Fundamentos de la hidráulica TALLER 1
Daniel Mendoza Escobar| hidráulica | TAI 30| 01 de febrero de 2013 Iván Londoño
Objetivo
Reconocer y apropiar los conocimientos acerca de los fundamentos de la hidráulica Realizar prácticas de laboratorio de acuerdo con los parámetros dados por el instructor
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5. DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD Y BREVE DESCRPIPCION DEL PROCEDIMIENTO 5.1 Defina ¿Qué es la hidráulica? Y de 4 ejemplos de sus aplicaciones y justifíquelas. Es la ciencia aplicada a los movimientos y fuerzas realizadas por los fluidos líquidos, la hidráulica hace parte de la hidromecánica. En la actualidad las aplicaciones de la 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. APLICACIONES MOVILES: 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: Tractores, Grúas, Retroexcavadoras, Camiones recolectores de basura, Cargadores frontales, Frenos y suspensiones de camiones, Vehículos para la construcción y mantención de carreteras. APLICACIONES INDUSTRIALES: 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: Maquinaria para la industria plástica, Máquinas herramientas, Maquinaria para la elaboración de alimentos, Equipamiento para robótica y manipulación automatizada, Equipo para montaje industrial. Otras Aplicaciones: 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: Aplicación automotriz: suspensión, frenos, dirección, refrigeración, etc. Aplicación Aeronáutica: timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos, simuladores, equipos de mantenimiento aeronáutico, etc. Aplicación Naval: timón, mecanismos de transmisión, sistemas de mandos, sistemas especializados de embarcaciones o buques militares Medicina: Instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de hospital, sillas e instrumental odontológico, etc. PÁGINA 2
5.2 NOMBRE 5 VENTAJAS DE TRABAJAR CON ENERGIA HIDRAULICA: La vida útil de los aceites hidráulicos lo hace un combustible relativamente económico El aceite a altas presiones se comporta como un sólido y tiene un rango de compresión despreciable. A diferencia del agua el aceite no corroe los actuadores o elementos de trabajo. Puede ejercer mayor transmisión de potencia respecto a otras fuentes energéticas Lubricación y baja transferencia de calor en los actuadores y dispositivos de trabajo Oleo hidráulica
5.3
¿Por qué SE DENOMINA TAMBIEN OLEOHIDRAULICA?
La oleo hidráulica es una rama de la hidráulica, el prefijo "oleo" se refiere a los fluidos en base a derivados del petróleo, como el aceite mineral por ejemplo. En esencia, la oleo hidráulica es la técnica aplicada a la transmisión de potencia mediante fluidos confinados.
5.4 función.
Defina ¿Que es una magnitud física? Y que es el SI y cuál es su
Las magnitudes físicas son todas aquellas propiedades o cualidades que se pueden medir; es decir, a la que se le pueden asignar distintos valores como resultado de una medición. Y cuantificar mediante un patrón que contenga bien definida esa magnitud la cual se definirá como un estándar. Sistema Internacional (SI): Este sistemas recibe el nombre de absoluto porque las unidades básicas que las definen son independientes del lugar de donde se utilicen las medidas. FUNCION: Permite establece el metro, el kilogramo, y el segundo como un estándar que puede usarse en cualquier lugar de la tierra; incluso pueden emplearse en otro planeta y siempre tendrán el mismo valor.
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5.5 REALICE UN CUADRO DONDE SE MUESTREN LAS MAGNITUDES FÍSICAS PRINCIPALES Y DERIVADAS CON SUS RESPECTIVAS UNIDADES Y FORMULAS.
