Tecnologia 4 - Unitat de mostra (ESO)

ELS TEUS RECURSOS DIGITALS A:

TECNOLOGIA 4

www.ecasals.net/alumnes/tecnologia4eso

TECNOLOGIA 4

Xavier Àgueda, Ramon Alujas, Jordi Mazón, Montse Prats

Tecnologies 4 CAT cs5.5.indd 1

21/03/12 16:39

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:41 Página 98

5

Pneumàtica i hidràulica

1. Introducció a la pneumàtica 2. Introducció a la hidràulica 3. Les característiques dels fluids 4. Els circuits pneumàtic i hidràulic 5. El grup compressor del circuit pneumàtic

ComPetènCies bàsiques Comunicativa, lingüística i audiovisual Valoració de la importància del dibuix tècnic en la transmissió de dades i idees.

Interpretació de la simbologia normalitzada als circuits pneumàtics i hidràulics.

Utilització de la representació gràfica per a la descripció tècnica de circuits pneumàtics i hidràulics.

Interpretació correcta dels textos descriptius i instructius.

6. Els elements de regulació i control dels circuits pneumàtic i hidràulic

Artística i cultural Valoració del dibuix com a llenguatge comunicatiu pel que fa a les representacions gràfiques dels circuits pneumàtics i hidràulics.

7. Els actuadors dels circuits pneumàtic i hidràulic

Coneixement i interacció amb el món físic Utilització dels materials i eines de representació gràfica i les eines del taller i de casa.

8. Aplicacions dels circuits pneumàtic i hidràulic

Matemàtica Càlcul de magnituds relacionades amb la mecànica de fluids.

Autonomia i iniciativa personal Valoració crítica dels avantatges de l’ús de maquinària amb circuits pneumàtics i hidràulics.

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:41 Página 99

5. Pneumàtica i hidràulica

Heró d’Alexandria va desenvolupar un seguit de ginys pneumàtics i hidràulics dissenyats per entretenir els comensals d’un simposi o impressionar els fidels en una cerimònia religiosa.

A la imatge es pot observar el sistema d’obertura i tancament de portes d’un temple un cop s’encenia foc a l’altar.

Qui era i en quina època va viure Heró d’Alexandria?

Podries explicar el funcionament d’aquest enginyós sistema?

La utilitat de l’aire comprimit és ben coneguda des de l’antiguitat, però no va ser fins a l’any 1950 quan es va començar a utilitzar en el control de processos industrials.

Actualment existeixen nombroses aplicacions que fan ús de l’aire comprimit com a font d’energia, com per exemple l’excavadora pneumàtica de la imatge.

Quin element pneumàtic s’observa en la imatge?

Proposa altres exemples on s’utilitzi l’aire comprimit com a font d’energia.

Joseph Bramah va construir la primera premsa hidràulica l’any 1770. Consistia en dos cilindres de diferent secció que es comunicaven per mitjà d’una canonada. El seu interior estava completament ple d’un líquid que podia ser aigua o oli.

La premsa hidràulica és una aplicació directa d’un conegut principi. Quin és aquest principi? Fes-ne una breu explicació.

Aquest fragment del documental de Diamond Diggers se centra en la mina d’Ekati, al Canadà, situada 200 km al sud del cercle polar àrtic, on s’utilitzen supermàquines per treballar a la tundra.

Aquestes enormes màquines manipulen més de cinc milions de quirats de diamants l’any.

Quins tres tipus de màquines cooperen entre si per extreure les riqueses del subsòl a la mina de diamants d’Ekati?

Quin sistema incorpora la pala en una de les supermàquines?

99

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:41 Página 100

5. Pneumàtica i hidràulica

1. introducció a la pneumàtica L’aire comprimit és una forma d’energia que l’ésser humà va descobrir a l’antiguitat. El grec Ctesibi d’Alexandria, que va viure al segle III aC, va escriure el primer tractat sobre aire comprimit i per aquest motiu se’l considera el pare de la pneumàtica. El seu deixeble, Heró d’Alexandria, va redactar un treball relacionat amb les aplicacions de l’aire comprimit i del buit, que no van poder ser desenvolupades per la falta de recursos.

L’any 1857 l’enginyer francès Germain Sommeiller va inventar una perforadora d’aire comprimit que aconseguia una velocitat d’avançament de 2 m diaris davant dels 60 cm que s’obtenien amb els mitjans tradicionals.

