Hidráulica e hidrostática ilustrada.
La hidráulica es la rama de la física que estudia el comportamiento
de los líquidos en función de sus propiedades
específicas. Es decir, estudia las propiedades mecánicas de los líquidos
dependiendo de las fuerzas a las que
son sometidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa y
a las condiciones a las que esté sometido el fluido, relacionadas con la viscosidad de este.
Etimología
La palabra «hidráulica» proviene del griego ὑδϱαυλικός (hydraulikós) que, a
su vez, viene de «tubo de agua», palabra compuesta por ὕδωϱ («agua») y αὐλός
(«tubo»).
Historia
Egipto y Grecia
Las civilizaciones más antiguas se desarrollaron a lo largo
de los ríos más importantes de la Tierra. La experiencia y la intuición guiaron
a estas comunidades en la solución de los problemas relacionados con las
numerosas obras hidráulicas necesarias para la defensa ribereña, el drenaje de
zonas pantanosas, el uso de los recursos hídricos, la navegación.
En las civilizaciones de la antigüedad, estos conocimientos
se convirtieron en privilegio de una casta sacerdotal. En el antiguo Egipto los
sacerdotes se transmitían, de generación en generación, las observaciones y
registros, mantenidos en secreto, respecto a las inundaciones del río, y estaban en condiciones, con base en estos, de
hacer previsiones que podrían ser interpretadas fácilmente como revelaciones
transmitidas por los dioses. Fue en Egipto donde nació la más antigua de
las ciencias exactas, la geometría que, según el historiador
griego Heródoto, surgió a
raíz de exigencias catastrales relacionadas
con las inundaciones del
río Nilo.
Con los griegos la ciencia y la técnica pasan por un
proceso de desacralización, a pesar de que algunas veces se relegan al terreno
de la mitología.
Tales de Mileto,
de padre griego y madre fenicia, atribuyó al agua el origen de todas las cosas.
La teoría de Tales de Mileto, al igual que la teoría de los filósofos griegos
subsecuentes del período
jónico, encontrarían una sistematización de sus principios en
la física de Aristóteles. Física que, como se sabe, está
basada en los cuatro
elementosnaturales, sobre su ubicación, sobre el movimiento natural,
es decir hacia sus respectivas esferas, diferenciado del movimiento violento.
La física antigua se basa en el sentido común, es capaz de dar una descripción
cualitativa de los principales fenómenos, pero es absolutamente inadecuada para
la descripción cuantitativa de los mismos.
Las primeras bases del conocimiento científico cuantitativo
se establecieron en el siglo III a. C. en los territorios en los que
fue dividido el imperio de Alejandro Magno, y fue Alejandría el epicentro del saber
científico. Euclides recogió,
en los Elementos, el conocimiento precedente acerca de la geometría. Se
trata de una obra única en la que, a partir de pocas definiciones y axiomas, se deducen una infinidad de teoremas. Los Elementos de
Euclides constituirán, por más de dos mil años, un modelo de ciencia deductiva
de un insuperable rigor lógico. Arquímedes de Siracusa estuvo
en contacto epistolar con los científicos de Alejandría.
Arquímedes realizó una gran cantidad de descubrimientos
excepcionales. Uno de ellos empezó cuando Hierón II reinaba en Siracusa. Quiso
ofrecer a un santuario una corona de oro, en agradecimiento por los éxitos
alcanzados. Contrató a un artista con el que pactó el precio de la obra y
además le entregó la cantidad de oro requerida para la obra. La corona
terminada fue entregada al rey, con la plena satisfacción de éste, y el peso
también coincidía con el peso de oro entregado. Un tiempo después, sin embargo,
Hierón II tuvo motivos para desconfiar de que el artista lo había engañado
sustituyendo una parte del oro con plomo, manteniendo el mismo peso. Indignado
por el engaño, pero no encontrando la forma de demostrarlo, solicitó a Arquímedes
que estudiara la cuestión. Absorto por la solución de este problema, Arquímedes
observó un día, mientras tomaba un baño en una tina, que cuando él se sumergía
en el agua, ésta se derramaba hacia el suelo. Esta observación le dio la
solución del problema. Saltó fuera de la tina y, emocionado, corrió desnudo a
su casa, gritando: “Eureka! Eureka!” (que, en griego, significa: "¡Lo
encontré, lo encontré!").
Arquímedes fue el fundador de la hidrostática, y también el precursor
del cálculo diferencial:
recuérdese su célebre demostración del volumen de la esfera, y en conjunto con
los científicos de Alejandría no desdeñó las aplicaciones a la ingeniería de
los descubrimientos científicos, tentando disminuir la brecha entre ciencia y
tecnología, típica de la sociedad de la antigüedad clásica, sociedad que, como
es bien sabido, estaba basada en la esclavitud.
