También hemos visto lo qué es un circuito neumático y un circuito hidráulico, qué elementos los forman y cómo funcionan.
Y algunas de sus múltiples aplicaciones.
Empezamos por el coche
Hoy puede ser un día especial en las vidas de Amal y Juan. Veamos que les sucede:
Esta mañana Juan no tiene prisa, hay pocos avisos y le puede pedir a su jefe que le deje acercarse a la gasolinera de al lado, será un momento.
Allí trabaja Pedro, un amigo suyo que le va «eso de la mecánica»
Allí trabaja Pedro, un amigo suyo que le va «eso de la mecánica»
Pedro: ¡Juan! ¿Cómo por aquí?(Mientras el amigo de Juan echa la gasolina se fija en las ruedas del coche, que están flojas y le llama la atención.)
Juan: Está floja la mañana y me ha dejado el jefe. Así aprovecho, que estaba el coche en las últimas.
Pedro Lleno, ¿no?…
Juan: ¡Qué va! ¿Quién crees que soy? Con 20 € ya está bien.
Pedro: Juan. ¿Cómo puedes conducir así? las ruedas no tienen presión ninguna.(Juan arranca el coche y se dirige hacia la toma de aire).
Juan: Si las miré cuando fui al taller por lo del líquido de frenos. Les puse más de dos kilos.
Pedro: Anda… Ponte allí, junto a la tienda, que mire yo la presión.
Juan: ¿Aquí?
Pedro: Vale, ya voy.
En la visita a la gasolinera, Juan y su amigo se refieren a la gasolina con la que llenar el depósito, al aire a presión de las ruedas y al líquido de frenos. Las tres sustancias son fluidos, pero ¿no te has preguntado…?
Un fluido es cualquier cosa que se derrama si no está en un recipiente.
- ¿qué son los fluidos?
- ¿cuál es su comportamiento?
- ¿podemos utilizar sus propiedades para realizar un trabajo útil?
Un fluido es cualquier cosa que se derrama si no está en un recipiente.
Aunque el agua, el aire y el aceite sean tan diferentes, las partículas que los constituyen no mantienen la suficiente atracción entre ellas y cuando se les aplica una fuerza se deslizan y fluyen. Por eso se les llama fluidos.
No obstante, se puede establecer una diferencia clara entre los fluidos:
- Algunos fluidos como el agua, el alcohol y el aceite mantienen un volumen constante a pesar de fluir, se adaptan al recipiente que los contiene y los identificamos como líquidos.
- Otros fluidos tienden a expandirse y ocupar el mayor espacio posible, como le ocurre al aire que respiras o al butano de la bombona. Se trata de gases.
Algunas propiedades de los fluidos
Ahora, veremos con más detalle algunas propiedades de los fluidos para que puedas comprender como se utilizan para realizar un trabajo. Fíjate en esta tabla, en ella se resume el comportamiento de los dos tipos de fluidos.| PROPIEDADES | LÍQUIDOS | GASES |
| ¿Cómo es la fuerza de atracción entre partículas? | Es muy débil. | Es tan débil que las partículas tienden a separarse entre sí. |
| ¿Mantienen la forma? | No, mantienen el volumen pero cambian de forma para adaptarse al recipiente. | No, se expanden hasta ocupar todo el espacio disponible. |
| ¿Se comprimen? | No, son prácticamente incompresibles. | Si, pueden comprimirse de forma significativa. |
| ¿Qué efectos produce el aumento de temperatura? | Provoca una mayor agitación de las partículas, dilatándose | Genera un aumento de volumen o de presión. |
Si tienes curiosidad por conocer más sobre las propiedades de los gases visita la siguiente web: 
Las leyes de los gases
Las leyes de los gases
¡Si tienes un pinchazo!
Juan y Pedro siguen en la gasolinera
– Pedro: No es el aire. Has pinchao. Lo mejor es cambiar la rueda.
– Juan: ¿Qué dices? Se me hace tarde... mi jefe estará ya...