El progrés de les aplicacions pneumàtiques va patir una aturada durant un llarg període de temps. Els descobriments de científics com Galileu Galilei, Robert Boyle i d’altres contemporanis seus als segles xVI i xVII van fer possible que es reprengués el progrés de la pneumàtica.

Al segle xIx es va començar a fer ús de l’aire comprimit en les obres públiques amb la presència d’eines com el martell pneumàtic o màquines com la primera perforadora d’aire comprimit que es va utilitzar per a la construcció del túnel de Mont Cenis l’any 1857.

Per tant, s’observa que les característiques bàsiques de la pneumàtica formen part dels coneixements tecnològics més antics del món occidental. No obstant això, no és fins aproximadament l’any 1950 quan la pneumàtica s’aplica a la indústria per tal d’automatitzar els processos de producció.

S’entén com a pneumàtica el conjunt de tècniques basades en la utilització de l’aire comprimit com a fluid transmissor d’energia per a l’accionament de màquines i mecanismes.

Alguns dels avantatges i inconvenients de la utilització de l’aire comprimit en les aplicacions industrials són els següents:

Avantatges • L’aire comprimit s’obté fàcilment a partir de l’aire atmosfèric. L’aire atmosfèric és de fàcil captació i es troba en abundància.

• L’aire comprimit s’emmagatzema amb facilitat en dipòsits. L’aire emmagatzemat es pot utilitzar quan sigui necessari.

• L’aire comprimit és un fluid net i els sistemes que en fan ús el mantenen net.

• Els sistemes pneumàtics estan indicats per treballar en ambients humits.

• Els sistemes pneumàtics no emeten espurnes, per tant no comporten perill d’incendi o deflagració i estan indicats per treballar en ambients en què l’ús de l’electricitat representa un perill.

100

Inconvenients • L’aire comprimit necessita un pretractament que comporta la neteja d’impureses, l’eliminació d’humitat, etc. per evitar la corrosió en els equips i d’aquesta manera poder realitzar la tasca proposada.

• A causa de les propietats físiques de l’aire comprimit, no és possible obtenir baixes velocitats.

• La descàrrega de l’aire comprimit a l’atmosfera produeix un alt nivell de soroll.

• Es requereixen instal·lacions especials per tal de recuperar l’aire prèviament utilitzat.

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:41 Página 101

5. Pneumàtica i hidràulica

La pneumàtica es troba present en diferents aplicacions del nostre entorn, com per exemple: Aplicacions mòbils. L’aire comprimit proporciona l’energia necessària per poder transportar, aixecar, excavar, perforar, manipular materials, impulsar, etc. Amb aquestes aplicacions, l’aire comprimit és present en els sistemes d’obertura i tancament de portes, en les atraccions de parcs temàtics, etc. A més, es poden trobar aplicacions pneumàtiques en els següents vehicles: tractors, grues, camions d’escombraries, vehicles per a la construcció i manteniment de carreteres, etc.

Sistema d’obertura i tancament de portes i plataforma.

Atracció de fira.

Grua mòbil.

Aplicacions industrials. L’aire comprimit s’utilitza per controlar, impulsar, posicionar, manipular i mecanitzar elements o materials en els processos de fabricació automatitzats. Amb aquestes aplicacions, l’aire comprimit és present en la maquinària per a les indústries plàstica, alimentària, paperera, farmacèutica, etc.; en l’equipament per a la robòtica i manipulació automatitzades, etc.

Planta d’embotellament.

Planta d’envasat al buit.

Cadena de muntatge d’automòbils.

Altres aplicacions. Es poden trobar sistemes que utilitzen l’aire comprimit en eines com el martell i el trepant pneumàtics, les grapadores, pistoles, etc.

activitats 1 Què significa i d’on prové el prefix pneuma?

nn

2 Quin fluid transmissor d’energia utilitza la pneun màtica?

3 Per què creus que s’utilitzen sistemes pneumàtics n en les indústries alimentària i farmacèutica?

101

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:41 Página 102

5. Pneumàtica i hidràulica

2. introducció a la hidràulica Des de ben antic, l’home ha aprofitat l’aigua per regar o transportar materials, però una de les primeres societats de què es té constància que va intentar controlar l’energia del flux d’aigua va ser la grega cap al segle III aC. El matemàtic i físic Arquímedes va ser qui va contribuir més en els fonaments de la hidràulica, ja que va descobrir el primer principi de la hidrostàtica, la flotabilitat. L’any 30 aC l’Imperi romà va conquerir Grècia i va aprofitar els seus coneixements per millorar invents grecs com ara la roda hidràulica i els aqüeductes.

