Hidráulica

Mecánica, dinámica de fluidos y medios continuos. Viscosidad, densidad, presión. Hidrodinámica. Bernoulli. Ondas, interferencias. Neumática. Válvulas

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HIDRAULICA


La hidráulica es la parte de la física que estudia la mecánica de los fluidos; analiza la leyes que rige l movimiento de los líquidos y las técnicas para mejorar el aprovechamiento de las aguas; se divide en hidrostática (líquidos en reposo) y la hidrodinámica (líquido en movimiento).

Es la parte de la física que estudia líquidos en reposo. Tiene para su estudio las características de los líquidos que son: Viscosidad (Resistencia de un líquido a fluir), Tensión Superficial (Fuerza de atracción entre la moléculas de un líquido que permite se forme una finísima membrana plástica en la superficie de un líquido), Cohesión (Fuerza que mantiene unidad entre moléculas de una misma sustancia), Adherencia (Fuerza de atracción entre moléculas de sustancias diferentes), Capilaridad (Fenómeno que se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida, especialmente si se encuentran en recipientes tan delgados como el cabello, de ahí su nombre capilaridad).

La densidad de una sustancia (r) expresa la relación que hay de la masa contenida en la unida de volumen, es decir, densidad es igual a la masa entre volumen.

r = m M Kg = Kg = g

v m3 m3 1 cm3

1 Kg = 1 dcm3 = 1 Kg

El peso específico de una sustancia (Pe) esta dado por la relación que hay entre su peso y el volumen que ocupa.

Pe= peso . = w = mg rg m . m Mm M . n .

Volumen v v v t2 m3t2 m2t2 m3

En la relación que hay entre una fuerza aplicada y el área sobre la cual actua, pero dicha presión ejercida por fuerza es perpendicular a la superficie y la expresión matemática que la representa es:

P = F n (Pascal)

A m2

La p.h. es aquella que origina todo líquido sobre le fondo y las paredes del recipiente que lo contiene. La manera de calcular dicha p.h. es multiplicando el Pe del líquido por la altura que hay desde la superficie libre del líquido hasta el punto considerado.

Ph = Peh = rgh = mg h = w n

v v

P = F .n .

A m2

La paradoja hidrostática de Stevin, señala lo siguiente: “la presión ejercida por un líquido en cualquier punto del recipiente no depende de la forma del recipiente ni de la cantidad de líquido contenido, sino únicamente del peso específico y de la altura que hay del punto considerando a la superficie libre líquido.

Debo al peso del aire por los componentes que lo forma decimos que el peso de éste que es ejercido sobre todo lo que hay en la superficie terrestre se llama presión atmosférica la cual varía según la altura a la que la corteza terrestre se encuentra; a nivel del mar, su valor máximo o valor normal es de 1atm = 760 mm de Hg. 1atm = 1.03*105 pascales

1 torr = 1 mm de Hg = 133.32 pascales

El torr recibe su nombre de Evangelista Torricelli y esto nos permite calcular su equivalente.

P = F = (N) g = 10m/seg2

A m2

= mg h = .76 m

A

= ma ? = 13600kg/m3

A

= ?gh ? = (10) (.76) (13600)

? = 103360 N/m2 = 1.03*105 pa

La presión diferente a la atmosférica recibe el nombre de presión manométrica que es la que soporta un liquido contenido en un recipiente además de soportar la presión atmosférica recibe otra causada por su calentamiento ejemplo: esterilizadores, máquina de vapor.

Los dispositivos para medirla se llaman manómetros. La presión manométrica es la diferencia entre presión absoluta y presión atmosférica. P. absoluta = P. manométrica + P. atmosférica

P. manométrica = P. absoluta - P. atmosférica

Cuando la presión ejercida sobre cualquier parte de un fluido encerrado (líquido o gas) se cambia la presión sobre cualquier otra parte del mismo fluido también cambia.

Hidráulica

Todo cuerpo sumergido en un fluido parcial o completamente recibe el nombre de empuje ascendente originado por una fuerza igual al peso del fluido que desplaza. Se determinó matemáticamente como: }

E = Pe* V donde E es empuje.

