HIDRAULICA

1 HIDRAULICA . La F sica que se ocupa de la acci n de los fluidos en reposo o en movimiento, as . como de las aplicaciones y mecanismos de ingenier a que utilizan fluidos. La mec nica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeron utica, la ingenier a qu mica, civil e industrial, la meteorolog a, las construcciones navales y la oceanograf a. La mec nica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales: la est tica de fluidos, o hidrost tica, que se ocupa de fluidos en reposo, y la din mica de fluidos, que trata de fluidos en movimiento. El t rmino de hidrodin mica se aplica al flujo de l quidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incompresible. La aerodin mica, o din mica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presi n son suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de compresibilidad. Entre las aplicaciones de la mec nica de fluidos est n la propulsi n a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas.

2 La hidr ulica por su parte estudia la utilizaci n en ingenier a de la presi n del agua o del aceite y es uno de los conceptos mas ampliamente usados en la industria; en las proximas paginas se aborda los principios fundamentales de este concepto y se introduce brevemente el uso a nivel industrial del mismo. HIDR ULICA. Es la aplicaci n de la mec nica de fluidos en ingenier a, para construir dispositivos que funcionan con l quidos, por lo general agua o aceite. La hidr ulica resuelve problemas como el flujo de fluidos por conductos o canales abiertos y el dise o de presas de embalse, bombas y turbinas. En otros dispositivos como boquillas, v lvulas, surtidores y medidores se encarga del control y utilizaci n de l quidos. Las dos aplicaciones m s importantes de la hidr ulica se centran en el dise o de activadores y prensas. Su fundamento es el principio de Pascal, que establece que la presi n aplicada en un punto de un fluido se transmite con la misma intensidad a cada punto del mismo.

3 Como la fuerza es igual a la presi n multiplicada por la superficie, la fuerza se amplifica mucho si se aplica a un fluido encerrado entre dos pistones de rea diferente. Si, por ejemplo, un pist n tiene un rea de 1 y el otro de 10, al aplicar una fuerza de 1 al pist n peque o se ejerce una presi n de 1, que tendr como resultado una fuerza de 10 en el pist n grande. Este fen meno mec nico se aprovecha en activadores hidr ulicos como los utilizados en los frenos de un autom vil, donde una fuerza relativamente peque a aplicada al pedal se multiplica para transmitir una fuerza grande a la zapata del freno. Los alerones de control de los aviones tambi n se activan con sistemas hidr ulicos similares. Los gatos y elevadores hidr ulicos se utilizan para levantar veh culos en los talleres y para elevar cargas pesadas en la industria de la construcci n. La prensa hidr ulica, inventada por el ingeniero brit nico Joseph Bramah en 1796, se utiliza para dar forma, extrusar y marcar metales y para probar materiales sometidos a grandes presiones.

4 CONCEPTOS INHERENTES. Fluido: sustancia capaz de fluir, el t rmino comprende l quidos y gases. Volumen (V): En matem ticas, medida del espacio ocupado por un cuerpo s lido. El volumen se mide en unidades c bicas, como metros c bicos o cent metros c bicos en el sistema m trico decimal de pesos y medidas. El volumen tambi n se expresa a veces en unidades de medida de l quidos, como litros: 1 ls = 1 dm3. Densidad ( ): relaci n entre la masa (m) y el volumen que ocupa. = m/V [kg/m3; g/cm3]. Peso espec fico ( ): relaci n entre el peso (P) y el volumen que ocupa. = P/V [N/m3; kgr/m3; gr/cm3]. Presi n: La presi n (p) en cualquier punto es la raz n de la fuerza normal, ejercida sobre una peque a superficie, que incluya dicho punto. p = F/A [N/m2; kgr/cm2]. En la mec nica de los fluidos, fuerza por unidad de superficie que ejerce un l quido o un gas perpendicularmente a dicha superficie. La presi n suele medirse en atm sferas (atm); en el Sistema Internacional de unidades (SI), la presi n se expresa en newton por metro cuadrado (N/m2): 1 N/m2 = 1 Pa (pascal).

5 La atm sfera se define como Pa, y equivale a 760 mm de mercurio en un bar metro convencional. Est tica de fluidos o hidrost tica: Una caracter stica fundamental de cualquier fluido en reposo es que la fuerza ejercida sobre cualquier part cula del fluido es la misma en todas direcciones. Si las fuerzas fueran desiguales, la part cula se desplazar a en la direcci n de la fuerza resultante. De ello se deduce que la fuerza por unidad de superficie (Presi n) que el fluido ejerce contra las paredes del recipiente que lo contiene, sea cual sea su forma, es perpendicular a la pared en cada punto. Si la presi n no fuera perpendicular, la fuerza tendr a una componente tangencial no equilibrada y el fluido se mover a a lo largo de la pared. Este concepto se conoce como principio de Pascal. Principio de Pascal: La presi n aplicada a un fluido contenido en un recipiente se transmite ntegramente a toda porci n de dicho fluido y a las paredes del recipiente que lo contiene, siempre que se puedan despreciar las diferencias de presi n debidas al peso del fluido.