Després d’una llarga aturada en el desenvolupament de les aplicacions hidràuliques, a l’edat mitjana es van millorar les prestacions dels molins d’aigua.

Els rellotges d’aigua de l’antiguitat, les clepsidres, eren recipients de terrissa que es buidaven per un petit orifici en un temps calculat.

Al segle III aC, Ctesibi d’Alexandria va idear la primera clepsidra hidràulica, que es reprodueix en aquesta il·lustració.

La hidrostàtica és la part de la física que estudia els fluids en repòs.

A la indústria, el fluid que s’utilitza generalment com a transmissor d’energia és l’oli mineral, per la qual cosa aquesta tècnica s’anomena oleohidràulica.

Als voltants del segle xVII, el matemàtic francès Blaise Pascal va redactar un Tractat sobre l’equilibri dels líquids. Per primera vegada a la història de la ciència es feia una descripció completa de la hidrostàtica. L’anglès Joseph Bramah va posar en funcionament el principi de Pascal l’any 1770 amb la invenció de la primera premsa hidràulica.

Fins a mitjan segle xIx l’energia hidràulica s’obtenia a través de l’aprofitament de l’energia de l’aigua en moviment. Però això va canviar amb el descobriment del petroli l’any 1859. L’ús de l’oli mineral com a fluid hidràulic va convertir la premsa hidràulica en una eina essencial en les fàbriques, especialment en la indústria de l’automòbil amb els invents dels frens i la suspensió hidràulics. A partir de la segona meitat del segle xx, la hidràulica s’introdueix en els processos d’automatització de la indústria.

S’entén com a hidràulica el conjunt de tècniques basades en la utilització de líquids sota l’efecte de la pressió per a l’accionament de màquines i mecanismes.

Alguns dels avantatges i inconvenients de la utilització dels sistemes hidràulics són els següents:

Avantatges

Inconvenients

• La força i la velocitat es poden regular de forma precisa.

• Existeix el risc de produir-se una fuga del fluid a alta pressió.

• El fluid utilitzat en el sistema (oli, per exemple) es pot recuperar fàcilment.

• Es necessita personal qualificat per realitzar el manteniment del sistema.

• El fluid s’adapta a les canonades i transmet la força com si fos una barra d’acer.

• En el cas de l’oleohidràulica s’utilitza un fluid contaminant i car (oli mineral).

• L’oli, a més d’actuar com a fluid transmissor d’energia, actua com a autolubrificant i això allarga la vida útil dels elements.

• Presenten un cost i una complexitat elevades ja que necessiten canonades de retorn i alguns dels elements són cars.

• Es poden transmetre grans forces utilitzant petits dispositius.

102

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:41 Página 103

5. Pneumàtica i hidràulica

La hidràulica, de la mateixa manera que la pneumàtica, es troba present en moltes aplicacions del nostre entorn, com per exemple: Aplicacions mòbils. Proporciona l’energia per sostenir i moure càrregues enormes, perforar, etc. S’aplica en els sistemes hidràulics de les excavadores, perforadores de túnels, etc.

Pala excavadora.

Bomba extractora de petroli.

Tuneladora.

Aplicacions industrials. Els sistemes hidràulics s’utilitzen per transportar, posicionar, embotir, estampar, manipular i mecanitzar elements o materials en els processos de fabricació automatitzats. Podem trobar exemples de sistemes hidràulics en la indústria de la mineria i siderúrgia, en plegadores i premses industrials, entre d’altres.

Mecanisme de frenada.

Emmotlladora de plàstic.

Gat hidràulic.

