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HIDRÁULICA El recorrido etimológico de hidráulica se inicia en la lengua griega con el vocablo hydraulís, que derivó en hydraulikós. Este término, a su vez, llegó al latín como hydraulĭcus. La hidráulica es una rama de la física que se dedica al análisis del movimiento y del equilibro de los fluidos. Un fluido, a su vez, es un líquido o un gas: una sustancia cuyas moléculas se mantienen unidas mediante una fuerza de cohesión o atracción débil. Esto hace que los fluidos adopten la forma del contenedor donde se encuentran. 1.

LEYES Y PRINCIPIOS FÍSICOS DE LA HIDRÁULICA.  Presión hidrostática: Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes del fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en el esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sin importar la orientación que adopte las caras. Si el liquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión y la altura del liquido por encima del punto en que se mide. Se calcula mediante las siguientes expresiones

P = pgh + Po Donde usando unidades de SI P = la presión hidrostática (en pascales). p = la densidad del liquido (en kilogramos partido metro cubico). g = la aceleración de la gravedad (en metros partido segundo al cuadrado). h = la altura del fluido (en metros). Un liquido en equilibrio ejerce fuerzas perpendiculares sobre cualquier superficie sumergida en su interior. Po = la presión atmosférica (en pascales). 

Principio del pascal: En física, el principio del pascal o ley del pascal, es una ley enunciada físico y matemático francés Blaise pascal en 1623 a 1662 que se resume en la frase la presión ejercida por un fluido incomprensible y en equilibrio dentro de un recipiente indeformable se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido. Este principio se enuncia mediante dos partes:  La deformación y desplazamiento del líquido se realiza sin gasto de energía.  La presión en cualquier parte del líquido es independiente de la dirección que se considere.

P = P0 + rho g h. Donde: P = la presión total a la profundidad. P0 = es la presión sobre la superficie libre del fluido. rho = la densidad del fluido. g = la aceleración de la gravedad. h = la medida en Pascales.



Presión hidráulica: La presión hidráulica es aquella generada mediante un par de pistones en donde se aplica una fuerza ligera para generar una fuerza mucho mayor. Como es un procedimiento hidráulico, se utilizan pistones de agua que son los que forman una presión capaz de levantar cualquier objeto, como un auto o una máquina industrial. La presión hidráulica aparece principalmente en herramientas o máquinas industriales como la prensa hidráulica; la misma se emplea comúnmente en la industria automovilística, aeronáutica, entre muchas otras. La prensa hidráulica: constituye la aplicación fundamental del principio del pascal y también un dispositivo te permite entender mejor su significado. Consiste, en esencia, en dos cilindros de diferente sección comunicados entre si cuyo interior esta completamente lleno de liquido que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de sección diferente se adjuntan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo que este en contacto con el líquido. Cuando el embolo de menor sección S1 se ejerce una fuerza F1 la presión p1 que se origina en el liquido en contacto con él se transmite íntegramente de forma casi instantánea a todo el resto del liquido por el principio del pascal esta presión será igual a la presión p2 que ejerce en el fluido de la sección S2, es decir.

p1=p2 Con lo que la fuerza, siendo S1<S2:

F1=p1S1
F1=F2(S1/S2) Principios de Arquímedes: El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: “un cuerpo total o parcialmente sumergido en un líquido en reposo recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja”. Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newton (en el SI) el principio de Arquímedes se formula así

E = mg = pfgV Donde: E = el empuje. pf = la densidad del fluido. V = volumen del fluido desplazado. g =la aceleración de la gravedad m = la masa. 

Principio de Bernoulli: El fluido hidráulico en un sistema contiene energía en dos formas: energía cinética en virtud del peso y de la velocidad y energía potencial en forma de presión. Daniel Bernoulli, un científico Suizo demostró que en un sistema con flujos constantes, la energía es transformada cada vez que se modifica el área transversal del tubo. El principio de Bernoulli dice que la suma de energías potencial y cinética, en los varios puntos del sistema, es constante, si el flujo sea constante. Cuando el diámetro de un tubo se modifica, la velocidad también se modifica.