– Pedro: Es un segundo. Con el atornillador de aire te pongo la de repuesto. ¿Cómo vas a ir así?
En las gasolineras encontrarás zonas con aparatos para revisar la presión del aire de los neumáticos del coche. Estos mecanismos, al igual que los destornilladores neumáticos que hay en los talleres o el que usa el amigo de Juan para cambiar la rueda pinchada, son sistemas neumáticos.
En estos casos se realiza un trabajo aprovechando la energía acumulada al aportarle presión a un gas, que suele ser el aire de la atmósfera.
En un sistema neumático es necesario un mecanismo para tomar aire de la atmósfera y aportarle presión, es el llamado compresor. También se requiere un depósito donde almacenar el aire comprimido que hemos generado.
Estos aparatos tienen filtros para eliminar la humedad y las partículas de polvo del aire, disponen de un manómetro para controlar la presión del gas y de un lubricador que pulveriza una pequeña cantidad de aceite, a todo esto se le llama unidad de almacenamiento.
Todos estos elementos forman un equipo de compresión como el de la ilustración. Seguro que has visto alguno en los talleres mecánicos. Los usan también los pintores, ebanistas y los buceadores.
Estos aparatos tienen filtros para eliminar la humedad y las partículas de polvo del aire, disponen de un manómetro para controlar la presión del gas y de un lubricador que pulveriza una pequeña cantidad de aceite, a todo esto se le llama unidad de almacenamiento.
Todos estos elementos forman un equipo de compresión como el de la ilustración. Seguro que has visto alguno en los talleres mecánicos. Los usan también los pintores, ebanistas y los buceadores.
Pregunta de Elección Múltiple
Elige la opción correcta a las siguientes preguntas:
1. Podemos reconocer que una sustancia es un fluido por...
Elige la opción correcta a las siguientes preguntas:
1. Podemos reconocer que una sustancia es un fluido por...
a) Cuando les aplicamos una fuerza, se comprimen, reduciendo su volumen de forma significativa.
| |
b) Mantienen el mismo volumen aunque les aplicamos una fuerza.
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c) No mantienen una forma concreta. Se adaptan al recipiente en el que se alojan o tienden a ocuparlo totalmente.
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Fíjate en la tabla y verás que esto es válido solamente para los gases, no para los líquidos, que también son fluidos.
¡Muy bien! Recuerda, además, que las partículas que forman los fluidos se deslizan y fluyen cuando les aplicamos una fuerza.
2. La principal diferencia entre los líquidos y los gases es:
a) Cuando aplicamos fuerzas sobre los líquidos se deforman de manera frágil y los gases lo hacen de forma plástica.
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b) Mientras que los líquidos tienden a adaptarse al recipiente sin variar su volumen los gases ocupan todo el espacio disponible.
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c) Los gases son como los líquidos pero a una mayor temperatura.
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Ya hemos conseguido con la compresión aportar más energía al aire. Estamos en condiciones de realizar un trabajo.
Piensa en el destornillador neumático con el que se desatornilla la rueda del coche de Juan. Probablemente habrás cambiado una rueda con la palanca que llevas en el maletero... ¡Ufff! ¡Qué trabajo!
Podrías calcular tú mismo ese trabajo. Sólo tienes que multiplicar la fuerza que realizas al subirte sobre la palanca (tu peso) por el desplazamiento que experimenta. Y todo para dar media vuelta al maldito tornillo... Aún te quedan unas pocas más.
En cambio, en el destornillador de Pedro, se aprieta un botón y se cambia la rueda en un periquete. Todo el trabajo que le ha ahorrado a Juan su amigo se debe a la energía del aire comprimido.
Todos los elementos que hemos visto y los que veremos más tarde integran un sistema neumático y se relacionan entre sí formando un circuito neumático. En él cada elemento tiene una misión:
Piensa en el destornillador neumático con el que se desatornilla la rueda del coche de Juan. Probablemente habrás cambiado una rueda con la palanca que llevas en el maletero... ¡Ufff! ¡Qué trabajo!