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5.6 DEFINA CON SUS PALABRAS CADA UNA DE LAS UNIDADES ANTERIORES Las magnitudes fundamentales son: Masa: es la cantidad de materia que posee un cuerpo además de ocupar una porción de espacio en el universo, la masa puede ser inercial y gravitacional además el sistema internacional de medida establece como unidad el kilogramo; haciendo énfasis en que la masa no es lo mismo que el peso ya q el peso es una cantidad vectorial que representa una fuerza. Longitud: es la magnitud más representativa y se puede decir grosso modo la más común, esta magnitud nos sirve para definir distancias lineales; el sistema internacional determino el metro como unidad de medida, hay que tener en cuenta que las medidas de área y volumen aunque se representan con el mismo sistema no hacen parte de dicha magnitud. Tiempo: El tiempo es la medición cronológica de un evento, el tiempo se representa en tres estado pasado, presente y futuro, aunque es relativo a la incidencia y punto de inicio, no es una magnitud la cual se puede palpar ni sentir tan solo creemos que existe y quizá la creamos debido a la necesidad de medir, el sistema internacional de medida define el segundo como unidad de medida. También se pone como agregadas la temperatura, la intensidad luminosa la cantidad de sustancia y la intensidad de corriente. Otras magnitudes derivadas son: Velocidad: es una magnitud vectorial la cual se define como el desplazamiento de un cuerpo en una distancia lineal en un tiempo determinado, dicho desplazamiento acarrea con varias magnitudes las cuales intervienen esto la hace derivada entre ellas está la masa el tiempo y la longitud el sistema internacional de medida la denomina con la unidad m/s. Volumen: es el espacio que ocupa un cuerpo en el plano xyz; a partir de dicho espacio que puede contener una masa con una densidad y un peso indeterminado vemos aquí como asocia otras magnitudes las cuales definen la existencia de dicho volumen, el sistema internacional de medidas define el volumen mediante el m3. La densidad: La densidad es la cantidad de masa contenida en un volumen de una sustancia y se expresa mediante kg/m3. Aceleración: el cambio de velocidad de un cuerpo mientras se desplaza y se define como m/s2, así lo nombra el sistema internacional de medidas.
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Fuerza: es la capacidad de trabajo y de vencer una resistencia causada por la inercia, es una magnitud física que mide el intercambio de momento línea entre dos cuerpos la fuerza se mide en newton.
5.7
¿Cómo SE GENERA PRESION EN LA HIDRAULICA?
La presión en un sistema hidráulico se genera de dos formas; por altura de la columna del líquido hidráulico. Este principio dice que entre más alto se encuentre la columna de agua por ejemplo, de un sistema la presión se incrementara proporcionalmente. También podemos generar presión mediante una bomba de desplazamiento positivo. La cual bombea líquido hidráulico de forma unidireccional es decir solo permite que el fluido se desplace en un sentido y evita que retorne, esto crea un efecto en un sistema cerrado de incrementar la presión del fluido según la fórmula P=F/A presión es igual a la fuerza aplicada entre una área determinada.
5.8 De la lectura LEYES FUNDAMENTALES FISICAS DE LA HIDRAULICA, explique los gráficos enumerados de 1 al 4, con sus propias palabras.
Tal como dice en la lectura la presión que se ejerce sobre el fondo del recipiente solo depende de la altura de la columna del líquido y no de la forma del recipiente esto solo sucede en líquidos en reposo, aunque en la lectura no hacen énfasis en el área de los recipientes ni la densidad del fluido estos dos factores a mi parecer pueden influir en una variación de la presión.
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Según la ley de la propagación de pascal si una fuerza F actúa sobre una superficie A de un líquido contenido en un recipiente cerrado, surge una presión P que se extiende en todo el líquido. En todos los puntos del sistema cerrado la presión es la misma.
Aquí también actúa la ley de la propagación aunque los orificios van a dividir según su número esa presión ejercida desde la jeringa, sucede de igual manera con las corrientes en un circuito; estas se dividen uniformemente dependiendo del resistor que en este caso son los agujeros con un área desconocida.
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5.9
Diga ¿Cuántas partes se divide la mecánica de fluidos? Y defínalas.