Una de las aplicaciones prácticas de Pascal se encuentra en la prensa hidráulica, mejor conocido como gato hidráulico el cual consiste en dos émbolos comunicados por un líquido que puede ser agua o aceite donde la presión ejercida en cada uno de los émbolos estará en función del área y la fuerza que se puede ejercer sobre cada émbolo pero logrando el equilibrio entre ambos, es decir:

Es la parte de la hidráulica que estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento y para ello considera: la velocidad, la presión, el flujo y el gasto del líquido.

En la hidrodinámica el teorema de Bernoulli que da origen o trata de la ley de la conservación de la energía que es importante ya que se refiere a la suma de energías cinética, potencial y de presión de los líquidos en movimiento con respecto de un punto determinado de tal manera que lo mismo sucederá en otro punto cualesquiera de un mismo líquido.

Las aplicaciones son: construcción de canales, puertos, cascos de barcos, hélices, ductos en general, etc.

Para facilitar el estudio de los líquidos se hacen siempre las siguientes consideraciones.

1).- los líquidos son completamente incompresibles

2).- se considera despreciable la viscosidad, es decir, que no hay fuerza de rozamiento entre las diferentes capas del líquido y que no hay pérdidas de energía mecánica producida por la viscosidad

3).- no hay resistencia cuando el líquido fluye a través de un conductor

El gasto es el volumen de un líquido que atraviesa una sección de un conductor en un segundo. Al gasto, también se le denomina flujo y su símbolo es: Q =Av donde A= área del conductor y v = velocidad con que fluye. También al gasto se le denomina en algunas ocasiones rapidez o velocidad de flujo.

El flujo se define como la cantidad de masa del líquido que fluye a través de una tubería en un segundo por lo tanto el flujo es: F = m/t

1.- F = kg/seg m = masa en kg T = tiempo en seg

2.- m = ?v

2 en 1 F = ?v/t F = ?Q

Un acueducto de 14 cm de diámetro interno surte agua a mi casa a través de tubos intermedios a tubo de la llave de mi lavabo de 1 cm de diámetro interno. Si la velocidad promedio en el tubo de la llave es de 3 cm/seg. Cuál será la velocidad promedio en el acueducto que causa esta velocidad.

La ley de la conservación de la energía (Lavoiser) establece que la energía no se crea ni se destruye sólo se transforma. Un fluido que circula dentro de un conductor cerrado puede según a las condiciones a las que este sometido intercambiar diferentes tipo de energía mecánica (potencial, cinética y de flujo). Si esta conectado a una bomba o recibe un trabajo externo esto le da una dosis suplementaria de energía y debido a su rozamiento su energía cinética se transforma en calor. La relación que liga todas estas energías se denomina Teorema de Bernoulli que dice:

En un líquido en movimiento la suma de energías Ec+Ep+Ef+.... El trabajo externo menos el rozamiento es igual a una constante y en forma matemática sería: Ec+ Ep+ Ef+ w -fr = K

T-R = K

mv2/2 + mgh+ P/? + Fd -fr =K

En un recipiente a mayor profundidad aumenta la velocidad con que sale el líquido.

Condiciones ideales : Ec= Ep = Ef por lo tanto no hay rozamiento

Ec = Ep

mv2/2 = mgh v = 2gh

Son aquellas provocadas por una perturbación y que para su propagación en forma de oscilaciones periódicas requieren de un medio material. Tal es el caso de las producidas en un resorte, cuerda, agua, aire, etc.

Las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para su propagación ya que se difunden en el vacío (luminosas, caloríficas y de radio).

Los movimientos ondulatorios son longitudinales cuando las partículas del material vibran de manera paralela a la propagación de la onda transversal si las partículas vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

Onda longitudinal transversal

Trepida torio

Las ondas se caracterizan en base a su propagación en una dos o tres dimensiones.

Ondas longitudinales. Ejemplo: un resorte

Ondas transversales. Ejemplo: una piedra a un lago

Se forma cuando en el extremo de una cuerda tensa se le da un impulso moviéndola hacia arriba. Se produce una onda que avanza por las partículas que se movieron al llegarles el impulso. Volverán a su estado cuando el impulso haya pasado, pero si seguimos haciendo el mismo impulso se genera un tren de ondas.

