FUNDAMENTOS DE LOS SISTEMAS HIDRÁULICOS

  La palabra hidráulica proviene del vocablo griego “hydor”  cuyo significado es “agua”, originalmente la hidráulico limitó su estudio al comportamiento físico del agua ya sea en reposo o en movimiento, posteriormente la hidráulica evolucionó sus conceptos hasta cubrir el comportamiento de todo tipo de líquido en movimiento incluyendo su comportamiento en tanques y cañerías ocupándose además de analizar sus características y explorar formas de aprovechar las mismas. Actualmente el término “hidráulica” es empleado para referirse a la transmisión de energía así como al control de fuerzas y movimientos por medio de líquidos los cuales en la mayoría  de  casos  suelen ser aceites minerales sin descartar otros tipos de fluidos dentro de los cuales obviamente se encuentra incluida el agua, líquidos sintéticos, hidrocarburos o diferentes tipos de emulsiones.

  Actualmente el empleo de la hidráulica se ha generalizado en innumerables campos del desarrollo humano, empezando por simples aplicaciones domésticas, pasando por aplicaciones bélicas y llegando inclusive ha estar presentes en complejos mecanismos de aplicación aeroespacial. Hoy en día se utiliza la potencia hidráulica para hacer funcionar muchas y variados mecanismos y herramientas. En un garaje por ejemplo un mecánico puede levantar el extremo de un automóvil con un gato hidráulico, la mayoría de automóviles se equipan con direcciones hidráulicas, los trabajadores de la construcción dependen de la energía hidráulica para operar varios componentes de sus equipos como palas o niveladoras.

  Durante el período precedente a la II WW la Marina de guerra comenzó a aplicar la hidráulica en diversos mecanismos navales de manera masiva, desde entonces los usos militares han aumentado al punto de desarrollar una gran cantidad de dispositivos hidráulicos ingeniosos que han permitido dar solución a problemas de artillería, aeronáuticos y de navegación. En fin los sistemas hidráulicos se hallan plenamente difundidos debido al hecho de que al diseñarse y construirse adecuadamente eliminan la necesidad de usar sistemas complicados de engranes, levas o palancas, es por ello que siendo el presente trabajo un proyecto fundamentado en la aplicación de sistemas hidráulicos, surge la necesidad de explicar los principios básicos que regulan el uso de dichos sistemas, sus componentes y principales características, todos estos fundamentos son analizadas a continuación de manera individual.

  Existe una gran cantidad de leyes físicas que involucran conceptos referentes al comportamiento de los fluidos, muchas de éstas leyes se usan con propósitos científicos o de experimentación sin embargo en éste trabajo se limita el estudio exclusivamente hacia aquellos principios que tienen una aplicación práctica en el proyecto que está siendo desarrollado.

  Las leyes más elementales de la física referidas a la hidráulica fueron formuladas por Blas Pascal en el año 1653 y su enunciado dice:

  ◆“La presión actúa uniformemente en todas direcciones sobre un pequeño volumen de fluido”.

  ◆“En un fluido confinado entre fronteras sólidas, la presión actúa perpendicularmente a la frontera”.

  Figura 1 Principios de Pascal

  La figura 1 muestra entre otras, la sección transversal de un recipiente irregular cuyas paredes son rígidas, el fluido confinado en el ejerce la misma presión en todas direcciones, tal como lo señalan las flechas. Si las paredes fueran flexibles, la sección asumiría forma circular son entonces las leyes enunciadas por Pascal las responsables de que una manguera contraincendios asuma una forma cilíndrica al ser conectada con el suministro de agua, por tanto ésta característica propia de los fluidos hace que el concepto de presión sea tan útil en aplicaciones hidráulicas.

  Todos los materiales en estado gaseoso, líquido o sólido son compresibles en mayor o menor grado, la compresibilidad se refiere al cambio de volumen de una sustancia que está sujeta a un cambio en la presión que está siendo ejercida sobre ella. La cantidad usada normalmente para medir éste fenómeno es el módulo volumétrico de elasticidad o simplemente, módulo volumétrico E.

