Conceptos Básicos de Neumática e Hidráulica 


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PRESIÓN Y FUERZA

Los términos fuerza y presión se utilizan extensivamente en el estudio de la potencia fluida. Es esencial que distingamos la diferencia entre los términos. La fuerza significa un empuje o una tracción total. Es el empuje o la tracción ejercida contra la superficie total de una superficie particular y se expresa en libras o gramos. La presión significa la cantidad de empuje o de tracción (fuerza) aplicado a cada área de unidad de la superficie y se expresa en libras por la pulgada cuadrada (lb/in2) o gramos por el centímetro cuadrado (gm/cm2). La presión puede ser ejercida en una dirección, en varias direcciones, o en todas las direcciones.

Calculando fuerza, presión, y área

Una fórmula se utiliza para el cálculo de fuerza, la presión, y el área en los sistemas de potencia fluida. En esta fórmula, P refiere a la presión, F indica la fuerza, y A representa el área. La fuerza es igual a la cantidad de presión ejercida sobre un área. Así, se escribe la fórmula

La presión es igual a la fuerza dividida por el área. Cambiando la fórmula, esta declaración se puede resumir en :

Puesto que el área es igual a la fuerza dividida por la presión, se escribe la fórmula

Fig1 : Dispositivo para determinar las fórmulas de fuerza, presión, y área.

La fig. 1 arriba, ilustra un triángulo de memoria para recordar las diversas variaciones de esta fórmula. Cualquier letra en el triángulo se puede expresar como el producto o el cociente de los otros dos, dependiendo en su posición dentro del triángulo. Por ejemplo, para encontrar área, considere la letra A como calculada a sí misma, seguida por un signo de igualdad. Ahora mire las otras dos letras. La letra F está sobre la letra P; por lo tanto,

NOTA: El área no se puede expresar a veces en unidades cuadradas. Si la superficie es rectangular, usted puede determinar su área multiplicando su longitud (por ejemplo, en pulgadas) por su anchura (también en pulgadas). La mayoría de áreas que usted considerará en estos cálculos son circulares en forma.

El radio o el diámetro puede ser dado, pero usted debe saber el radio en pulgadas para encontrar el área. El radio es la mitad del diámetro. Para determinar el área, utilice la fórmula para encontrar el área de un círculo. Se escribe esto como A = πr2,   donde A es el área , π es 3.1416 (3.14 ó 3 1/7 para la mayoría de los cálculos), y r2 indica el radio al cuadrado.

Presión atmosférica

La atmósfera es toda la masa de aire que rodea la tierra. Mientras que la misma se extiende hacia arriba cerca de 500 millas, la sección de interés primario es la porción que se encuentra próxima a la superficie de tierra y que se extiende 7 ½ millas hacia arriba. Esta capa se llama la troposfera. Si una columna de aire de 1 pulgada cuadrada que se extienda hasta la parte superior de la atmósfera pudiera ser pesada, dicha columna pesaría aproximadamente 14.7 libras en el nivel del mar. Así, la presión atmosférica en el nivel del mar es aproximadamente 14.7 psi.

A medida que uno asciende, la presión atmosférica disminuye en aproximadamente 1.0 psi por cada 2.343 pies. Sin embargo, debajo del nivel del mar, en excavaciones y depresiones, la presión atmosférica aumenta. Las presiones debajo del agua se diferencian de aquellas debajo del aire solamente porque el peso del agua se debe agregar a la presión del aire.

La presión atmosférica se puede medir por varios métodos. El laboratorio común el método utiliza el barómetro de columna del mercurio. La altura de la columna del mercurio sirve como indicador de la presión atmosférica. En el nivel del mar y a una temperatura de 0° Celsius (C), la altura de la columna del mercurio es aproximadamente 30 pulgadas, o 76 centímetros. Esto representa una presión de aproximadamente 14.7 psi. La columna de 30 pulgadas se utiliza como estándar de referencia.

Otro dispositivo usado para medir la presión atmosférica es el barómetro aneroide. El barómetro aneroide utiliza el cambio de forma de una célula al vacío de metal, para medir variaciones en la presión atmosférica. El fino metal de la célula aneroide se mueve hacia adentro o hacia fuera con la variación de la presión sobre su superficie externa. Este movimiento se transmite a través de un sistema de palancas a un indicador, que indica la presión.