Altres aplicacions. Podem trobar sistemes hidràulics en aplicacions automotrius com ara el mecanisme de frenada dels automòbils, en els ascensors i gats hidràulics, en aplicacions relacionades amb la medicina com ara instrumental quirúrgic i la taula d’operacions, en aplicacions aeroespacials como ara simuladors de vol, en aplicacions militars i nàutiques, etc.

activitats 4 Què significa i d’on prové el prefix hidra?

nn

5 Quin fluid transmissor d’energia utilitza la hidràun lica?

6 Per què s’utilitzen olis minerals en comptes d’aigua en els sistemes hidràulics de la indústria?

nn

103

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:41 Página 104

5. Pneumàtica i hidràulica

3. Les característiques dels fluids El pascal és un unitat molt petita en relació a les pressions que s’empren en la indústria.

Per aquesta raó s’utilitzen múltiples del Pa o altres unitats.

1 kPa 1 MPa 1 atm 1 bar

= = = =

1 000 Pa 1 000 000 Pa 101 325 Pa 100 000 Pa

L’aire comprimit que s’utilitza en els circuits pneumàtics i el líquid a pressió utilitzat per al funcionament dels sistemes hidràulics són els fluids encarregats de transmetre energia. Les magnituds més importants en els sistemes on hi intervenen fluids són:

La pressió La pressió és la força que exerceix el fluid per unitat de superfície.

F P= S

on

P és la pressió resultant [Pa] F és la força exercida pel fluid [N] S és la superfície d’actuació [m2]

L’instrument que s’utilitza per a la mesura de la pressió és el manòmetre. La unitat de pressió en el SI és el pascal i es representa amb el símbol Pa. En ocasions, se solen utilitzar altres unitats per expressar la pressió, com ara el bar, l’atmosfera (atm) o el quilogram per centímetre quadrat (kg/cm2).

Normalment, l’aire comprimit que s’empra en els sistemes pneumàtics està sotmès a una pressió que oscil·la entre els 4 i 8 bars. eXemPLe: Anàlisi d’un circuit pneumàtic

El circuit pneumàtic més senzill és el compost per un únic cilindre i l’aire comprimit subministrat. En aquest exemple es disposa de les dades de la pressió de l’aire comprimit i de la secció del cilindre.

6 bar

6 bar

S = 30 cm2

Determina la força que exerceix l’èmbol del cilindre en el moviment d’avançament.

Per determinar la força de l’èmbol utilitzarem l’expressió que relaciona la pressió, la força i la superfície. Aquestes dades les expressarem en les unitats del SI, amb l’ús de factors de conversió, si s’escau.

P =

P = 6 bar·

100 000 Pa = 600 000 Pa 1 bar

S = 30 cm2 ·

104

(1 m)

2

(100 cm)2

0,003 m2

F g F=P·S S

F = 6 · 105 Pa · 3 · 10-3 m2 = 1 800 N

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:41 Página 105

5. Pneumàtica i hidràulica

eXemPLe: Anàlisi d’un circuit hidràulic

El circuit hidràulic de la imatge és conegut amb el nom de premsa hidràulica i és una aplicació directa del principi de Pascal, segons el qual la pressió d’un fluid en un circuit tancat es transmet per igual en totes direccions. En aquest exemple es disposa de les dades de la força aplicada a l’èmbol petit i de les seccions dels dos cilindres.

F1

F2

F1 = 500 N S1= 10 cm

S2= 100 cm2

S1

2

S2

P P

Determina la força que es produirà al segon èmbol.

Per determinar la força produïda al segon èmbol, utilitzarem l’expressió que relaciona la pressió, la força i la secció. El líquid, que és un fluid incompressible, transmetrà la pressió al segon èmbol i es generarà una força.

F1 P1 = S 1

P1 = P2 F1 F2 = S1 S2

F2 P2 = S 2

g

F2 = F1 ·

S2 S2

F1 = 500 ·

100 = 5 000 N 10

El cabal El cabal és el volum de fluid que circula per un punt de la canonada en una unitat de temps.

C=

V t

on

C és el cabal [m3/s] V és el volum de fluid [m3] t és el temps d’actuació [s]

L’instrument que s’utilitza per a la mesura del cabal és el cabalímetre.