Podrías calcular tú mismo ese trabajo. Sólo tienes que multiplicar la fuerza que realizas al subirte sobre la palanca (tu peso) por el desplazamiento que experimenta. Y todo para dar media vuelta al maldito tornillo... Aún te quedan unas pocas más.
En cambio, en el destornillador de Pedro, se aprieta un botón y se cambia la rueda en un periquete. Todo el trabajo que le ha ahorrado a Juan su amigo se debe a la energía del aire comprimido.
Todos los elementos que hemos visto y los que veremos más tarde integran un sistema neumático y se relacionan entre sí formando un circuito neumático. En él cada elemento tiene una misión:
- crear aire comprimido
- distribuir el aire comprimido
- controlar el aire comprimido
- realizar un trabajo útil
- Las tuberías o conducciones.
El desatornillador neumático tiene un tubo de caucho reforzado que se conecta con el compresor.
Por este tubo se distribuye el aire comprimido. En otros circuitos suelen ser de nailón o poliuretano, pero cuando son de mayor tamaño se usan materiales como el cobre o el acero. - Los cilindros.
Son los elementos que realizan el trabajo. Los más comunes consisten en un cilindro hueco en el que se desplaza, empujado por el aire, un émbolo. Funcionamiento de un cilindro simple - Las válvulas.
Para controlar y regular el aire que circula por las conducciones y el que entra en los cilindros se colocan válvulas en los circuitos. Con estos elementos se controla la entrada de aire en los cilindros (válvulas de accionamiento) y se regula el flujo de aire por las tuberías (válvulas de regulación).
El botón que acciona el destornillador neumático es una válvula que corta o permite la entrada de aire.
Vamos a recordar lo que hemos visto sobre la aplicación del aire para ayudarnos a realizar algunos trabajos.
Visualiza esta animación. En ella verás los distintos componentes de un sistema neumático y el funcionamiento del mismo
Visualiza esta animación. En ella verás los distintos componentes de un sistema neumático y el funcionamiento del mismo
Pregunta de Elección Múltiple
1. Completa la siguiente frase: Los sistemas neumáticos realizan un trabajo...
a) Por el aumento de temperatura que se produce cuando se comprimen los gases.
| |
b) Por la energía elástica acumulada en los neumáticos del coche.
| |
c) Aprovechando la energía acumulada al aportarle presión a un gas.
|
Actividad de Espacios en Blanco
2. En la relación que te proponemos se indican las principales funciones que realizan los componentes de un sistema neumático. Selecciona el componente que desempeña dicha función de entre los siguientes:
Conducciones, cilindros, válvulas y compresor
| Función | Componente |
| Crear aire comprimido | |
| Distribuir el aire comprimido | |
| Controlar el aire comprimido | |
| Realizar un trabajo |
3.- Circuitos hidráulicos
Si los neumáticos no tienen la presión adecuada el coche consume más (si tienen poca presión) o pierde estabilidad y adherencia (si tienen mucha presión). Pero cuando son los frenos los que dan problemas... el peligro es muy serio.
Por eso, cuando Juan notó que no frenaba como antes se asustó y lo llevó al taller. Allí le cambiaron unos manguitos y le dijeron que era el líquido de frenos.
¿Frenos hidráulicos?
La mayoría de los vehículos tienen un sistema de frenos como el de Juan: disponen de frenos hidráulicos. Algo sabrás sobre el líquido de frenos, los manguitos, los frenos de disco o los de tambor, y sobre todo, dónde está el pedal de frenos.¿Quieres ver qué elementos forman este sistema de frenado? ¿Qué es un sistema hidráulico? ¿Cómo funciona?
Los frenos hidráulicos basan su funcionamiento en el Principio de Pascal.
