante en los líquidos, que sufren una pérdida apreciable de energía y de presión a medida que se mueven por tuberías o canales. Compresibilidad. Los gases sufren mayor compresión que los líquidos, que se consideran incompresibles. 2.

Pa

atm

bar

mm Hg

at

110 000

1,09

1,10

825

1,12

106 391

1,05

1,07

798

1,09

121 560

1,20

1,22

912

1,24

127 400

1,26

1,27

956

1,30

140 000

1,38

1,40

1050

1,43

3.

L

A

U

B

R

I

C

A

D

O

R

C

O

M

P

R

E

S

O

R

T

N

U

J

A C O

18

Unidad 7

F

I

L

T

T

U

B

E


R R

4.

ELEMENTO

SÍMBOLO

Depósito

Cilindro de doble efecto

Válvula 3/2

Compresor

5. Circuito hidráulico:

– Obtención de movimiento lento y constante – Incompresibilidad – Efecto multiplicador de la fuerza aplicada – Aceite industrial Circuito neumático: – Obtención de movimientos rápidos y precisos – Compresibilidad – Aire comprimido

O I

A

6. A la entrada suele existir una sencilla válvula antirre-

torno (una simple lengüeta, en el caso de la colchoneta, y una bola con muelle, en el de la bicicleta). Las bombas de inflado incorporan también válvulas antirretorno.

ACTIVIDADES de REFUERZO Unidad

7


1. ¿Cuáles son las principales diferencias entre los líquidos y los gases respecto a la fluidez, densidad,

viscosidad y compresibilidad?

2. Completa la siguiente tabla de presiones empleando las distintas unidades que se indican. Pa

atm

bar

mm Hg

at

110 000 798 1,20 1,30 1,40

3. Busca seis elementos en la siguiente sopa de letras que puedan formar parte de un circuito neumático. Q

I

S

J

Z

B

R

U

F

Z

L

U

B

R

I

C

A

D

O

R

W

C

O

M

P

R

E

S

O

R

A

T

N

U

J

P

T

I

A

X

E

O

D

K

O

N

Y

C

G

A

R

P

F

S

X

M

O

O

H

V

T

F

I

L

T

R

O

P

J

B

Y

T

U

B

E

R

I

A

K

N

O

A

G

L

C

A

P

S

L

I

U

S

H

Ñ

V

Q

E

D

A

M

4. Dibuja el símbolo que se utiliza para representar los siguientes elementos. ELEMENTO

SÍMBOLO

Depósito Cilindro de doble efecto Válvula 3/2 Compresor

5. ¿Cuáles de las características que se citan corresponden a un circuito hidráulico y cuáles a un circuito

neumático? Obtención de movimiento lento y constante, incompresibilidad, obtención de movimientos rápidos y precisos, compresibilidad, efecto multiplicador de la fuerza aplicada, aire comprimido, aceite industrial.

6. ¿Por qué mientras inflamos la rueda de una bicicleta o una colchoneta no se produce pérdida de aire?

e l b a i p o c o t o f a n i g á P


Unidad 7

19

Actividades de ampliación Unidad

7


OBJETIVOS

Los objetivos que se van a ampliar en esta unidad son los siguientes: – Conocer la relación de la presión en fluidos con distintas magnitudes físicas, como la temperatura o el volumen. – Diseñar pequeños circuitos neumáticos e hidráulicos que solucionen tareas sencillas. – Simular circuitos por medio del software adecuado.

SOLUCIONES A LAS ACTIVIDADES DE AMPLIACIÓN 1. La relación entre la presión (p), el volumen (V) y la

temperatura (T) en los gases denominados ideales es: pV = nRT donde R es una constante y n es el número de moles de partículas que se encuentran en el recipiente. Según esta relación, si se aumentara la temperatura, la presión se incrementaría en la misma proporción. Es decir, si se duplicara la temperatura, se doblaría la presión. Sin embargo, si disminuyera el volumen, aumentaría la presión. Al reducir el volumen a la mitad, la presión se duplicará. 2. Ambos son aparatos diseñados para medir la presión. El barómetro mide la presión atmosférica, y el manómetro, la presión relativa de un fluido. La suma de ambas presiones es lo que se denomina presión absoluta. La presión que ejerce el gas sobre las paredes interiores del globo es menor que la presión atmosférica. A medida que el globo se eleva, la presión atmosférica va disminuyendo, teniendo que soportar sus paredes toda la presión. La presión del aire dentro del globo acabará siendo mayor que la que pueden soportar sus paredes, dando lugar a su rotura. 3. Por el principio de Pascal: F