  Como se notó anteriormente toda sustancia es compresible en mayor o menor proporción sin embargo los líquidos son muy poco compresibles, lo cual implica que necesitaríamos cambios muy grandes de presión para producir pequeños cambios de volumen. Así pues, las magnitudes de E para los líquidos, como lo muestra la tabla 2, son muy altas. Por esta razón para las aplicaciones hidráulicas usuales el aceite hidráulico y los líquidos en general son considerados como incompresibles y es precisamente ésta consideración la que permite que los sistemas hidráulicos transmitan potencia de un punto a otro, como lo veremos más adelante.

Tabla 2  Valores del módulo volumétrico para algunos líquidos

  La figura 3 muestra el principio sobre el cual está basada la transmisión de potencia en los sistemas hidráulicos. Una fuerza mecánica, trabajo o potencia es aplicada en el pistón A. la presión interna desarrollada en el fluido ejerce una fuerza de empuje sobre el pistón B. De acuerdo a los enunciados de la ley de Pascal, la presión desarrollada en el fluido es igual en todos los puntos por lo que, la fuerza de empuje que experimenta el pistón B es igual a la fuerza ejercida en el fluido por acción del pistón A, siempre y cuando asumamos que los diámetros de ambos pistones sean iguales.

Figura 3  Transmisión de potencia al interior de un cilindro

  Ahora bien el mismo cilindro mostrado en la figura 2.16 puede dividirse en dos cilindros individuales manteniendo el mismo diámetro para cada uno y colocarlos a cierta distancia el uno del otro pero conectados entre si por medio de una tubería. El mismo principio de transmisión de potencia puede ser aplicado y la fuerza desarrollada en el pistón B va a seguir siendo igual a la ejercida por el pistón A (figura 4).

Figura 4  Transmisión de potencia entre dos cilindros distantes unidos por tubería

  Los sistemas hidráulicos son tan versátiles que permiten ubicar sus componentes aislados unos de otros y transmitir fuerzas de forma inmediata salvando distancias considerables y con escasas pérdidas, la figura 5 ilustra esta versatilidad.

Figura 5 Transmisión de potencia entre dos cilindros ubicados a cierta distancia y en diferente posición

  La presión de un fluido se define como: “la cantidad de fuerza, F, que se ejerce sobre un área unitaria, A, de una sustancia. Por tanto la presión de un fluido se calcula a partir de:

  Al realizar cálculos que implican la presión de un fluido determinado, es necesario realizar la medición empleando alguna presión de referencia. Comúnmente, la presión utilizada como referencia suele ser la atmosférica y la presión resultante que se mide es conocida como presión manométrica. Sin embargo la presión puede también medirse con relación al vacío perfecto en cuyo caso la presión medida es conocida como absoluta.

  Existe una ecuación muy sencilla que relaciona los sistemas de referencia antes mencionados para medir la presión:

  Existen varias unidades de medida para la presión como por ejemplo el Kg/cm², el Bar o mm de Hg, sin embargo En el sistema internacional (SI) la unidad estándar para medir la presión es el pascal [Pa] o N/m², mientras que el sistema Británico de unidades emplea para el mismo fin el PSI o lb/pie², cabe recalcar que este último se encuentra mayormente difundido por lo que es el más conveniente para ser usado.

  Para tener una idea más clara de todo lo expuesto anteriormente se emplearán a continuación varias figuras con las cuales se clarificarán los conceptos relacionados con la presión.

Figura 6  Fuerza ejercida sobre un área determinada

  La figura 6 muestra una fuerza de 2000 Kg aplicada en el extremo de un vástago, la cual se distribuye uniformemente sobre un pistón cuya área es de 200 cm² por lo que la presión transmitida sobre el fluido es de 10 Kg/cm², que es justamente la medida que marca un manómetro ubicado en el extremo opuesto del punto sobre el cual se aplica inicialmente la fuerza.

  Este principio se caracteriza por ser reversible, es decir que la presión interna de un fluido al actuar sobre el área de un pistón producirá una fuerza de empuje en el extremo del vástago (figura 7).

Figura 7  Presión ejercida por acción de una bomba y transmitida hacia un pistón