Sistemas Hidráulicos

Elevador Hidráulico.

El elevador hidráulico se basa en el principio de que el trabajo necesario para mover un objeto es el producto de la fuerza por la distancia que recorre el objeto.
El elevador hidráulico utiliza un líquido incompresible para transmitir la fuerza, y permite que una pequeña fuerza aplicada a lo largo de una gran distancia tenga el mismo efecto que una gran fuerza aplicada a lo largo de una distancia pequeña.
Esto hace que pueda emplearse una pequeña bomba de mano para levantar un automóvil.

Hidráulica.

Aplicación de la mecánica de fluidos en ingeniería, para construir dispositivos que funcionan con líquidos, por lo general agua o aceite.
La hidráulica resuelve problemas como el flujo de fluidos por conductos o canales abiertos y el diseño de presas de embalse, bombas y turbinas.
En otros dispositivos como boquillas, válvulas, surtidores y medidores se encarga del control y utilización de líquidos.
Las dos aplicaciones más importantes de la hidráulica se centran en el diseño de activadores y prensas.
Su fundamento es el principio de Pascal, que establece que la presión aplicada en un punto de un fluido se transmite con la misma intensidad a cada punto del mismo.
Como la fuerza es igual a la presión multiplicada por la superficie, la fuerza se amplifica mucho si se aplica a un fluido encerrado entre dos pistones de área diferente. Si, por ejemplo, un pistón tiene un área de 1 y el otro de 10, al aplicar una fuerza de 1 al pistón pequeño se ejerce una presión de 1, que tendrá como resultado una fuerza de 10 en el pistón grande.
Este fenómeno mecánico se aprovecha en activadores hidráulicos como los utilizados en los frenos de un automóvil, donde una fuerza relativamente pequeña aplicada al pedal se multiplica para transmitir una fuerza grande a la zapata del freno.
Los alerones de control de los aviones también se activan con sistemas hidráulicos similares.
Los gatos y elevadores hidráulicos se utilizan para levantar vehículos en los talleres y para elevar cargas pesadas en la industria de la construcción.
La prensa hidráulica, inventada por el ingeniero británico Joseph Bramah en 1796, se utiliza para dar forma, extrusar y marcar metales y para probar materiales sometidos a grandes presiones.

Mecánica de Fluidos.

Parte de la Física que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica (Aviones), la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales (Barcos y construcción naval) y la oceanografía.
La mecánica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales: la estática de fluidos, o hidrostática, que se ocupa de fluidos en reposo, y la dinámica de fluidos, que trata de fluidos en movimiento.
El término de hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incompresible. La aerodinámica, o dinámica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de compresibilidad.
Entre las aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas (Aire comprimido).
La hidráulica estudia la utilización en ingeniería de la presión del agua o del aceite.

Mecánica de fluidos: aplicaciones.
Las leyes de la mecánica de fluidos pueden observarse en muchas situaciones cotidianas. Por ejemplo, la presión ejercida por el agua en el fondo de un estanque es igual que la ejercida por el agua en el fondo de un tubo estrecho, siempre que la profundidad sea la misma. Si se inclina un tubo más largo lleno de agua de forma que su altura máxima sea de 15 m, la presión será la misma que en los otros casos (izquierda).
En un sifón (derecha), la fuerza hidrostática hace que el agua fluya hacia arriba por encima del borde hasta que se vacíe el cubo o se interrumpa la succión.

Principio de Arquímedes.
Al sumergirse parcial o totalmente en un fluido, un objeto es sometido a una fuerza hacia arriba, o empuje.
El empuje es igual al peso del fluido desplazado. Esta ley se denomina principio de Arquímedes, por el científico griego que la descubrió en el siglo III antes de nuestra era. Aquí se ilustra el principio en el caso de un bloque de aluminio y uno de madera. (1) El peso aparente de un bloque de aluminio sumergido en agua se ve reducido en una cantidad igual al peso del agua desplazada.
(2) Si un bloque de madera está completamente sumergido en agua, el empuje es mayor que el peso de la madera (esto se debe a que la madera es menos densa que el agua, por lo que el peso de la madera es menor que el peso del mismo volumen de agua).
Por tanto, el bloque asciende y emerge del agua parcialmente -desplazando así menos agua- hasta que el empuje iguala exactamente el peso del bloque.

Movimiento laminar y turbulento.
A bajas velocidades, los fluidos fluyen con un movimiento suave llamado laminar, que puede describirse mediante las ecuaciones de Navier-Stokes, deducidas a mediados del siglo XIX. A velocidades altas, el movimiento de los fluidos se complica y se hace turbulento.
En los fluidos que fluyen por tubos, la transición del movimiento laminar al turbulento depende del diámetro del tubo y de la velocidad, densidad y viscosidad del fluido.
Cuanto mayores son el diámetro, la velocidad y la densidad, y cuanto menor es la viscosidad, más probable es que el flujo sea turbulento.

Ingeniería.