La mecánica de fluidos puede dividirse en dos partes diferenciadas. La primera de ellas es la Que estudia, básicamente, el movimiento de fluidos que circula por una trayectoria concreta, en el que el fenómeno característico es su transporte. En este tipo de circulación de fluidos, éstos circulan canalizados por el interior de conducciones o cauces, y por ello se denomina flujo interno. Es una ciencia básica en todas las ingenierías. Cuando el fluido objeto de estudio es el agua, la parte de la mecánica de fluidos que estudia su movimiento es la Hidráulica. La segunda parte en que se divide la mecánica de fluidos es cuando estos circulan, en vez de por el interior de conducciones, a través en un conjunto de partículas sólidas, denominándose flujo externo, ya que en vez de circular el fluido por el interior de un sólido (una conducción), es el fluido el que envuelve toda la superficie exterior de los sólidos. En tecnología química, el conocimiento del flujo externo de fluidos es necesario pensando en que se aplica en multitud de operaciones básicas características de la industria química, como sedimentación, filtración, etc. Además, resulta básico en el tratamiento de cuantas operaciones impliquen transmisión de calor y transferencia de materia, es decir, en todas las llamadas operaciones básicas de la Ingeniería Química. El flujo externo de fluidos ha sido desarrollado históricamente por la Ingeniería Química, por lo que es una rama de la mecánica de fluidos de especial importancia.
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5.10 ¿Qué es la transmisión hidráulica de fuerza? Explíquela con su ecuación y realice su respectivo gráfico.
Apliquemos la fuerza F1 la superficie Al del émbolo del recipiente dibujado en la figura 4.arriba. La presión del recipiente se transmite también a la superficie A2 del émbolo mayor y produce allí una fuerza F2 mayor.
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Veamos la explicación de lo dicho la relación de transmisión de fuerza de F1, a F2 se obtiene así: Como la presión en el recipiente es igual en todas las partes, tenemos: Pe = F1/A1, pe = F2/A2 e igualando las dos expresiones ya que la presión Pe es la misma. Obtenemos: F2 = F1 * (A2/A1) El comportamiento de las fuerzas es igual que el de las superficies de los émbolos. Si la superficie A2 es cuatro veces mayor que la Al (este es el caso, si el émbolo tiene el doble de diámetro), también se cuadruplica la fuerza. Este es el principio de la prensa hidráulica. Disponiendo de una presión, se puede obtener una fuerza mayor aumentando el tamaño de la superficie del émbolo de trabajo.
En la prensa hidráulica (los incrementos de fuerza se obtienen de la disminución del recorrido que efectúa la fuerza mayor respecto de la menor. Se dice que el trabajo (salvo perdidas por rozamiento) será el mismo. 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: la fuerza aumenta y el recorrido disminuye como en cualquier palanca.
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5.11 ¿Qué es la transmisión hidráulica de presión? Explíquela con su ecuación y realice su respectivo gráfico.
Transmisor hidráulico de presión: La prensa hidráulica es un transmisor de fuerza. La inversa de ella es el transmisor de presión. Dos émbolos de distinto tamaño están unidos por un vástago.
Si se aplica la presión Pel, por ejemplo, a la superficie de émbolo Al, sobre el émbolo grande actúa una fuerza F1. Esta fuerza se transmite a través del vástago al émbolo pequeño, reaccionando en la superficie del émbolo pequeño A2. Con ello, la presión Pe2 es mayor que Pe1. Si se desprecian las pérdidas por fricción, tenemos: F1 = Pe1 A1 = F2 = Pe2x A2 entonces Pe2 = Pe1 * ( A1/A2) En un transmisor (Amplificador) de presión, las presiones se comportan en proporción inversa a la de las superficies de los émbolos.
5.12
Defina y explique la ley de la continuidad en los fluidos hidráulicos.