La energía cinética aumenta o disminuye. En tanto, la energía no puede ser creada ni tampoco destruida. Enseguida, el cambio en la energía cinética necesita ser compensado por la reducción o aumento de la presión  Cinética: Es la energía debida ala velocidad que posea al fluido.  Potencia gravitacional: Es la energía debido a la altitud que un fluido posee.  Energía de flujo: Es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee. 𝑽𝟐𝟏 𝟐𝒈

+

𝑷𝟏 𝜸

+ 𝒛𝟏 +

𝑾 𝜸

= 𝒉𝒋 +

𝑽𝟐𝟐 𝟐𝒈

+

𝑷𝟐 𝜸

+ 𝒛𝟐

donde: ϒ = el peso específico (ϒ=pg). Este valor se asume constante a través del recorrido al ser un fluido incompresible. W= trabajo externo que se le suministra (+) o extrae al fluido (-) por unidad de caudal másico a través del recorrido del fluido. hf = disipación por fricción a través del recorrido del fluido. Los subíndices 1 y 2 indican si los valores están dados para el comienzo o el final del volumen de control respectivamente. g = 9,81 m/s2. 2.

PRESIÓN.

Se le llama Presión, a la reacción inmediata que ejerce un cuerpo sobre otro en relación de peso o fuerza. La presión técnicamente se refiere a dos tipos fundamentales, opresión y compresión, la opresión es comúnmente asociada a la falta de libertad de un sujeto para movilizarse con plena independencia, y la compresión se refiere al esfuerzo o impedimento que realiza un cuerpo sobre otro impidiendo su salida de algún sitio. Se define presión como el cociente entre la componente normal de la fuerza sobre una superficie y el área de dicha superficie.

𝒑=

𝑭 𝑺

La unidad de medida recibe el nombre de pascal (Pa). 3.

PROPAGACIÓN DE LA PRESIÓN.

Concretamente, en el estado liquido en el gaseoso las partículas están continuamente moviéndose con cierta libertad de movimiento debido a la energía que posee. Por ello también se conoce a las sustancias en estado liquido o gaseoso como fluidos. A pesar de que denominamos fluidos tanto a los gases como a los líquidos, existe una diferencia esencial entre ellos: mientras que un gas puede comprimirse fácilmente, un líquido es prácticamente incompresible. Puedes hacer la prueba con una jeringuilla sin aguja tapando el orificio de salida; si comprimes el émbolo lleno de aire, el volumen se reduce, mientras que, si está lleno de agua, resulta imposible moverlo. Si llenas un recipiente con un líquido y lo agujereas, observarás como el agua sale perpendicularmente a la superficie del mismo. Si ahora

lo comprimimos con un émbolo el agua sale con mayor velocidad por los agujeros, además de que lo hace con igual velocidad por todos y cada uno de ellos. 4.

MULTIPLICACIÓN DE FUERZAS.

Cualquier presión externa aplicada, se transmite a todas las partes del fluido cerrado, haciendo posible una gran multiplicación de la fuerza (principio de la prensión hidráulica). El multiplicador de fuerza hidráulico permite que por ejemplo; un vehículo de tracción humana pueda transportar una tonelada o más a 30 kilómetros por hora o más, sin mayor esfuerzo que el que emplearía para transportarse solo el operador en una bicicleta convencional. Funciona similar a una prensa hidráulica, que puede levantar muchas veces la fuerza aplicada en la palanca; el operario al pararse simultáneamente en las palancas inyecta el aceite hidráulico, a las diferentes cámaras haciendo la multiplicación de la fuerza, convertido a movimiento circular, conectado con las ruedas. Las aplicaciones: En el transporte: para la fabricación de vehículos cien por ciento ecológicos En la industria: como facilitador de procesos mecánicos. En la agricultura: en la fabricación de maquinaria de procesos Como ayuda para personas discapacitadas: en la fabricación de prótesis.

agrícolas.

En el ahorro y generación de energía eléctrica: si a un motor x le anexamos el multiplicador de fuerza hidráulico obtendremos eficiencia en muchas veces más que la capacidad primaria, inclusive como para generar energía a partir de la energía generada. 5.