Al dejar caer nosotros una piedra en un estanque se forman ondas transversales y cada onda tiene una cresta y un valle, todos los puntos de una onda experimentan la misma fase y al propagarse las ondas se desplazan generando otras de mayor tamaño, cada círculo de ondas representa un frente de onda formado por todos los puntos de la onda con la misma fase ya que desde el punto donde cayó la piedra llamado centro emisor los diferentes frentes de onda avanzan al mismo tiempo y con una velocidad constante.

Es la línea que señala la dirección como avanzan cualquiera de los puntos de u frente de onda.

Velocidad de propagación V = ?F donde ? = longitud de onda F = frecuencia (Hz)

Frecuencia es el número de ondas que pasan por minuto f = # de ondas/ 1 segundo

Periodo es el tiempo que tarda una onda completa o un ciclo v = F/T donde T = periodo

La reflexión de ondas se presenta cuando un obstáculo les impide su propagación sin que modifiquen sus características.

Una onda producida en un estanque de agua se refleja con el mismo ángulo de choque por lo tanto tenemos los elementos de una reflexión:

I = R

1.- El rayo incidente, el reflejado y la normal están en el mismo plano.

2.- El rato incidente y el rayo reflejado son iguales.

Se produce cuando se superponen simultáneamente dos o tres o mas trenes de onda y este fenómeno se emplea para comprobar si un movimiento es ondulatorio o no.

Los dos tipo de interferencia más comunes son:

a).- Interferencia constructiva o positiva. Se produce cuando se superponen dos o mas trenes de onda de la misma frecuencia y longitud en el mismo sentido.

b).- Interferencia destructiva o negativa. Son dos movimientos ondulatorios con diferente fase

se anulan

con el mismo centro

emisor

Estas se producen cuando dos movimientos ondulatorios de la misma frecuencia y amplitud se propagan en sentido contrario con una diferencia de fase de media longitud de onda. En los nodos la amplitud es cero.

Se presentan cuando pasan de un medio a otro de diferente densidad o estando en el mismo medio este cambia sus características de un punto a otro. Aquí la densidad del aire es menor que la del agua.

Cuando una onda encuentra un obstáculo en su camino y lo rodea o lo contornea se produce la difracción de ondas, ejemplo:

Son ondas mecánicas longitudinales que se producen cuando un cuerpo es capaz de vibrar a una frecuencia comprendida entre 16 Hz y 2 Khz que es la zona comprendida del espectro audible por el ser humano cuando esta frecuencia infrasónica y si es mayor al audible tenemos una supersónica o ultrasónica.

Frecuencia audible > infrasónico

Frecuencia audible < supersónica, ultrasónica

La velocidad de propagación del sonido dependen del medio elástico y de la temperatura.

Medio elástico Velocidad Temperatura

m/seg K

Aire 331.4 273-0°C

Aire 340 288 - 15°C

Agua 1435 281

Oxígeno 317 273

Hierro 5130 293

Aluminio 5100 293

Vidrio 4500 293

Se origina por la repetición de un sonido reflejado. Este fenómeno se escucha claramente en salones amplios donde la pared de reflexión se encuentra a unos 17 m como mínimo de distancia del oyente ya que para oír separadamente el sonido original y el reflejado e requieren 0.1 segundos que es el tiempo necesario para que el oído distinga dos sonidos diferentes. Ya que en 0.1 segundos el sonido recorrerá 34 m. 340 m/seg siendo 17m de ida y 17 de regreso.

La vibración de un cuerpo hace vibrar a otro con la misma frecuencia (cajas de resonancia).

Se produce después de escuchar un sonido original y este persiste dentro del local como consecuencia del eco.

En una sala de conciertos una reverberación excesiva puede ocasionar que no se escuche claramente los sonidos emitidos por los instrumentos musicales o la voz.

La reverberación se reduce usando cortinas, pisos de madera, paredes con corcho o cubiertas de tela.

A mayor frecuencia es más alto o agudo y a menor frecuencia es más bajo o grave.