La unitat de cabal en el SI és el metre cúbic per segon (m3/s), però en ocasions se solen utilitzar altres unitats com ara el litre per minut (L/min), el litre per segon (L/s), el metre cúbic per minut (m3/min) o el metre cúbic per hora (m3/h).

activitats 7 Aplica els factors de conversió adients en cada cas per tal d’expressar les següents magnituds en unitats del SI.

nn

3,8 bar

5 atm

360 L/min

8 Creus que els sistemes hidràulics són sistemes capaços de multiplicar forces? Raona la resposta.

nn

18 m3/h

105

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:41 Página 106

5. Pneumàtica i hidràulica

4. els circuits pneumàtic i hidràulic Un circuit pneumàtic o hidràulic és el conjunt d’elements units de tal manera que mitjançant aire comprimit o líquid a pressió aconsegueix realitzar un treball o accionar màquines i mecanismes. Els elements que formen part dels circuits pneumàtics i hidràulics són els grups compressor i d’accionament, les canonades, les vàlvules i els cilindres.

En primer pla, operari treballant amb un martell pneumàtic.

El circuit elèctric té diversos elements en comú amb els circuits pneumàtic i hidràulic, i que exerceixen la mateixa funció. La seva comparació ajuda a entendre la funció de cada element.

Comparació entre els elements dels circuits elèctric, pneumàtic i hidràulic Circuit elèctric

Circuit pneumàtic

Circuit hidràulic

Generador: És el dispositiu encarregat de subministrar l’energia elèctrica al circuit.

Grup compressor: És el dispositiu encarregat de subministrar l’aire comprimit al circuit.

Grup d’accionament: És el dispositiu encarregat de subministrar el líquid a pressió al circuit.

Exemple: pila.

Exemple: compressor d’aire.

Exemple: bomba hidràulica.

Conductor: És l’element que permet el pas del corrent elèctric en el circuit.

Conducte o canonada: És l’element que canalitza el fluid en el circuit.

Elements de control: Són els dispositius encarregats de gestionar el pas del corrent elèctric en el circuit. Exemples: interruptor, polsador, etc.

Elements de comandament, regulació i control: Són els elements encarregats de regular i controlar el fluid en el circuit.

Receptors: Són els elements finals encarregats de transformar l’energia elèctrica en altres formes d’energia. Exemples: làmpada, timbre, etc.

Actuadors pneumàtics i hidràulics: Són els dispositius encarregats de realitzar un treball o accionar màquines i mecanismes.

generador

làmpada

Exemples: vàlvules distribuïdores, vàlvules de control, etc.

Exemples: cilindres, motors, etc.

grup compressor

cilindre

vàlvula distribuïdora interruptor

106

YjOYXOD GLVWULEXwGRUD

FRQGXFWH

conductor fusible

grup G·DFFLRQDPHQW

conducte vàlvula de control

YjOYXD GH FRQWURO

FLOLQGUH

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:41 Página 107

5. Pneumàtica i hidràulica

Entre els circuits pneumàtic i hidràulic existeixen unes diferències bàsiques que en determinen el comportament i l’aplicació.

Comparació funcional entre els circuits pneumàtic i hidràulic Característica

Sistema pneumàtic

Sistema hidràulic (oleohidràulic)

Tipus

Aire.

Líquid (oli).

Característiques

És un fluid que es pot comprimir.

És un fluid que no es pot comprimir.

Força i velocitat

Són sistemes adequats per treballar en escenaris on es requereixi poca força i gran velocitat.

Són sistemes adequats per treballar en escenaris on es requereixi molta força i poca velocitat.

Característiques de l’entorn

Són sistemes insensibles a les variacions de temperatura i que no produeixen explosions.

Són sistemes sensibles a les variacions de temperatura i a la brutícia. Existeix la possibilitat de perill d’incendi en cas de fuga de l’oli.

Contaminació

Acústica: l’aire que surt a pressió del sistema produeix un soroll molest.

Ambiental: l’oli és un producte contaminant.

Control dels actuadors

Els cilindres són difícilment controlables perquè l’aire és un fluid compressible.

Els cilindres són fàcilment controlables perquè l’oli és un fluid incompressible.

Resposta d’accionament

Ràpida.

Lenta.

Tipus de circuit

Obert.

Tancat.

Cost

Tenen un cost i una complexitat reduïts ja que no necessiten canonades de retorn.

Tenen un cost i una complexitat elevats ja que necessiten canonades de retorn i alguns elements són cars.

Fluid

activitats 9 Indica quins dels elements de la llista següent corn responen al circuit elèctric i quins als circuits pneumàtic o hidràulic: grup d’accionament, generador, vàlvula de control, vàlvula de distribució, interruptor, compressor d’aire, actuador, timbre.

