Fundamentos Esenciales de la Hidráulica: Principios, Fluidos y Transmisión de Fuerza
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Introducción a la Hidráulica
La Hidráulica es el método elegido para realizar tareas que suponen la transmisión de grandes fuerzas. También es la ciencia de crear y controlar fuerzas y movimientos mediante fluidos a presión.
Ventajas de los Sistemas Hidráulicos
- Capacidad para generar esfuerzos grandes.
- Excelente relación peso/prestaciones.
- Alta precisión al posicionar grandes pesos.
- Movimiento regular y suave.
- Control preciso de las velocidades.
- Arranque posible bajo carga máxima.
- Fácil protección contra sobrecargas.
Fluidos y Principios Físicos
Fluidos para Circuitos Oleohidráulicos
Los fluidos a presión deben cumplir varios requisitos esenciales:
- Transmitir presiones eficientemente.
- Lubricar.
- Proteger contra la corrosión.
- Arrastrar calor y partículas abrasivas.
Se utilizan aditivos para mejorar estas propiedades y facilitar la separación del aire.
Presión y Caudal
- La Presión (P) determina la fuerza de trabajo.
- El Caudal (Q) determina la velocidad de trabajo.
Principio de Pascal
La presión se define como: $P = F/A$.
Las unidades de presión son: $Pa = N/1m^2$. Una equivalencia común es: $1 ext{ bar} = 100.000 ext{ Pa} = 100 ext{ kPa}$.
Caudal
El caudal se define como: $Q = V/t$.
La unidad de caudal es $m^3/s$. Equivalencias: $1 m^3/s = 1.000 l/s = 60.000 l/min$.
Conducción de Fluidos y Pérdidas
La conducción se realiza generalmente en tubos de acero o caucho.
Fenómenos Críticos en la Conducción
- Flujo Turbulento: Si la velocidad (V) del fluido que atraviesa un paso estrecho es de 4 o 6 m/s, el flujo se vuelve turbulento.
- Cavitación: Si la presión desciende bruscamente, se puede generar un vacío parcial y burbujas. Si la presión aumenta bruscamente después, se produce la cavitación (arranque de partículas del material).
- Efecto Microdiésel: La cavitación provoca aumentos bruscos de temperatura (Tª) que pueden generar el efecto microdiésel (combustión localizada).
Depuración, Filtrado y Almacenamiento
Control de Presión y Seguridad
Cuando el flujo del fluido encuentra resistencia, se genera presión. La presión máxima disponible (Presión del sistema) se ajusta mediante una válvula limitadora de presión. Esto es crucial para evitar daños en el equipo por presión excesiva cuando el actuador se detiene.
El Tanque Hidráulico
El tanque sirve para almacenar y acondicionar el aceite. Sus dimensiones deben ser adecuadas para proporcionar suficiente aceite y permitir que este permanezca el tiempo necesario para sedimentar las partículas y enfriarse.
Transmisión de Fuerza y Desplazamiento
Transmisión de Presión y Multiplicación de Fuerza
Una presión $P$ se aplica a un área $A_1$ para generar una fuerza $F_1$. Esta fuerza se transmite a un segundo émbolo de menor superficie ($A_2$). Este segundo émbolo genera una presión superior: $P_2 = F_1 / A_2$.
Relación entre Fuerza y Desplazamiento
La fuerza aplicada en cualquier punto de un sistema hidráulico puede usarse en cualquier otra parte, porque el fluido actúa como un émbolo transmisor. Se ejerce una fuerza sobre un émbolo. La presión resultante se transmite a un segundo émbolo que tiene la misma superficie. Si se aplica la misma carga al segundo émbolo, obtendremos un equilibrio de fuerzas.
Según el Principio de Pascal, si la misma presión se transmite a un émbolo con una superficie doble, el émbolo podrá soportar el doble de fuerza (corrigiendo el error conceptual del original, que mencionaba el triple de presión).
Relación de Desplazamiento
Si un émbolo de igual medida se desplaza, el otro también lo hará la misma distancia. Si la superficie del segundo émbolo es el triple de grande, solo se podrá elevar un tercio de la distancia recorrida por el primero (conservación de volumen).