Cualidad que permite identificar una fuente sonora , aun cuando etsa provenga de varios instrumentos musicales diferentes que están con el mismo tono e intensidad (huella dactilar).

Consiste en un cambio aparente en la frecuencia de un sonido durante el movimiento relativo entre el observador y la fuente.

Cuando la fuente sonora esta en movimiento y el observador en reposo: F'= F V/ V + v

Cuando la fuente sonora esta en reposo y el observador en movimiento: F'= F(V + v)/V

Donde: F' = frecuencia aparente escuchada

F = frecuencia emitida por la fuente

V = velocidad de propagación del sonido

v = velocidad a la que se mueve la fuente sonora

FUNDAMENTOS DE NEUMATICA

El termino neumatica proviene del griego "pneuma" que significa aliento o soplo, aunque el término neumatica debe aplicarse en general al estudio de el comportamiento de los gases, este término se ha adecaudo para comprender casi exclusivamente los fenomenos de aire comprimido o sobre presion (presion por encima de una atmosfera) para producir un trabajo.

MASA:

Es una de las propiedades intrinsecas de la materia, se dice que esta mide la resistencia de un cuerpo a cambiar su movimiento (desplazamiento o reposo) es decir su inercia,por lo cual tambien se le conoce como masa inecial. La masa es independiente del madio que rodea al cuerpo. La masa es una cantidad que obedece a la aritmetica comun, es decir es una magnitud escalar. Sus unidaes son:

Sistema Abreviatura Equivalencias

SI Kg =1000 g

cgs G =0.001 kg

ST Utm =9.8 kg

Inglés Slug Libra =14.59 kg =0.4536 kg

PESO:

Es la medida de la fuerza gravitatoria ejercida sobre un objeto. El peso de un objeto puede determinarse con un método comparativo -como se hace en una balanza de laboratorio- o midiendo directamente la fuerza gravitatoria con una balanza de muelle, como la báscula de baño doméstica (véase Masa). La deformación de este tipo de balanza depende de la atracción gravitatoria local; por eso una balanza de muelle marca pesos diferentes para una misma masa (o cantidad de materia) en lugares con una atracción gravitatoria diferente. Por ejemplo, cualquier objeto pesa algo más si está situado a nivel del mar que si está en la cima de una montaña, o si está cerca del polo que si está en el ecuador. Sin embargo su masa es la misma. Si se compara el peso en la Tierra y en la luna, las diferencias son más espectaculares. Por ejemplo, un objeto con 1 kilogramo de masa, que en la Tierra pesa unos 9,8 newtons, pesaría solamente 1,6 newtons en la Luna. Una balanza de brazos está formada por dos platos suspendidos de una barra transversal que descansa sobre un punto de apoyo. Una aguja fijada a la barra señala cuando ambos platos contienen masas idénticas. Como ambas masas están sometidas a la misma atracción gravitatoria, el pesado se produce por comparación, por lo que es independiente de la atracción gravitatoria local. Por lo que se calcula de la forma siguiente:

Peso = ( masa ) X ( gravedad )

Fuerza:

Es cualquier acción o influencia que modifica el estado de reposo o de movimiento de un objeto. La fuerza es un vector, lo que significa que tiene módulo, dirección y sentido. Cuando sobre un objeto actúan varias fuerzas, éstas se suman vectorialmente para dar lugar a una fuerza total o resultante. Esta fuerza total que actúa sobre un objeto, la masa del objeto y su aceleración están relacionadas entre sí a través de la segunda ley de Newton llamada así en honor al físico y matemático del siglo XVII Isaac Newton. Esta ley afirma que la aceleración que experimenta un objeto multiplicada por su masa es igual a la fuerza total que actúa sobre el objeto.

Por tanto, si una fuerza igual actúa sobre dos objetos de diferente masa, el objeto con mayor masa resultará menos acelerado. Un objeto experimenta una fuerza cuando otro objeto lo empuja o tira de él. Un objeto también puede experimentar una fuerza debido a la influencia de un campo de fuerzas. Por ejemplo, si se deja caer una pelota, ésta adquiere una aceleración hacia abajo debido a la existencia del campo gravitatorio terrestre; las cargas eléctricas se atraen o se repelen debido a la presencia de un campo eléctrico.