En el campo de la hidráulica él fue el inventor de la
espiral sin fin, la que, al hacerla girar al interior de un cilindro, es usada
aún hoy para elevar líquidos.
Lugares en donde se desarrolló[editar]
La primera central hidroeléctrica moderna se construyó en
1880 en Northumberland,
Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el
desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina
hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del
siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte
importante de la producción total de electricidad. En todo el mundo, este tipo
de energía representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de
electricidad, y su importancia sigue en aumento. Los países en los que
constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99 %), Zaire
(97 %) y Paraguay (96 %). La central de Itaipú,
en el río Paraná, está
situada entre Brasil y Paraguay, se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad
generadora del mundo. Como referencia, la presa Grand Coulee,
en Estados Unidos, genera unos 6500 Mw y es una de las más grandes.
En algunos países se han instalado centrales pequeñas, con
capacidad para generar entre un kilovatio y un megavatio. En muchas regiones de China, por
ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. Otras
naciones en vías de desarrollo están utilizando este sistema con buenos
resultados.
Antigua Roma[editar]
Los antiguos romanos, que difundieron en todo el
Mediterráneo su propio modelo de vida urbana, basaron el bienestar y el buen
vivir especialmente en la disponibilidad de abundante cantidad de agua. Se
considera que los acueductos suministraban más de un millón de m³ de agua al
día a la Roma Imperial, la mayor parte distribuida a
viviendas privadas por medio de tubos de plomo. Llegaban
a Roma por
lo menos una docena de acueductos unidos a una vasta red subterránea.
Pont du Gard a Nîmes.
Para construir el acueducto Claudio se requirieron, por 14
años consecutivos, más de 40 mil carros de tufo por
año.
En las provincias romanas los acueductos atravesaron con
frecuencia profundos valles, como en Nîmes, donde el
Pont du Gard de 175 m de longitud tiene una altura máxima de 49 m, y
en Segovia,
en España,
donde el puente-acueducto de 805 m de longitud todavía funciona.
Los romanos excavaron también canales para mejorar el
drenaje de los ríos en toda Europa y, menos frecuentemente para la navegación, como es el caso del canal Rin-Mosa de 37 km
de longitud. Pero sin duda en este campo la obra prima de la ingeniería del
Imperio romano es el drenaje del lago Fucino, a través de una galería de 5,5 km
por debajo de la montaña. Esta galería solo fue superada en el 1870 con
la galería ferroviaria del
Moncenisio. El “Portus Romanus, completamente artificial, se construyó después
del de Ostia,
en el tiempo de los primeros emperadores romanos. Su bahía interna, hexagonal,
tenía una profundidad de 4 a 5 m, un ancho de 800 m, muelle de ladrillo y mortero, y un fondo de bloques de piedra
para facilitar su dragado.
QUE ES NEUMÁTICA?
La neumática (del griego πνεῦμα [pneuma], ‘aire’) es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energíanecesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un fluido gaseoso y, por tanto, al aplicarle una fuerza se comprime, mantiene esta compresión y devuelve la energía acumulada cuando se le permite expandirse, según dicta la ley de los gases ideales.
Mandos neumáticos
Los mandos neumáticos están constituidos por elementos
de señalización, elementos de mando y un aporte de trabajo. Los elementos de
señalización y mando modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo y
se denominan válvulas. Los sistemas neumáticos e hidráulicos están
constituidos por:
·
Elementos de
información.
·
Elementos de
trabajo.
·
Elementos
artísticos.
Para el tratamiento de la información de mando es
preciso emplear aparatos que controlen y dirijan el fluido de
forma preestablecida, lo que obliga a disponer de una serie de elementos que
efectúen las funciones deseadas relativas al control y dirección del flujo del
aire comprimido.
En los principios de la automatización, los elementos
rediseñados se mandan manual o mecánicamente. Cuando por necesidades de trabajo
se precisaba efectuar el mando a distancia, se utilizan elementos de comando
por símbolo neumático (cuervo).
Actualmente, además de los mandos manuales para la
actuación de estos elementos, se emplean para el comando de procedimientos
servo-neumáticos, electro-neumáticos y automáticos que efectúan en su totalidad
el tratamiento de la información y de la amplificación de señales.
La gran evolución de la neumática y la hidráulica han
hecho, a su vez, evolucionar los procesos para el tratamiento y amplificación
de señales, y por tanto, hoy en día se dispone de una gama muy extensa de
válvulas y distribuidores que nos permiten elegir el sistema que mejor se
adapte a las necesidades.
Hay veces que el comando se realiza manualmente, y
otras nos obliga a recurrir a la electricidad (para automatizar) por razones
diversas, sobre todo cuando las distancias son importantes y no existen
circunstancias adversas.