1

1

2

r

=π

2

2

n

Simplificando, se obtiene que el nuevo radio, en función del antiguo, debe ser: r

n

=

r 2

4. Con un cilindro de doble efecto se produce la bajada y

elevación de la cuchilla a voluntad del operario. Para ello se utiliza una válvula 5/2, puesto que el cilindro posee dos orificios de entrada/salida de aire. La válvula, a su vez, posee dos salidas de aire a la atmósfera: la R (cuando baja la cuchilla) y la S (cuando sube).

S P R

2

S

2

Por otro lado, la superficie de un objeto circular es: S πr2 Si se duplica el radio: S π(2r)2 π4r2 La superficie se multiplicará por 4 y, por tanto, para mantener constante F / S, hay que multiplicar por 4 la fuerza; es decir, que se necesita una fuerza de 40 N. Si ahora se quiere provocar el mismo efecto con la mitad de fuerza, hay que reducir también la superficie a la mitad. =

=

Unidad 7

r

π

F =

S

20

Se iguala la antigua superficie dividida entre dos a la nueva superficie, donde se ha llamado r n al nuevo radio.


5. La válvula puede estar en tres posiciones: reposo, en

la que el sistema se mantiene cerrado, pero el líquido no pasa por el cilindro; carrera activa, en la que el sistema se activa y el elevador funciona subiendo la carga, y carrera de retroceso, en la que el elevador baja con carga o sin ella.

=

P

A

T

B

P

A

T P

B

P

T

0,13

T

0,47

M

TS

M

TS

ACTIVIDADES de AMPLIACIÓN Unidad

7


1. La presión en los gases depende de varios factores, entre los que cabe destacar el volumen en el que

están confinados y la temperatura a la que se encuentran. Busca cuál es la relación de estas magnitudes en gases ideales y explica qué le pasaría a la presión si se duplicara la temperatura en un recipiente cerrado que contuviera aire. ¿Y si se mantuviera la temperatura, pero disminuyera el espacio donde están confinados a la mitad?

2. ¿Qué es un barómetro? ¿Y un manómetro? ¿Cómo se relacionan las magnitudes que miden? Explica,

utilizando estas magnitudes, qué ocurre cuando se escapa un globo a la atmósfera.

3. En el elevador hidráulico de la figura es necesario ejercer una fuerza de 10 N en el émbolo de la izquier-

da para levantar un objeto situado a la derecha. ¿Qué fuerza será necesaria si se duplica el radio del émbolo circular sobre el que se aplica la fuerza? ¿Cómo habría que variar el radio de este émbolo si se quiere provocar el mismo efecto con una fuerza de 5 N?

4. Una guillotina, para cortar láminas metálicas, podría construirse con un circuito neumático muy simple.

Para que la guillotina operase con rapidez y sin esfuerzo manual sería suficiente con disponer de un cilindro neumático para hacer bajar y subir la cuchilla, y de una válvula para controlarlo. ¿Cuál sería el esquema de la guillotina para que subiera y bajase a voluntad del operario?

5. Desde la página web , descarga una versión gratuita para demostraciones de

FluidSIM y simula el siguiente montaje. Se trata de un elevador hidráulico que utiliza una válvula 473 y un cilindro de doble efecto para elevar cargas muy pesadas.

P

P

A

T

B

T

TS M e l b a i p o c o t o f a n i g á P


Unidad 7

21

PROPUESTA de EVALUACIÓN Unidad

7


APELLIDOS:

NOMBRE:

FECHA:

CURSO:

GRUPO:

1. Di si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones y corrígelas en caso de que sean falsas.

a) Los gases son mucho menos densos que los líquidos. b) El movimiento de los fluidos se puede ver ligeramente frenado por el rozamiento entre sus partículas en la dirección de su desplazamiento. c) En los líquidos, aunque se aumente su presión, no se modifica su volumen de manera significativa, por lo que se consideran incompresibles. d) Los líquidos no alteran su densidad con los cambios de temperatura. 2. Sobre una tabla cuadrada de 10 cm de lado ejercemos una fuerza de 25 N.

a) ¿Cuál será la presión que soportará la tabla? b) ¿Cómo variará la presión si reducimos el lado de la tabla a la mitad y hacemos la misma fuerza? 3. Un barómetro utilizado para medir la presión atmosférica marca 980 mm Hg. Expresa esta presión en

pascales, bares, atmósferas y atmósferas técnicas.

