Fundamentos de Sistemas Físicos, Mecánicos y Eléctricos en la Industria

Definición y Alcance de los Sistemas Físicos

• SISTEMA: Un sistema físico es una porción del universo delimitada para su estudio, constituida por uno o más elementos que pueden interactuar entre sí y con su entorno, intercambiando materia y/o energía.
• Un sistema válido:
  • Puede ser un objeto simple o partícula.
  • Puede ser una colección de objetos o partículas.
  • Puede ser una región de espacio (como el interior del cilindro de combustión de un motor de automóvil).
  • Puede variar en tamaño y forma (como una bola de goma, que se deforma al golpear una pared).

Frontera, Entorno y Relación con el Universo

• Frontera y Entorno: Se identifica una frontera de sistema, una superficie o línea imaginaria que divide al Universo en el sistema y el entorno que lo rodea.
• Ejemplo: Al estudiar el motor de una máquina minera, el sistema es el motor, su entorno es el equipo y el ambiente, existiendo intercambio de energía, calor y movimiento.
• Relación fundamental: Sistema + Entorno = Universo

Clasificación de los Sistemas según su Relación con el Entorno

• Abiertos: Intercambian materia y energía con su entorno de forma constante.
  • Ejemplos: El cuerpo humano, un motor a combustión.
• Cerrados: Intercambian energía con su entorno, pero no materia (la cantidad de materia interna es constante).
  • Ejemplos: Una botella de agua fría expuesta a temperatura ambiente, un termómetro.
• Aislados: No intercambian ni materia ni energía con su entorno. En este tipo de sistema, la cantidad de materia y energía se mantiene constante.
  • Ejemplo: Los termos.

Tipos de Sistemas según su Naturaleza Física o Funcional

Sistemas Mecánicos

Componentes: Piezas sólidas como engranajes, poleas, palancas, ejes y levas.

Energía y Leyes: Transmiten energía cinética y potencial mediante el contacto directo entre cuerpos sólidos. Se rigen por la mecánica clásica y las leyes de Newton. Función: Modificar la fuerza, la velocidad o la dirección del movimiento físico.

Sistemas Neumáticos

Componentes: Compresores, válvulas, cilindros y tuberías. Energía y Leyes: Utilizan un gas comprimido (normalmente aire atmosférico) para transmitir energía. Se rigen por las leyes de los gases ideales (Boyle, Charles). Función: Realizar movimientos lineales o rotativos rápidos y limpios, comunes en la automatización industrial.

Sistemas Mecánicos (Continuación)

Componentes: Piezas sólidas como engranajes, poleas, palancas, ejes y levas. Energía y Leyes: Transmiten energía cinética y potencial mediante el contacto directo entre cuerpos sólidos. Se rigen por la mecánica clásica y las leyes de Newton.

Función: Modificar la fuerza, la velocidad o la dirección del movimiento físico.

Sistemas Eléctricos en el Ámbito Industrial

Conjunto integrado de equipos, dispositivos, conductores y protecciones diseñados para suministrar y gestionar la energía eléctrica dentro de una instalación productiva de manera segura, eficiente y controlada. Responde a las necesidades específicas del proceso industrial al que sirve.

Parámetros Físicos Fundamentales en un Sistema Eléctrico

• Tensión (V): Volt o voltio (V), análoga a la presión en los sistemas hidráulicos y neumáticos.
• Corriente o Intensidad (I): Ampere o amperio (A), análoga al flujo de fluido en el sistema hidráulico y neumático.
• Resistencia (R): Ohm (Ω). La resistencia de un conductor es proporcional a su longitud e inversamente proporcional a su sección transversal. La resistencia aumenta con la longitud del conductor y con la disminución de su sección.
• Potencia (P): (Vatios o Watts: W). Es un valor instantáneo que representa la velocidad con que se utiliza o entrega la energía eléctrica.
• Energía (E): (Watt-hora: Wh). Es la cantidad de trabajo realizado por un flujo de electrones a través de un conductor en un tiempo determinado. Representa el consumo acumulado (Energía = Potencia x Tiempo).

Clasificación de Materiales según su Conductividad

• Conductores: Son cuerpos como los metales (cobre, plata, hierro), donde los electrones se mueven con facilidad. Poseen una resistividad muy baja.
• No conductores o Aislantes: Tienen dificultad para conducir a los electrones. Materiales como madera, plástico y caucho. Poseen una resistividad muy alta.
• Semiconductores: Su capacidad de conducir depende de las condiciones del circuito y la composición química que interviene en su formación (Silicio, Germanio), con resistividad intermedia.
• Nota: Incluye tabla de resistividad y coeficiente de temperatura a 20 °C.

Magnitudes Eléctricas: Intensidad, Tensión y Potencia

• Intensidad (I): Cantidad de carga eléctrica que circula por un conductor en un determinado tiempo. Se mide en Amperios (A) con un Amperímetro (I = P / V).
• Tensión (V): Diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. Es la fuerza que empuja a las cargas a moverse. Se mide en Voltios (V) con un Voltímetro (V = P / I).
• Potencia (P): Cantidad de energía eléctrica que se transforma o consume por unidad de tiempo. Se mide en Vatios (W) con un Vatímetro (P = V x I).

Leyes Fundamentales: Ohm y Joule

• Ley de Ohm: La corriente que circula por un conductor entre dos puntos es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia del circuito (A mayor resistencia, menor corriente).
• Ley de Joule: Transformación de energía eléctrica en calor. La cantidad de calor generado en un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la corriente eléctrica, multiplicado por la resistencia del conductor y por el tiempo que dura el paso de la corriente. Es una ley clave para evitar el sobrecalentamiento, pérdida de energía y riesgos eléctricos.
• Fórmulas principales:
  • Q = I² x R x t
  • V = I x R
  • I = V / R
  • R = V / I

Componentes Industriales Esenciales

• Fuente de alimentación: Proporciona voltaje (tensión) y corriente. Ejemplos: Baterías, generadores.
• Elemento de conducción y conexión: Permite que la corriente circule entre los distintos tipos de componentes. Incluye cables conductores unipolares/multipolares, rígidos y la puesta a tierra (punto de referencia con tensión cero que ayuda a estabilizar el circuito).
• Control y protección: Interruptores (abren y cierran el circuito de forma manual o automática), diodos (dejan pasar la corriente en una sola dirección), fusibles, disyuntores y protecciones (interrumpen el circuito si la corriente supera el valor seguro).
• Transformación y almacenamiento: Resistencias e inductores (bobinas que almacenan energía en forma de campo magnético, útiles para filtrar ruidos eléctricos y establecer corriente en motores y transformadores).
• Medición: Voltímetro y amperímetro.

Cables Eléctricos en Instalaciones Industriales

Son conductores que transportan la energía eléctrica en las instalaciones.

• Composición: Conductor (cobre/aluminio), aislamiento y cubierta exterior.
• Tipos principales:
  • Unipolar: Un solo conductor (para cañerías/bandejas).
  • Bipolar: Dos conductores aislados (fase y neutro; baja potencia).
  • Tripolar: Tres conductores aislados (fase, neutro y tierra).