Ley de continuidad Por un tubo de diversas secciones (Al, A2, A3) circulan en iguales lapsos los mismos volúmenes es decir mientras no se agregue líquido o se quite el caudal es constante. Esto significa que la velocidad del líquido aumenta cuando la sección disminuye porque se debe cumplir la ley de continuidad que dice que el producto de la sección efectiva de circulación del fluido por la velocidad es constante (Caudal) mientras no agregue ni quite fluido de la cañería por derivaciones. Caudal = A1 V1 = A2.V2 Como A2 < A1 entonces V2 > V1 PÁGINA 11
Para el planteo del caudal que circula por las válvulas que mueven fluidos es necesaria la ecuación de continuidad y también la conservación de la energía mecánica que para fluidos incompresibles y despreciando el rozamiento se puede expresar así (si no se considera el rozamiento) P/γ + V2 / 2g + h = cte O bien:
P1/ γ + V12 / 2g + h1 = P2/ γ + V22 / 2g + h2 Donde Pi Son las presiones en cada sección hi Son las alturas en cada sección V2 Son las Velocidades en cada sección γ es el peso específico en unidades congruentes
(ejemplo metro segundo Kilogramo masa) Podemos considerarlo constante en fluidos hidráulicos. g es la aceleración de la gravedad
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5.13 ¿Cuantos tipos de energía componen la energía hidráulica? Explíquelos.
La componen dos tipos de energía que son: la cinética y la potencial. La energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su velocidad. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética. Suele abreviarse con letra E c o Ek (a veces también T o K).
La energía potencial es la energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración. Puede pensarse como la energía almacenada en el sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Suele abreviarse con la letra o . La energía potencial puede presentarse como energía potencial gravitatoria, energía potencial electrostática, y energía potencial elástica. Más rigurosamente, la energía potencial es una magnitud escalar asociada a un campo de fuerzas (o como en elasticidad un campo tensorial de tensiones). Cuando la energía potencial está asociada a un campo de fuerzas, la diferencia entre los valores del campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para cualquier recorrido entre B y A.
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5.14 ¿Cuantos tipos de flujo existen en un fluido hidráulico? ¿Por qué se produce este fenómeno?
FLUJO PERMANENTE Llamado también flujo estacionario. Este tipo de flujo se caracteriza porque las condiciones de velocidad de escurrimiento en cualquier punto no cambian con el tiempo, o sea que permanecen constantes con el tiempo o bien, si las variaciones en ellas son tan pequeñas con respecto a los valores medios. Así mismo en cualquier punto de un flujo permanente, no existen cambios en la densidad, presión o temperatura con el tiempo, es decir: El flujo permanente es más simple de analizar que el no permanente, por la complejidad que le adiciona el tiempo como variable independiente. Un flujo permanente es aquel en el que las propiedades permanecen constantes en el tiempo, aunque pueden no ser constantes en el espacio. Las características del flujo, como son: Velocidad (V), Caudal (Q), y Calado (h), son independientes del tiempo, si bien pueden variar a lo largo del canal, siendo x la abscisa de una sección genérica, se tiene que: V = f v(x) Q = f q(x) h = f h(x)
Flujo transitorio o No permanente Un flujo transitorio presenta cambios en sus características a lo largo del tiempo para el cual se analiza el comportamiento del canal. Las características del flujo son función del tiempo; en este caso se tiene que: V = f v(x, t) Q = f q(x, t) h = f h(x, t) Las situaciones de transitoriedad se pueden dar tanto en el flujo suscritico como en el supercrítico. FLUJO LAMINAR Es uno de los dos tipos principales de flujo enfluidoSellama flujo laminar o corriente laminar, al tipo demovimiento de un fluido cuando éste es perfectamente ordenado, estratificado, suave, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse si la corriente tiene lugar entre dos planos paralelos, o encapas cilíndricas coaxiales como, por ejemplo la glicerina en un tubo de PÁGINA 14
sección circular. Las capas no se mezclan entre sí. El mecanismo de transporte es exclusivamente molecular. Se dice que este flujo es aerodinámico. En el flujo aerodinámico, cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente.
Flujo turbulento Distribución de velocidades al interior de un tubo con flujo turbulento En mecánica de fluidos, se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos, como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente. Debido a esto, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, más precisamente caótica.