Así pues la fuerza efectiva o resultante sobre una particula, sera igual a la suma vectorial de las fuerzas incidentes. Generalmente, sobre un objeto actúan varias fuerzas a la vez. Si la suma de las mismas da lugar a una fuerza total nula, el objeto no se acelerará: seguirá parado o detenido o continuará moviéndose con velocidad constante. En el Sistema Internacional de unidades, la fuerza se mide en newtons: 1 newton (N) es la fuerza que proporciona a un objeto de 1 kg de masa una aceleración de 1 m/s2.

DENSIDAD:

Es la relacion entre la masa de un cuerpo y su volumen. Por ejemplo, la densidad de un pie cubico de "aire seco" a una atmosfera, con una temepratura de 60º F es de 0.076 libras/pie cubico. Al tener los gases la capcidad de compresibilidad, significa que la densidad del aire u otros gases, dependera de de la presión a la que esten sujetos. Es evidente que las unidades para medir la densidad serán masa/volumen.

PRESIÓN:

Se define como fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie. La presión suele medirse en atmósferas (atm); en el Sistema Internacional de unidades (SI), la presión se expresa en newtons por metro cuadrado; un newton por metro cuadrado es un pascal (Pa). La atmósfera se define como 101.325 Pa, y equivale a 760 mm de mercurio en un barómetro convencional. De lo anterior se deduce que al diminuir el area de aplicación de la fuerza, aumenta la presión. En el siguiente ejemplo se aplica una fuerza pero se disminuye el area, por lo que la presion aumenta.

VALVULAS NEUMATICAS:

Las válvulas son dispositivos utilizados apra controlar la presión o fuljo en un circuito neumatico, segun su tipo se pueden clasificar por:

Hidráulica
Válvulas de vías:
Las caracteristicas de la válvulas de vías, son el número de conexiones (vías), el número de posiciones, su tipo de accionamiento y la forma en que esta vuelve a su posicion original, ademas por supuesto caracteristicas técnicas como presión que maneja, tamaño, peso y fuerza necesaria en el accionamiento o energía que este consume

Hidráulica
Válvulas de cierre (antiretorno):
Permiten el flujo del aire pase a traves de esta en una sola dirección, su combinación con elementos de estrangulación o varias entradas permiten flexibilidad en el momento del diseño de un circuito.

Hidráulica
Válvulas de estrangulación o reguladoras de flujo:
Limitan el flujo en una tuberia, esto con el fin de evitar daños a los elemento o reducir la velocidad con que estos actuan. Son muy usadas para aumentar la seguridad de una instalación y deben ir despues del compresor.

Hidráulica

Hidráulica
La posición de paso abierto para una válvula se representa por medio de una flecha de un extremoa otro del cuadrado.

Hidráulica
La posición de bloqueo de flujo se muestra por una línea cortada, esto simboliza la interrupción de flujo.

Hidráulica
Las conexiones se agregan con pequeñas líneas en los costados de los rectangulos.

Hidráulica
Válvula 2 vías 2 posiciones (2/2) normalmente cerrada

Hidráulica
Válvula 2 vías 2 posiciones (2/2) normalmente abierta

Hidráulica
Válvula 3 vías 2 posiciones (3/2) normalmente cerrada

Hidráulica
Válvula 3 vías 2 posiciones (3/2) normalmente abierta

Hidráulica
Válvula 3 vías 3 posiciones (3/3) con centro bloqueado

Hidráulica
Válvula 4 vías 2 posiciones (4/2)

Hidráulica
Válvula 4 vías 3 posiciones (3/3) con centro bloqueado
ELEMENTOS VARIOS

Diversos elementos son utilizados en los sistemas neumaticos, estos sin embargo no pueden encasillarse como valvulas o actuadores, esto no significa que sean menos importantes, pues muchas veces, estos son la base de uns sitema, aqui se encuentran compresores, unidades de mantenimiento, conductores y medidores.

Hidráulica
compresor

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