Término aplicado a la profesión en la que el conocimiento de las matemáticas y la física, alcanzado con estudio, experiencia y práctica, se aplica a la utilización eficaz de los materiales y las fuerzas de la naturaleza.
El término ingeniero alude a la persona que ha recibido preparación profesional en ciencias puras y aplicadas; sin embargo, otras personas como técnicos, inspectores o proyectistas también aplican técnicas científicas y de ingeniería para solventar problemas técnicos.
Antes de mediados del siglo XVIII los trabajos de construcción a gran escala se ponían en manos de los ingenieros militares.
La ingeniería militar englobaba tareas tales como la preparación de mapas topográficos, la ubicación, diseño y construcción de carreteras y puentes, y la construcción de fuertes y muelles.
Sin embargo, en el siglo XVIII se empezó a utilizar el término ingeniería civil o de caminos para designar a los trabajos de ingeniería efectuados con propósitos no militares.
Debido al aumento de la utilización de maquinaria en el siglo XIX como consecuencia de la Revolución Industrial, la ingeniería mecánica se consolidó como rama independiente de la ingeniería; posteriormente ocurrió lo mismo con la ingeniería de minas.
Los avances técnicos del siglo XIX ampliaron en gran medida el campo de la ingeniería e introdujeron un gran número de especializaciones.
Las incesantes demandas del entorno socioeconómico del siglo XX han incrementado aún más su campo de acción; y se ha producido una gran diferenciación de disciplinas, con distinción de múltiples ramas en ámbitos tales como la aeronáutica, la química, la construcción naval, de caminos, canales y puertos, las telecomunicaciones, la electrónica, la ingeniería industrial, naval, militar, de minas y geología e informática.
Además en los últimos tiempos se han incorporado campos del conocimiento que antes eran ajenos a la ingeniería como la investigación genética y nuclear.
El ingeniero que desarrolla su actividad en una de las ramas o especialización de la ingeniería ha de tener conocimientos básicos de otras áreas afines, ya que muchos problemas que se presentan en ingeniería son complejos y están interrelacionados.
Por ejemplo, un ingeniero químico que tiene que diseñar una planta para el refinamiento electrolítico de minerales metálicos debe enfrentarse al diseño de estructuras, maquinaria, dispositivos eléctricos, además de los problemas estrictamente químicos.

Lápiz óptico.
Los ingenieros electrónicos han desarrollado un dispositivo óptico de entrada parecido a un lápiz.
Este diseñador esta modificando un dibujo técnico en la pantalla de un ordenador o computadora introduciendo información gráfica con el lápiz óptico..

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Prueba de un motor de cohete.
Los ingenieros aeroespaciales diseñan, prueban y analizan toda clase de vehículos espaciales.
Debido a que un pequeño fallo puede resultar fatal en el espacio, se realizan pruebas exhaustivas para maximizar la seguridad. Aquí vemos a dos ingenieros probando el sistema de combustible de un cohete experimental..

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Diseño asistido por ordenador.
Estos ingenieros examinan el larguero de un ala de un avión de caza, mientras en la pantalla se ve su imagen diseñada por computadora.
El ensayo y diseño asistido por ordenador o computadora se utiliza cada vez más en los proyectos de gran envergadura, ya que permite un gran ahorro de tiempo y dinero.

Presión.

En mecánica, 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.
Manómetros.
La mayoría de los medidores de presión, o manómetros, miden la diferencia entre la presión de un fluido y la presión atmosférica local.
Para pequeñas diferencias de presión se emplea un manómetro 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 atmósfera.
El tubo contiene un líquido, como agua, aceite o mercurio, y la diferencia entre los niveles del líquido en ambas ramas indica la diferencia entre la presión del recipiente y la presión atmosférica local. Para diferencias de presión mayores se utiliza el manómetro de Bourdon, llamado así en honor al inventor francés Eugène Bourdon.
Este manómetro está formado por un tubo hueco de sección ovalada curvado en forma de gancho.
Los manómetros empleados para registrar fluctuaciones rápidas de presión suelen utilizar sensores piezoeléctricos o electrostáticos que proporcionan una respuesta instantánea.
Como la mayoría de los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local, hay que sumar ésta última al valor indicado por el manómetro para hallar la presión absoluta. Una lectura negativa del manómetro corresponde a un vacío parcial.
Las presiones bajas en un gas (hasta unos 10-6 mm de mercurio de presión absoluta) pueden medirse con el llamado dispositivo de McLeod, que toma un volumen conocido del gas cuya presión se desea medir, lo comprime a temperatura constante hasta un volumen mucho menor y mide su presión directamente con un manómetro.
La presión desconocida puede calcularse a partir de la ley de Boyle-Mariotte (Gas).
Para presiones aún más bajas se emplean distintos métodos basados en la radiación, la ionización o los efectos moleculares.

Rango de Presiones.