El investigador francés Blaise Pascal comprobó que los fluidos ejercen una fuerza sobre todos los puntos de la superficie de los sólidos que están en contacto con ellos.
Puedes comprobarlo tú mismo si realizas esta experiencia:
- Llena de agua una botella de plástico.
- Hazle varios orificios.
- Observa que los chorritos de agua salen en dirección perpendicular a las paredes.
- Te preguntarás, ¿a qué es debido?
Imagen de Terry Bain en flickr con licencia CC
Esto ocurre porque la fuerza que el líquido ejerce en cada punto de la pared es siempre perpendicular a la superficie de contacto.
Cuando trabajamos con fluidos es más importante conocer la presión que ejerce el fluido que la fuerza en sí misma.
La presión es una magnitud física que relaciona la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo con la superficie sobre la que se reparte esa fuerza.
Para que lo entiendas bien, imagina la siguiente experiencia:
Probablemente no tengas inconveniente en admitir que en el segundo caso. Y eso es, sencillamente, porque aunque en los dos casos se ha hecho sobre ti la misma fuerza (el peso de la persona), no has soportado la misma presión.
En el primer caso el peso se ha "repartido" por toda la superficie de la zapatilla, mientras que en el segundo caso, también se ha "repartido", pero sobre la superficie mucho menor del tacón de aguja.
Comprenderás que, cuanto mayor sea la fuerza ejercida y menor la superficie sobre la que se reparte, más grande es la presión que se ejerce.
La presión es una magnitud física que relaciona la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo con la superficie sobre la que se reparte esa fuerza.
Para que lo entiendas bien, imagina la siguiente experiencia:
- Una persona de 53 kg de masa te pisa con una zapatilla deportiva.
- La misma persona te pisa con el tacón de un zapato de los de tacón de aguja.
Probablemente no tengas inconveniente en admitir que en el segundo caso. Y eso es, sencillamente, porque aunque en los dos casos se ha hecho sobre ti la misma fuerza (el peso de la persona), no has soportado la misma presión.
En el primer caso el peso se ha "repartido" por toda la superficie de la zapatilla, mientras que en el segundo caso, también se ha "repartido", pero sobre la superficie mucho menor del tacón de aguja.
Comprenderás que, cuanto mayor sea la fuerza ejercida y menor la superficie sobre la que se reparte, más grande es la presión que se ejerce.
La unidad de presión en el sistema internacional es el Pascal, que se simboliza como Pa. No obstante, en nuestra vida cotidiana no se suele emplear, sino que se emplean otras más adecuadas y que quizá te sonarán:
El milibar (mb) es empleado sobre todo para medir la presión atmosférica, la que ejerce el aire de la atmósfera. En milibares están expresados los números que aparecen en los mapas del tiempo.
El kilopondio por centímetro cuadrado (kp/cm2), o kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado (kgf/cm2) normalmente conocido simplemente como "kilo de presión", se usa mucho para medir la presión de inflado de los neumáticos.
La presión se calcula dividiendo la fuerza ejercida perpendicularmente a una superficie (F) y el área (A) de ésta:
El milibar (mb) es empleado sobre todo para medir la presión atmosférica, la que ejerce el aire de la atmósfera. En milibares están expresados los números que aparecen en los mapas del tiempo.
El kilopondio por centímetro cuadrado (kp/cm2), o kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado (kgf/cm2) normalmente conocido simplemente como "kilo de presión", se usa mucho para medir la presión de inflado de los neumáticos.
La presión se calcula dividiendo la fuerza ejercida perpendicularmente a una superficie (F) y el área (A) de ésta:
P = F/A
Experimenta…
Échate un pulso. Un pulso de pulgares. Después, cuando conozcas el ganador, intenta explicar qué pasa.
Necesitas dos jeringuillas de diferente diámetro, un tubo de goma y agua.
- Llena ambas jeringuillas con agua hasta la mitad.
- Conecta las dos jeringuillas con el tubo. Puedes sellar las uniones con un adhesivo para plástico o apretarlas con un trozo de alambre.