4. Sobre el émbolo del cilindro menor de un elevador hidráulico se ejerce una fuerza de 100 N. Sabiendo

que el radio de la sección del émbolo mayor es el triple que la del menor, calcula la fuerza que se ejerce en el émbolo mayor. ¿Qué relación hay entre los radios para que la fuerza ejercida en un émbolo sea el doble que la del otro?

5. Indica para qué sirve cada uno de los componentes siguientes: compresor, lubricador, válvula y cilindro. 6. ¿Cuál es la finalidad de una bomba en un circuito hidráulico? 7. Explica el funcionamiento del siguiente circuito hidráulico.

A P

A

B

P

T

B

T

6,00

TS M e l b a i p o c o t o f

8. Monta un elevador hidráulico utilizando una válvula 4/3, un cilindro de doble efecto y una unidad de

bombeo.

a n i g á P

22

Unidad 7


SOLUCIONES A LA PROPUESTA DE EVALUACIÓN 1. a) Verdadera

b) Verdadera c) Verdadera d) Falsa. Los líquidos alteran ligeramente su densidad con los cambios de temperatura.

2. a) La superficie de la tabla cuadrada será de S

0,01 m2 (es importante que se pasen las unidades al sistema inter-

=

nacional). La presión será de P 25 / 0,01 2500 Pa. b) Si se reduce el lado de la tabla a la mitad, este será de 5 cm, y la superficie, S Ahora, la presión es de P 25 / 0,0025 10 000 Pa. Se ha multiplicado por 4. =

=

=

3. 130 677 Pa

0,0025 m 2.

=

=

1,31 bar 1,29 atm 1,30 at

=

=

=

4. La presión en los dos émbolos ha de ser la misma: F

1

F =

S

1

La superficie de un círculo es S Es decir:

=

2

S

2

r.

π 2

F1 r2

=

π

F2 (3r)2 .

π

Si se sustituyen los datos que tenemos y se despeja F2, se obtiene F2 900 N. =

5. Compresor. Su función consiste en absorber el aire de la atmósfera y comprimirlo para aumentar su presión.

Lubricador. Inyecta, en forma de pulverizador, unas pequeñísimas gotas de aceite en el flujo de aire para conseguir un engrase suficiente de las partes móviles de los diferentes elementos del circuito neumático. Válvula. Sirve para dirigir el aire comprimido por un determinado camino y sentido de circulación. Cilindro. Es un actuador que realiza un movimiento de tipo lineal. 6. Tiene como finalidad impulsar el aceite hacia el circuito, dotándolo a la vez de la presión de trabajo necesaria. Las

partes móviles de la bomba reciben su energía de un motor eléctrico o un motor de explosión. En circuitos oleohidráulicos se utilizan bombas de engranajes, de paletas y de pistones, con un funcionamiento muy similar a los compresores neumáticos del mismo nombre. Para controlar el valor de la presión a la salida de la bomba se suele incorporar una válvula limitadora de presión con manómetro. 7. La válvula puede estar en dos posiciones: reposo, en la que el sistema se mantiene cerrado, pero el líquido no pasa

por el cilindro, y carrera activa, en la que el sistema se activa y el cilindro funciona subiendo el émbolo. El muelle obliga a la válvula a volver siempre a la posición de reposo si no tenemos la mano sobre el pulsador. Con el circuito que tenemos no habría forma de invertir la carrera. 8.

P

P

A

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Unidad 7

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•Autoría: Ángel González, Alberto Tamayo, M.ª del Prado Valera •Edición: Begoña Alonso, Francisco Fabra •Ilustración: Guillermo Díez Celaya, Roberto Hernández Ortega, Felix Moreno Arrastio •Fotografía: Sonsoles Prada/Sergio Cuesta/Archivo SM •Corrección: José Luis Guzmán •Diseño: Pablo Canelas, Alfonso Ruano •Maquetación: Safekat S.L. •Coordinación de diseño: José Luis Rodríguez •Coordinación editorial: Nuria Corredera •Dirección editorial: Aída Moya Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra, a excepción de las páginas que incluyen la leyenda de “Página fotocopiable”. © Ediciones SM Impreso en UE – Printed in EU

Guía Didáctica. Unidad 7

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