MULTIPLICACIÓN DE DISTANCIAS.

Si se desea elevar una carga F2 por un trayecto S2 es necesario que el émbolo K1 desplace una determinada cantidad de fluido para que el émbolo K2 se eleve por el recorrido S2. El volumen desplazado necesario en este caso lo calculamos de la siguiente manera: V1 = S1 * A1 y V2 = S2 * A2 Tratándose del mismo volumen desplazado (V1 = V2), se obtiene la siguiente ecuación: S1 * A1 = S2 * A2 Observamos que el recorrido S1 tiene que ser mayor que el corrido S2, puesto que la superficie A1 es menor que la superficie A2. La carrera del émbolo es inversamente proporcional a su superficie. Aplicando esta ley física podemos calcular las magnitudes S1 y S2. 6.

MULTIPLICACIÓN DE PRESIONES.

Los multiplicadores de presión ofrecen varias ventajas, a utilización de multiplicadores de presión da mayor libertad al constructor a la hora de seleccionar la presión de trabajo. La presión hidráulica resulta más homogénea a lo largo de todo el ciclo de la máquina. Sólo cuando se necesita una subida de presión, el multiplicador de presión empieza a funcionar.

El resto del tiempo permanece inactivo, sin efectuar ningún consumo interno y, por lo tanto, sin influir en el rendimiento del sistema. La utilización de un multiplicador de presión ofrece una serie de ventajas en comparación con los sistemas tradicionales de alta y baja presión mayor operatividad y durabilidad gracias al funcionamiento a baja presión. Sistema más compacto. Mayor seguridad debido a que se reduce la utilización del sistema de alta presión. Integración de válvulas. No requiere juntas dinámicas de estanqueidad. La proporción del reforzamiento se adapta a las necesidades de cada momento. Así funcionan los multiplicadores de presión 7.

Caudal volumétrico.

El caudal volumétrico o tasa de flujo de fluidos es el volumen de fluido que pasa por una superficie dada en un tiempo determinado. Usualmente es representado con la letra Q mayúscula. Definimos la tasa de flujo volumétrico Q de un fluido como el volumen de fluido que pasa a través de una sección transversal dada por unidad de tiempo. El término sección transversal es solo una forma elegante de describir el área a través de la que algo fluye, por ejemplo, el área circular dentro de la recta punteada en el diagrama que se muestra a continuación. Como la tasa de flujo volumétrico mide la cantidad de volumen que pasa a través de un área en un tiempo dado, su ecuación se ve así: Q=

V t

=

volumen tiempo

En unidades del SI (Sistema Internacional de Unidades), la tasa de flujo volumétrico tiene unidades de metros cúbicos por segundo, m3/s, pues te dice el número de metros cúbicos de fluido que fluyen cada segundo. 8.

Ecuación de continuidad.

Cuando un fluido fluye por un conducto de diámetro variable, su velocidad cambia debido a que la sección transversal varía de una sección del conducto a otra. En todo fluido incompresible, con flujo estacionario (en régimen laminar), la velocidad de un punto cualquiera de un conducto es inversamente proporcional a la superficie, en ese punto, de la sección transversal de la misma.

La ecuación de continuidad no es más que un caso particular del principio de conservación de la masa. Se basa en que el caudal (Q) del fluido ha de permanecer constante a lo largo de toda la conducción. Dado que el caudal es el producto de la superficie de una sección del conducto por la velocidad con que fluye el fluido, tendremos que en dos puntos de una misma tubería se debe cumplir que:

Que es la ecuación de continuidad y donde: 

S es la superficie de las secciones transversales de los puntos 1 y 2 del conducto.



v es la velocidad del flujo en los puntos 1 y 2 de la tubería. Se puede concluir que puesto que el caudal debe mantenerse constante a lo largo de todo el conducto, cuando la sección disminuye, la velocidad del flujo aumenta en la misma proporción y viceversa. En la imagen de la derecha puedes ver como la sección se reduce de A1 a A2. Teniendo en cuenta la ecuación anterior:

Es decir, la velocidad en el estrechamiento aumenta de forma proporcional a lo que se reduce la sección.