Las presiones pueden variar entre 10-8 y 10-2 mm de mercurio de presión absoluta en aplicaciones de alto vacío, hasta miles de atmósferas en prensas y controles hidráulicos. Con fines experimentales se han obtenido presiones del orden de millones de atmósferas, y la fabricación de diamantes artificiales exige presiones de unas 70.000 atmósferas, además de temperaturas próximas a los 3.000 °C.
En la atmósfera, el peso cada vez menor de la columna de aire a medida que aumenta la altitud hace que disminuya la presión atmosférica local. Así, la presión baja desde su valor de 101.325 Pa al nivel del mar hasta unos 2.350 Pa a 10.700 m (35.000 pies, una altitud de vuelo típica de un reactor).
Por 'presión parcial' se entiende la presión efectiva que ejerce un componente gaseoso determinado en una mezcla de gases.
La presión atmosférica total es la suma de las presiones parciales de sus componentes (oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y gases nobles).

Fuerza.

En física, 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. Por ejemplo, al empujar un triciclo parado se aplica una fuerza que hace que éste se acelere.
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.
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.
Por ejemplo, si una persona lo empuja con una fuerza de magnitud igual a la fuerza de rozamiento que se opone al movimiento del triciclo, las fuerzas se compensarán, produciendo una fuerza total nula.
Eso hace que se mueva con velocidad constante.
Si la persona deja de empujar, la única fuerza que actúa sobre el triciclo es la fuerza de rozamiento. Como la fuerza total ya no es nula, el triciclo experimenta una aceleración, y su velocidad disminuye hasta hacerse cero. (Una aceleración negativa como ésta, en la que se reduce la velocidad, se conoce como deceleración).
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.
Las fuerzas que actúan entre las moléculas y los átomos también se conocen como interacciones.

Freno.

dispositivo mecánico que se aplica a la superficie de un eje, una rueda o un disco giratorio, de manera que reduce el movimiento mediante fricción.El freno está revestido con un material resistente al calor que no se desgasta con facilidad ni se alisa ni se vuelve resbaladizo.
Una zapata de freno es un bloque de madera o metal que presiona contra la llanta de una rueda mediante un sistema de palancas. Un freno de banda es una banda flexible enrollada alrededor del perímetro de la rueda y que puede tensarse para apretarse contra ella.
Se usa en las máquinas de vapor, en los vehículos a motor y en algunos tipos de bicicletas.
La zapata de freno de expansión interna se emplea en muchos automóviles.
Este sistema, también denominado freno de tambor, usa un par de zapatas abatibles que presionan contra el interior de un tambor mediante una palanca mecánica o un cilindro hidráulico.
Un freno de tambor requiere mucha fuerza para presionar las zapatas, sobre todo en un vehículo pesado que se mueve a gran velocidad.
Esta fuerza se puede generar con el freno de mano de un automóvil, pero lo más frecuente es que la fuerza humana se potencie con un cilindro y un pistón accionado por aire (freno de aire) o por un pistón accionado por el vacío (freno de vacío). En el freno de aire, inventado por George Westinghouse en 1869, la presión del aire mantiene apartados la zapata y el tambor mientras el vehículo está en movimiento. Los frenos actúan cuando disminuye la presión.
Este método elimina el peligro de un fallo de los frenos a causa de una pérdida de aire.
Si el sistema de aire comprimido tiene una fuga los frenos entran en funcionamiento de forma automática.
Todos los trenes y algunos vehículos pesados, en especial los camiones articulados, usan frenos de aire.
Los primeros automóviles estaban equipados con frenos no hidráulicos, situados sólo en las ruedas traseras. Los frenos en las cuatro ruedas se adoptaron de forma general en la década de 1920 para conseguir una mayor seguridad.
Los sistemas de frenos mecánicos tenían la desventaja de que el uso poco firme de una de las palancas de freno podía causar un viraje brusco del vehículo, a causa de la presión de frenado desigual.
Los frenos hidráulicos en las cuatro ruedas utilizados hoy en la mayoría de los automóviles y camiones se alinean de forma automática. Cuando el conductor pisa el pedal del freno, el fluido hidráulico se envía con la misma presión desde el cilindro principal a todas las zapatas de freno, aplicándose la misma fuerza de frenado en todas las ruedas.
Los frenos de disco han ido reemplazando a los frenos de tambor en los automóviles modernos. Estos frenos, que consisten en un par de pastillas montadas en un dispositivo que acciona hidráulicamente, aprietan las caras del disco de freno sujeto a la rueda.
Los frenos de disco aplican la potencia de frenado de forma constante y más controlada que los frenos de tambor y son también más resistentes a la reducción de frenado, pérdida de potencia de parada tras una frenada fuerte.
Muchos automóviles tienen sistemas de frenado antibloqueo (ABS, siglas en inglés) para impedir que la fuerza de fricción de los frenos bloqueen las ruedas, provocando que el automóvil derrape.
En un sistema de frenado antibloqueo un sensor controla la rotación de las ruedas del coche cuando los frenos entran en funcionamiento. Si una rueda está a punto de bloquearse los sensores detectan que la velocidad de rotación está bajando de forma brusca, y disminuyen la presión del freno un instante para impedir que se bloquee. Comparándolo con los sistemas de frenado tradicionales, los sistemas de frenado antibloqueo consiguen que el conductor controle con más eficacia el automóvil en estas situaciones, sobre todo si la carretera está mojada o cubierta por la nieve.

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