Circuit elèctric

11 De ben segur que algun cop hauràs vist treballar un n martell pneumàtic com el de la fotografia. Justifica com pots esbrinar ràpidament que es tracta d’una màquina que funciona amb aire comprimit.

Circuit pneumàtic/hidràulic

10 Què vol dir que els circuits pneumàtics són circuits n oberts?

107

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:41 Página 108

5. Pneumàtica i hidràulica

5. el grup compressor del circuit pneumàtic El grup compressor del circuit pneumàtic està constituït pels conjunts de producció i condicionament d’aire comprimit.

SLVWy

FDPLVD

La producció d’aire comprimit es realitza en una única màquina. En aquesta màquina s’integren els tres elements següents: el compressor, el refrigerador i l’acumulador.

ELHOD

procés G·DGPLVVLy

procés G·HVFDSDPHQW

Compressor d’èmbol.

vàlvula de seguretat

aire calent

aigua calenta

aigua

vàlvula limitadora de pressió

aire refrigerat

Compressor: És el dispositiu encarregat de la producció de l’aire comprimit. La seva funció consisteix a aspirar aire de l’atmosfera, augmentar-ne la pressió i confinar-lo a un espai més reduït del que ocupava. Va proveït d’un filtre per tal d’eliminar les impureses. Els mecanismes d’aquests dispositius són accionats per mitjà de motors elèctrics o tèrmics de combustió interna.

Per a l’elecció del compressor s’han de tenir en compte els paràmetres del cabal de fluid a subministrar i de la pressió de treball. Existeixen una gran varietat de compressors, però els més emprats en els sistemes industrials són els compressors de pistó o d’èmbol, en què la pressió de l’aire a la sortida del dispositiu sol estar compresa entre 4 i 8 bars.

Refrigerador: A la sortida del compressor l’aire té una temperatura elevada, ja que en el procés de compressió el fluid s’ha escalfat. El refrigerador és un intercanviador de calor constituït per un tub enroscat o doblegat en ziga-zaga anomenat serpentí, a l’interior del qual circula el líquid refrigerant.

aigua condensada

Refrigerador.

termòmetre manòmetre

Conjunt de producció d’aire comprimit

vàlvula limitadora de pressió

Acumulador.

El contacte de l’aire comprimit calent amb el líquid refrigerant fa possible el refredament de l’aire a una temperatura pròxima als 25 ºC (temperatura ambient).

Acumulador: És un dipòsit que emmagatzema l’aire comprimit per fer front a la demanda en els moments de màxim consum. Els acumuladors mantenen estable la pressió del circuit i descarreguen de feina els motors que formen part dels compressors. A més, incorporen un seguit d’accessoris de protecció i control com ara el manòmetre, el termòmetre, la vàlvula de seguretat o limitadora de pressió, etc.

activitats 12 Si la pressió de l’aire a la sortida del compressor sol estar compresa entre 4 i 8 bars, quin guany proporciona?

(Dada: La pressió a nivell del mar equival a 1 atm)

nn

13 Quina funció realitzen el termòmetre, el manòmetre i la vàlvula de seguretat de l’acumulador d’aire comprimit?

nn n

108

14 Assenyala el compressor, el refrigerador i l’acumulador en aquest equip compressor d’aire.

nn

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:41 Página 109

5. Pneumàtica i hidràulica

Conjunt de condicionament de l’aire comprimit L’aire procedent del conjunt de producció ha de rebre un seguit de tractaments abans d’ésser distribuït al circuit pneumàtic. Els tractaments més habituals són la filtració, la regulació i la lubrificació, accions realitzades per la unitat de manteniment.

Filtració: L’aire se sotmet a un procés de centrifugació per tal d’eliminar impureses com ara pols, vapor d’aigua, etc.

Regulació: Assegura una pressió constant de l’aire comprimit a la sortida. La pressió s’ajusta a un valor seleccionat que queda reflectit en el manòmetre.

Lubrificació: S’afegeix oli nebulitzat a l’aire comprimit per tal de greixar les parts mòbils del circuit pneumàtic. D’aquesta manera, disminueix la fricció de les peces lliscants i se n’evita l’oxidació.

Filtre

Unitat de manteniment.