La presión atmosférica no varía uniformemente con la altitud. Cambia más rápidamente en altitudes más bajas debido a la compresibilidad del aire, que causa que las capas del aire cercanas a la superficie de la tierra se compriman por las masas de aire superiores. Este efecto, sin embargo, está parcialmente contrarrestado por la contracción de las capas superiores debido al enfriamiento. El enfriamiento tiende a aumentar la densidad del aire.

Las presiones atmosféricas son muy grandes, pero en la mayoría de los casos prácticamente la misma presión está presente en todos los lados de los objetos, de manera que ninguna superficie está sujeta a una gran carga.

Fig. : Transmisión de fuerza: (A) sólido; (B) líquido

La presión atmosférica que actúa en la superficie de un líquido ( A en la figura superior ) se transmite igualmente a través del líquido y de éste a las paredes del envase, pero es balanceada por la misma presión atmosférica que actúa en las paredes externas del envase. En la vista B del cuadro, la presión atmosférica que actúa en la superficie de un pistón es balanceada por la misma presión que actúa en la superficie del otro pistón. Las diferentes áreas de las dos superficies no se diferencian, puesto que por cada unidad de área, las presiones son balanceadas.

TRANSMISIÓN DE FUERZAS A TRAVÉS DE LÍQUIDOS

Fig.:Efectos de la presión atmosférica.

Cuando el extremo de una barra sólida se golpea, la fuerza del golpe se traslada directamente a través de la barra al otro extremo (fig. A arriba). Esto sucede porque la barra es rígida. La dirección del golpe determina casi enteramente la dirección de la fuerza transmitida. Cuanto más rígida la barra, menos fuerza se pierde dentro de la barra o se transmite perpendicularmente hacia fuera de la dirección del golpe.

Cuando una fuerza se aplica al extremo de una columna del líquido confinado (fig. B arriba), la misma es transmitida directamente al otro extremo, y a la vez igualmente, en cada dirección sin pérdidas a través de la columna – hacia adelante, atrás, y hacia los costados – de manera que el recipiente que contiene el fluido está literalmente lleno de presión.

Un ejemplo de esta distribución de fuerza se ilustra en la figura siguiente. La manguera plana adquiere una sección representativa circular cuando se llena de agua bajo presión. El empuje exterior del agua es igual en cada dirección.

Fig. : Distribución de fuerza.

La vasta diferencia en la manera en que la fuerza es transmitida a través de líquidos confinados, comparada con los cuerpos sólidos, es debida a las características de los fluidos, forma y compresibilidad. Los líquidos no tienen forma definida, los mismos se adaptan rápidamente a la forma del contenedor. Debido a estas características el cuerpo completo del fluido confinado tiende a moverse fuera del punto de la fuerza inicial en todas las direcciones hasta que sea parado con algo sólido como por ejemplo las paredes del contenedor. Los líquidos son relativamente incompresibles, o sea, los mismos pueden sólo ser comprimidos en aproximadamente 1% de su volumen. Debido a que los líquidos carecen de forma propia y son incompresibles, una fuerza aplicada transmitida a través del cuerpo de un líquido confinado en un contenedor rígido resulta en una compresión que no es mayor de la que se daría si se tratara de un metal sólido.

Movimiento del fluido bajo presión. La fuerza aplicada a un líquido confinado puede hacer que el líquido se mueva sólo cuando dicha fuerza exceda cualquier otra fuerza actuando sobre el líquido en una dirección opuesta. El desplazamiento del fluido es siempre en la dirección de la menor presión. Si las fuerzas son iguales, ningún movimiento tiene lugar.

El fluido bajo presión puede moverse dentro de contenedores ya llenos sólo si una cantidad igual o mayor se desplaza simultáneamente fuera de los mismos. Este es un principio obvio y simple, pero uno que es fácilmente sobrepasado.

Efectos de la temperatura sobre los líquidos. Como en los metales, los cambios de temperatura producen cambios en el tamaño del cuerpo de un líquido. Con la excepción del agua, en cualquier caso en que la temperatura de un cuerpo de líquido cae, una disminución (contracción) en el tamaño del cuerpo del fluido tiene lugar. La cantidad de contracción es ligera y tiene lugar en proporción directa con el cambio de temperatura.

Cuando la temperatura se eleva, el cuerpo de líquido se expande. Esto se conoce como “expansión térmica”. La cantidad de expansión está en directa proporción con la elevación de temperatura. A pesar de que el régimen de expansión es relativamente pequeño, el mismo es importante; alguna previsión es usualmente necesaria en un sistema hidráulico para acomodar el incremento del tamaño del cuerpo de líquido cuando una elevación de temperatura ocurre.

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