6 Este principio tiene aplicaciones muy importantes en hidr ulica. La superficie de los l quidos: La superficie superior de un l quido en reposo situado en un recipiente abierto siempre ser perpendicular a la fuerza total que act a sobre ella. Si la gravedad es la nica fuerza, la superficie ser horizontal. Si act an otras fuerzas adem s de la gravedad, la superficie "libre" se ajusta a ellas. Por ejemplo, si se hace girar r pidamente un vaso de agua en torno a su eje vertical, habr una fuerza centr fuga sobre el agua adem s de la fuerza de la gravedad, y la superficie formar una par bola que ser perpendicular en cada punto a la fuerza resultante. Cuando la gravedad es la nica fuerza que act a sobre un l quido contenido en un recipiente abierto, la presi n en cualquier punto del l quido es directamente proporcional al peso de la columna vertical de dicho l quido situada sobre ese punto. El peso es a su vez proporcional a la profundidad del punto con respecto a la superficie, y es independiente del tama o o forma del recipiente.

7 La presi n var a con la altura. p = pa + pa: presi n atmosf rica. h = y2 y1. p = pa + (y2 y1). As , la presi n en el fondo de una tuber a vertical llena de agua de 1 cm de di metro y 15 m de altura es la misma que en el fondo de un lago de 15 m de profundidad. Veamos otro ejemplo: la masa de una columna de agua de 30 cm de altura y una secci n transversal de 6,5 cm2 es de 195 g, y la fuerza ejercida en el fondo ser el peso correspondiente a esa masa. Una columna de la misma altura pero con un di metro 12. veces superior tendr un volumen 144 veces mayor, y pesar 144 veces m s, pero la presi n, que es la fuerza por unidad de superficie, seguir siendo la misma, puesto que la superficie tambi n ser 144 veces mayor. La presi n en el fondo de una columna de mercurio de la misma altura ser 13,6 veces superior, ya que el mercurio tiene una densidad 13,6 veces superior a la del agua. Principio de Arqu medes: El segundo principio importante de la est tica de fluidos fue descubierto Arqu medes.

8 Cuando un cuerpo est total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, el fluido ejerce una presi n sobre todas las partes de la superficie del cuerpo que est n en contacto con el fluido. La presi n es mayor sobre las partes sumergidas a mayor profundidad. La resultante de todas las fuerzas es una dirigida hacia arriba y llamada el empuje sobre el cuerpo sumergido. Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido es empujado hacia arriba con una fuerza que es igual al peso del fluido desplazado por dicho cuerpo. Empuje y fuerza ascencional: E = Fa = E: Empuje (N). Fa: Fuerza ascencional (N). Esto explica por qu flota un barco muy cargado; su peso total es exactamente igual al peso del agua que desplaza, y ese agua desplazada ejerce la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote. El punto sobre el que puede considerarse que act an todas las fuerzas que producen el efecto de flotaci n se llama centro de flotaci n, y corresponde al centro de gravedad del fluido desplazado.

9 El centro de flotaci n de un cuerpo que flota est situado exactamente encima de su centro de gravedad. Cuanto mayor sea la distancia entre ambos, mayor es la estabilidad del cuerpo. Densidad: La densidad puede obtenerse de varias formas. Por ejemplo, para objetos macizos de densidad mayor que el agua, se determina primero su masa en una balanza, y despu s su volumen; ste se puede calcular a trav s del c lculo si el objeto tiene forma geom trica, o sumergi ndolo en un recipiente calibrando, con agua, y viendo la diferencia de altura que alcanza el l quido. La densidad es el resultado de dividir la masa por el volumen. Para medir la densidad de l quidos se utiliza el dens metro, que proporciona una lectura directa de la densidad. El principio de Arqu medes permite determinar la densidad de un objeto cuya forma es tan irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en aire y luego en agua, la diferencia de peso ser igual al peso del volumen de agua desplazado, y este volumen es igual al volumen del objeto, si ste est totalmente sumergido.

10 As puede determinarse f cilmente la densidad del objeto. Si se requiere una precisi n muy elevada, tambi n hay que tener en cuenta el peso del aire desplazado para obtener el volumen y la densidad correctos. Densidad relativa (d R): es la relaci n entre la densidad de un cuerpo y la densidad del agua a 4 C, que se toma como unidad. Como un cent metro c bico de agua a 4 C tiene una masa de 1 g, la densidad relativa de la sustancia equivale num ricamente a su densidad expresada en gramos por cent metro c bico. La densidad relativa no tiene unidades. dR = d/d agua Man metros: La mayor a de los medidores de presi n, o man metros, miden la diferencia entre la presi n de un fluido y la presi n atmosf rica local. Para peque as diferencias de presi n se emplea un man metro que consiste en un tubo en forma de U con un extremo conectado al recipiente que contiene el fluido y el otro extremo abierto a la atm sfera. El tubo contiene un l quido, como agua, aceite o mercurio, y la diferencia entre los niveles del l quido en ambas ramas indica la diferencia entre la presi n del recipiente y la presi n atmosf rica local.