Fundamentos de hidráulica y neumática: leyes, fórmulas y magnitudes

Fundamentos de la Tecnología de Fluidos

Hidráulica

La Hidráulica es la parte de la mecánica que estudia el equilibrio y el movimiento de los fluidos. También es la ciencia que estudia la transmisión y el control de la potencia a través de un líquido incompresible.

Ventajas de la Hidráulica

• Alto rendimiento de transmisión.
• Posibilidad muy precisa de regular la fuerza y la velocidad.
• Transmisión de grandes fuerzas utilizando pequeños elementos.
• Control a distancia de los elementos de mando (electroválvulas).
• Autolubricación.
• Protección contra sobrecargas.

Neumática

La Neumática es el conjunto de aplicaciones técnicas que utilizan la energía acumulada en el aire comprimido. Trata de los movimientos del aire y los procesos experimentados por el mismo.

Ventajas de la Neumática

• El aire es abundante y disponible para su compresión en depósitos o transporte de manera ilimitada, y una vez usado es liberado al aire.
• No existe riesgo de explosión o incendio en ambientes peligrosos.
• Se transporta fácilmente por canalizaciones, y los sistemas de mando y de transmisión de fuerzas son muy sencillos.
• En caso de avería, no daña a los demás sistemas ni a los objetos circundantes.

Desventajas de la Neumática

• El aire debe ser tratado, eliminando impurezas y humedad. Cuando sale al exterior puede provocar ruidos molestos.
• Los esfuerzos máximos están limitados a 3000 kg con 7 bares de presión.

Magnitudes Físicas y Unidades del Sistema Internacional (S.I.)

Magnitudes físicas fundamentales en Hidráulica y Neumática:

• Longitud: El Metro (m)
• Masa: El Kilogramo (kg)
• Tiempo: El Segundo (s)
• Temperatura: Grados Kelvin (ºK) o Celsius (ºC)
• Fuerza: El Newton (N)
• Superficie: El metro cuadrado (m²)
• Volumen: El metro cúbico (m³)
• Caudal: El metro cúbico por segundo (m³/s)
• Presión: El Pascal (Pa) o el Bar (bar)

Definiciones y Fórmulas Clave

• Presión (P): Es igual a fuerza dividida por superficie. $P = F/S$. La unidad en el S.I. es el Pascal (Pa). $1 Pa = 1 N/m^2$. (1 Kilopascal = 1000 Pa).
• Caudal (Q): Es el volumen que pasa por unidad de tiempo. $Q = V/t$.
• Trabajo (W): Fuerza que desplaza un cuerpo en una determinada dirección. $1 Julio (J) = 1 Nm$.
• Potencia (W): Trabajo realizado en la unidad de tiempo. $Potencia = \frac{Trabajo}{Tiempo}$.

Relación de Potencia en Fluidos

$$Potencia = Presión \times Caudal$$

Leyes Fundamentales de los Gases

1. Ley de Boyle-Mariotte: A temperatura constante, el producto de la presión a la que está sometido un gas por el volumen que ocupa se mantiene constante. $$P_1 \times V_1 = P_2 \times V_2$$
2. Ley de Gay-Lussac: A presión constante, la razón entre el volumen y la temperatura (en ºK) se mantiene constante. $$V_1/T_1 = V_2/T_2$$
3. Ley Combinada de los Gases: $$P_1 \times V_1/T_1 = P_2 \times V_2/T_2$$

Principio de Pascal y Ecuación de Continuidad

Principio de Pascal

La presión aplicada en un punto de un fluido se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del mismo. Este es el principio fundamental de la hidráulica.

Fórmula de la prensa hidráulica:

$$F_2 = \frac{S_2 \times F_1}{S_1}$$

Ecuación de Continuidad

En cualquier sección normal de un tubo, el producto del área de la sección por la velocidad del fluido en ella es constante, siempre que no varíe la densidad.

$$A_1 \times V_1 = A_2 \times V_2 = A_3 \times V_3$$

Nota: Las relaciones de velocidad $V_1 < V_2$ y $V_1 > V_3$ dependen de las áreas relativas.

Dispositivo Multiplicador de Presión

Consiste en dos pistones unidos por un brazo. $P_2$ es la fuerza del segundo pistón.

$$P_2 = \frac{F_1}{S_2} \quad \text{o bien} \quad P_2 = \frac{P_1 \times S_1}{S_2}$$

Instalaciones Hidráulicas y Características de los Fluidos

Fluidos Hidráulicos

La finalidad de los fluidos hidráulicos es transmitir la energía de un punto a otro, permitiendo la transmisión en varias direcciones con exactitud y seguridad de movimiento, manteniendo un tamaño reducido del sistema. Se utilizan diferentes fluidos hidráulicos: agua, aceites minerales, emulsiones de ambos y fluidos sintéticos.

Aceites Hidráulicos

El aceite hidráulico está constituido por una fracción petrolífera con un alto grado de refino, a la que se añaden los aditivos necesarios y suficientes para el fin al que va destinado.

Propiedades Esenciales de los Aceites Hidráulicos

• Viscosidad apropiada para cada caso.
• Elevado Índice de Viscosidad (I.V.).
• Propiedades anticorrosivas.
• Propiedades antiespumantes.
• Estabilidad química elevada.
• Baja acidez.
• Bajo punto de congelación y elevado punto de inflamación.