Flujo uniforme Es el flujo que se da en un canal recto, con sección y pendiente constante, a una distancia considerable (20 a 30 veces la profundidad del agua en el canal) de un punto singular, es decir un punto donde hay una mudanza de sección transversal ya sea de forma o de rugosidad, un cambio de pendiente o una variación en el caudal. En el tramo considerado, se las funciones arriba mencionadas asumen la forma: V = f v(x) = Constante Q = f q(x) = Constante h = fh(x) = Constante
Flujo uniforme Este tipo de flujos son poco comunes y ocurren cuando el vector velocidad en todos los puntos del escurrimiento es idéntico tanto en magnitud como en dirección para un instante dado o expresado matemáticamente: Donde el tiempo se mantiene constante y s es un desplazamiento en cualquier dirección. Flujo no uniforme Es el caso contrario al flujo uniforme, este tipo de flujo se encuentra cerca de fronteras sólidas por efecto de la viscosidad Flujo unidimensional PÁGINA 15
Es un flujo en el que el vector de velocidad sólo depende de una variable espacial, es decir que se desprecian los cambios de velocidad transversales a la dirección principal del escurrimiento. Dichos flujos se dan en tuberías largas y rectas o entre placas paralelas. Flujo bidimensional Es un flujo en el que el vector velocidad sólo depende de dos variables espaciales. En este tipo de flujo se supone que todas las partículas fluyen sobre planos paralelos a lo largo de trayectorias que resultan idénticas si se comparan los planos entre sí, no existiendo, por tanto, cambio alguno en dirección perpendicular a los planos. Flujo tridimensional: El vector velocidad depende de tres coordenadas espaciales, es el caso más general en que las componentes de la velocidad en tres direcciones mutuamente perpendiculares son función de las coordenadas espaciales x, y, z, y del tiempo t. Este es uno de los flujos más complicados de manejar desde el punto de vista matemático y sólo se pueden expresar fácilmente aquellos escurrimientos con fronteras de geometría sencilla. Flujo rotacional: Es aquel en el cual el campo rot v adquiere en algunos de sus puntos valores distintos de cero, para cualquier instante. Flujo irrotacional: Al contrario que el flujo rotacional, este tipo de flujo se caracteriza porque dentro de un campo de flujo el vector rot v es igual a cero para cualquier punto e instante.
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5.15 ¿Qué es la cavitación? ¿Por qué se produce? ¿Qué consecuencias trae?
La cavitación o aspiraciones en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e impresionan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.
Para que la cavitación se produzca, las «burbujas» necesitan una superficie donde nuclearse. Esta superficie puede ser la pared de un contenedor o depósito, impurezas del líquido o cualquier otra irregularidad, pero normalmente ha de tenerse en cuenta la temperatura del fluido que, en gran medida va a ser la posible causa de la cavitación. El factor determinante en la cavitación es la temperatura del líquido. Al variar la temperatura del líquido varía también la presión de vapor de forma importante, haciendo más fácil o difícil que para una presión local ambiente dada la presión de vapor caiga a un valor que provoque cavitación. La cavitación es, en la mayoría de los casos, un suceso indeseable. En dispositivos como hélices y bombas, la cavitación puede causar mucho ruido, daño en los componentes y una pérdida de rendimiento. La cavitación se presenta también en el fondo de los ríos donde se genera a partir de irregularidades del lecho disociando el agua y el aire. Ambos son sometidos a presiones, dando lugar, este último, a burbujas que, con la fuerza del agua, se descomponen en tamaños microscópicos, saliendo disparadas a gran velocidad. Esto provoca un fuerte impacto en el lecho que puede ser de hasta 60 t/m². Su importancia radica en la constancia y repetición del fenómeno, lo que favorece su actuación. La cavitación es un proceso erosivo frecuente en los pilares de los puentes.
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CONCLUSIÓN
A través de talle pudimos comprender los principios físicos q rigen en la hidráulica y como dichas magnitudes están presentes en nuestro diario vivir; comprender los conceptos y definiciones que se consultaron ayudaron a aclarar muchas dudas.
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