Las válvulas en términos generales, tienen las
siguientes misiones:
·
Distribuir
el fluido
·
Regular
caudal
·
Regular
presión
Las válvulas son elementos que mandan o regulan la
puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del
fluido enviado por el compresor o almacenado en un depósito. Ésta es la
definición de la norma DIN/ISO 1219 conforme a una recomendación del CETOP
(Comité Européen des Transmissions Oléohydrauliques et Pneumatiques).
Según su función las válvulas se subdividen en cinco
grupos:
1. Válvulas de vías o distribuidoras
2. Válvulas de bloqueo
3. Válvulas de presión
4. Válvulas de caudal
5. Válvulas de cierre
Método de paso a paso
El método paso a paso es una técnica
para diseño de circuitos neumáticos, el cual está basado en que para activar un
grupo es necesario desactivar el grupo anterior, generando así una secuencia.
Este método es más utilizado que el método de cascada, ya que cuando hay más de
dos válvulas en cascada, surgen pérdidas de presión. Dichas pérdidas de presión
se corrigen con el método paso a paso. Se necesita que haya tres o más grupos
para que funcione, aunque se puede realizar el método con dos grupos pero se
debe de agregar un grupo adicional para poder seguir con la secuencia.
Los siguientes pasos llevan a diseñar un
circuito neumático de paso a paso:
1. Establecer la
secuencia o sucesión de movimientos a realizar.
2. Separar la secuencia
en grupos.
3. Designar cada grupo
con siglas romanas.
4. Hacer la
esquematización del circuito, colocando los actuadores en la posición inicial
deseada.
5. Cada actuador estará
controlado por una válvula 4/2 o 5/2 de accionamiento neumático biestable.
6. Debajo de las válvulas
de distribución, se ponen tantas líneas de presión como grupos tenga el
sistema, enumerándolas con números romanos
7. Debajo de las líneas
de presión se ponen memorias (válvulas 3/2), tantas como grupos tenga el
sistema. Todas las memorias comenzarán normalmente cerradas, a excepción de la
válvula colocada hasta la derecha que estará normalmente abierta.
8. Las memorias van
conectándose a las salidas de presión, tomando la salida única de la primera
memoria y se conecta a la línea de presión I, la segunda memoria a la línea a
presión II y así sucesivamente. La última memoria que es la normalmente
abierta, se conectara a la última línea de presión.
9. Cada memoria (excepto
la de la derecha), será pilotada por la izquierda por la línea de presión o
grupo anterior al que está conectada su salida.
10.
Cada memoria (excepto la de la derecha), será pilotada por la derecha por
la línea de presión o grupo que debe de desactivarla.
11.
La válvula de la derecha será pilotada al revés, esto quiere decir que para
pilotarla por la izquierda, se debe de conectar el grupo o línea que la
desactiva y para pilotarla por la derecha, se conecta el grupo o línea anterior
al que esté conectada su salida.
Comparación
con otros medios
Circuito
neumático.
Tanto la lógica neumática como la
realización de acciones con neumática tiene ventajas y desventajas sobre otros
métodos (hidráulica, eléctrica, electrónica). Algunos criterios a seguir para
tomar una elección son:
·
El medio ambiente. Si el medio es inflamable no se recomienda el empleo de
equipos eléctricos y tanto la neumática como la hidráulica son una buena
opción.
·
La precisión requerida. La lógica neumática es de todo o nada, por lo que
el control es limitado. Si la aplicación requiere gran precisión son mejores
otras alternativas electrónicas.
Por otro lado, hay que considerar
algunos aspectos particulares de la neumática:
·
Requiere una fuente de aire comprimido, por lo que se ha de emplear un
compresor.
·
Es una aplicación que no contamina por si misma al medio ambiente (caso
hidráulica).
·
Al ser un fluido compresible absorbe parte de la energía, mucha más que la
hidráulica.
·
La energía neumática se puede almacenar, pudiendo emplearse en caso de
fallo eléctrico.
Circuitos neumáticos
1. Circuito de anillo
cerrado: Aquel cuyo final de circuito vuelve al origen evitando brincos por
fluctuaciones y ofrecen mayor velocidad de recuperación ante las fugas, ya que
el flujo llega por dos lados.
2. Circuito de anillo
abierto: Aquel cuya distribución se forma por ramificaciones las cuales no
retornan al origen, es más económica esta instalación pero hace trabajar más a
los compresores cuando hay mucha demanda o fugas en el sistema.
Estos circuitos a su vez se pueden
dividir en cuatro tipos de sub-sistemas neumáticos:
1. Sistema manual.
2. Sistemas
semiautomáticos.
3. Sistemas automáticos.
4. Sistemas lógicos.