- Coge cada jeringuilla con una mano de forma que podáis presionar con los pulgares sobre el émbolo.
Habrás comprobado que gana siempre la mano que acciona la jeringuilla pequeña. ¿Por qué?
Pascal tiene la respuesta. En el Siglo XVII este científico comprobó que una presión externa que se ejerce sobre un líquido cerrado herméticamente en un recipiente se transmite por completo a todos los puntos del líquido. Por lo tanto, la presión que ejerces en la jeringuilla pequeña llega tal cual a la jeringuilla grande y, a la inversa, la que ejerces en la grande llega tal cual a la pequeña (instantáneamente).
Pero ¿esto qué tiene que ver con nuestro pulso?
Si ninguna jeringuilla se mueve, es que la presión es igual en las dos. Teniendo en cuenta que:
P1 = F1/A1 y P2 = F2/A2
Si P1= P2, entonces, como A1(superficie de la jeringuilla 1) es menor que A2 (superficie de la jeringuilla 2), F1 también tendrá que ser menor que F2. A lo mejor tienes que leer varias veces estos párrafos y, con calma, para entenderlos. Ten paciencia, ya verás como lo consigues.
¡La pequeña siempre lo tendrá más fácil para ganar! ya que tendrá que ejercer una fuerza (F) menor para conseguir la misma presión (P) que en la jeringuilla grande.
Pascal enunció esta relación de la siguiente forma:
Pero ¿esto qué tiene que ver con nuestro pulso?
Si ninguna jeringuilla se mueve, es que la presión es igual en las dos. Teniendo en cuenta que:
P1 = F1/A1 y P2 = F2/A2
Si P1= P2, entonces, como A1(superficie de la jeringuilla 1) es menor que A2 (superficie de la jeringuilla 2), F1 también tendrá que ser menor que F2. A lo mejor tienes que leer varias veces estos párrafos y, con calma, para entenderlos. Ten paciencia, ya verás como lo consigues.
¡La pequeña siempre lo tendrá más fácil para ganar! ya que tendrá que ejercer una fuerza (F) menor para conseguir la misma presión (P) que en la jeringuilla grande.
Pascal enunció esta relación de la siguiente forma:
Un cambio de presión aplicado a un fluido en reposo dentro de un recipiente se transmite sin alteración a través de todo el fluido.
Se le conoce como Principio de Pascal y es la base de multitud de aplicaciones tecnológicas.
Pregunta de Elección Múltiple
1. Elige la opción correcta a las siguiente afirmación:
Los frenos hidráulicos basan su funcionamiento en el principio de:
a) Arquímedes
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b) Newton
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c) Pascal
|
2. Selecciona la palabra que falta en el siguiente párrafo:
Un cambio de _____________ en un fluido en reposo dentro de un recipiente se transmite por igual en todas las direcciones y actúa mediante fuerzas perpendiculares a las paredes que lo contienen".
Un cambio de _____________ en un fluido en reposo dentro de un recipiente se transmite por igual en todas las direcciones y actúa mediante fuerzas perpendiculares a las paredes que lo contienen".
a) Temperatura
| |
b) Presión
| |
c) Densidad
|
3. Elige la afirmación correcta:
a) Cuando tenemos dos cilindros de diferente grosor conectados entre sí, al aplicarle una fuerza al de menor diámetro, se amplifica en el de mayor diámetro.
| |
b) Cuando tenemos dos fluidos de diferente grosor conectados entre sí, al aplicarle aire comprimido al de menor diámetro, se iguala en el de mayor diámetro.
| |
c) Cuando tenemos dos manguitos de diferente grosor conectados entre sí, al aplicarle una fuerza al de menor diámetro, se reduce en el de mayor diámetro.
|
Fíjate en este esquema. En él puedes ver las diferentes partes del sistema de frenado de un coche.
Esquema del sistema de frenado de un automóvil
Está formado por los siguientes elementos:
Esquema del sistema de frenado de un automóvil
Está formado por los siguientes elementos:
- Pedal de freno
- Cilindro director
- Depósito del líquido de frenos
- Latiguillo
- Cilindros
- Pastillas y zapatas de frenos
- Al pisar el pedal de freno, la fuerza ejercida por el pie se amplifica con la palanca del pedal y se transmite a un cilindro director que crea una presión en el líquido de frenos.
- Mediante los latiguillos se transmite esta presión a los cilindros que hay en las ruedas, cumpliéndose el principio de Pascal.
- Cuando disponemos de frenos de disco, los pistones de estos cilindros ejercen una fuerza en las pastillas de freno que rozan el disco giratorio.
- Cuando disponemos de frenos de tambor, los pistones ejercen una fuerza en las zapatas de freno.
También en el coche existen otros sistemas hidráulicos como el de dirección asistida.
Situación de los elementos que componen un sistema de dirección asistida hidráulico
Tanto el sistema de frenos como el de dirección asistida del coche dependen de la fuerza del cuerpo humano para proporcionar la fuerza que crea la presión en el sistema hidráulico. Sin embargo, en otras aplicaciones, como en las excavadoras, grúas, etc. es una bomba accionada por un motor la que crea la presión sobre el líquido.
Presta atención a esta animación y verás los componentes principales de un circuito hidráulico y su funcionamiento: Circuito hidráulico
Circuito hidráulico
Pregunta de Selección Múltiple
4. ¿Cuáles de los siguientes elementos forman parte del sistema hidráulico de frenado de un coche? Elige todas las opciones correctas.
4. ¿Cuáles de los siguientes elementos forman parte del sistema hidráulico de frenado de un coche? Elige todas las opciones correctas.
a) Pedal de freno.
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b) Filtro de aire.
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c) Cilindro director.
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d) Compresor
| |
e) Depósito del líquido de frenos.
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f) Cilindros.
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g) Pastillas.
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h) Zapatas.
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El uso de los fluidos (gases y líquidos) a presión no es nuevo, su uso para propulsar artefactos tampoco. Ya en 1955 se construyó el primer barco sobre un colchón de aire, lo que conocemos como hovercraft.
El uso de los fluidos a presión en circuitos cerrados si es reciente, se usa en aplicaciones que requieren movimientos lineales y grandes fuerzas.
La hidráulica y neumática tienen aplicaciones tan variadas, que pueden ser empleadas incluso en teatro, cine, parques de atracciones, represas, puentes levadizos, plataformas de perforación submarina, ascensores, mesas de levante de automóviles, bomba de la bicicleta, gato del coche... Como ves lo que es difícil es encontrar algo que no esté basado en estos principios ¿verdad?
¿Cómo funciona?
Pues una tobera (ventilador al revés) aspira aire que es comprimido, y después se expulsa por los costados inferiores del casco, elevándolo como consecuencia de la fuerte corriente de aire que fluye hacia abajo.El uso de los fluidos a presión en circuitos cerrados si es reciente, se usa en aplicaciones que requieren movimientos lineales y grandes fuerzas.
- Puede aplicarse para transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales, controlar e impulsar vehículos móviles tales como: tractores, grúas, retroexcavadoras, camiones recolectores de basura, etc.
- En la industria es muy útil para controlar, impulsar, posicionar y mecanizar elementos o materiales propios de la línea de producción: maquinaria para la industria plástica, máquinas herramientas, maquinaria para la elaboración de alimentos, equipamiento para robótica y manipulación automatizada, minería etc.
La hidráulica y neumática tienen aplicaciones tan variadas, que pueden ser empleadas incluso en teatro, cine, parques de atracciones, represas, puentes levadizos, plataformas de perforación submarina, ascensores, mesas de levante de automóviles, bomba de la bicicleta, gato del coche... Como ves lo que es difícil es encontrar algo que no esté basado en estos principios ¿verdad?
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