Lubrificador

Regulador

Representació esquemàtica del grup compressor Conjunt de producció d’aire comprimit

Conjunt de condicionament

Aire atmosfèric

Filtre previ

Compressor

Refrigerador

Acumulador

Filtre

Regulador

Lubrificador

Distribució de l’aire comprimit L’aire comprimit es canalitza des del grup compressor fins als punts de consum per una xarxa de canonades. Les canonades solen ser d’acer o coure i estan dissenyades per suportar altes pressions. La xarxa de distribució s’ha d’instal·lar de manera que hi hagi un pendent del 2 o 3% en el sentit de circulació de l’aire comprimit.

activitats 15 Per què creus que la unitat de manteniment també es coneix amb el nom de conjunt FRL? Per a què serveix?

nn

16

Investiga perquè la xarxa de distribució d’aire comprimit ha de tenir un petit pendent.

109

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:41 Página 110

5. Pneumàtica i hidràulica

6. els elements de regulació i control dels circuits pneumàtic i hidràulic En els circuits pneumàtic i hidràulic és necessari regular el pas, la direcció, el sentit i la pressió del fluid. Totes aquestes funcions de regulació i control les efectuen uns elements anomenats vàlvules. En funció de les accions que realitzen es classifiquen en:

2

1 Vàlvula 2/2

Vàlvules distribuïdores o de control direccional

2

1

Són els elements encarregats de controlar el pas i el sentit del fluid pels diferents components del circuit. Aquest tipus de vàlvules s’identifiquen per dues xifres que queden determinades pels paràmetres següents: el nombre d’orificis o vies de què disposa la vàlvula per fer circular el fluid i el nombre de posicions de treball de la vàlvula. Així, una vàlvula distribuïdora 4/2 és una vàlvula de 4 vies i 2 posicions de treball o commutació.

3

Vàlvula 3/2 4

2

1

3

Vàlvula 4/2 4

2

5 1 3

Vàlvula 5/2

La numeració sempre comença per l’entrada de fluid comprimit (1). Els nombres parells corresponen a sortides de treball (2, 4, 6...) i els nombres imparells sempre corresponen a sortides d’escapament d’aire (3, 5...).

A la posició de repòs, les vies es numeren d’acord amb la seva funció. Si l’orifici d’entrada del fluid (1) és bloquejat, la vàlvula rep el nom de normalment tancada (NT). En canvi, si l’orifici 1 és obert, la vàlvula rep el nom de normalment oberta (NO).

Tipus d’accionament. Indica el mode d’accionament i de retorn de la vàlvula.

Existeixen multitud d’accionaments per comandar una vàlvula, com per exemple el polsador, el pedal, el rodet, etc.

amb polsador

amb pedal

amb corró

per pressió

amb encebament

eXemPLe: Anàlisi d’una vàlvula distribuïdora 3/2 nt

Nombre de vies: 3 Nombre de posicions de treball: 2 Tipus d’accionament: pilotada per polsador i retorn per molla Estat de repòs: normalment tancada (el fluid a pressió té l’entrada bloquejada) 2

1

110

3

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:42 Página 111

5. Pneumàtica i hidràulica

Vàlvules de control, regulació i bloqueig Són els elements encarregats de gestionar el cabal, la pressió i la velocitat dels components del circuit. També gestionen la sortida del fluid en funció de les condicions d’entrada.

• Vàlvules unidireccionals. Permeten el flux del fluid en un únic sentit i n’eviten el pas en sentit contrari. Es coneixen amb el nom de vàlvules antiretorn.

• Vàlvules reguladores de cabal. Permeten regular la velocitat dels actuadors (normalment cilindres). La velocitat es gestiona mitjançant la regulació del cabal d’alimentació (s’estrangula el pas del fluid).

vis de regulació

P1

Vàlvula reguladora de cabal.

• Vàlvules selectores de circuit. Permeten el pas del fluid cap a la sortida sempre que hi hagi senyal en alguna de les dues entrades. Compleixen la funció lògica OR de dues entrades. Aquest tipus de vàlvula és adequada per fer funcionar una màquina des de dos punts diferents.

• Vàlvules de simultaneïtat. Permeten el pas del fluid cap a la sortida sempre que hi hagi senyal en les dues entrades simultàniament. Compleixen la funció lògica AND de dues entrades. Aquest tipus de vàlvula és adequada com a sistema de seguretat, per assegurar que les dues mans del treballador estan ocupades en accionar-la i, per tant, lluny d’altres perills.

P2

S

P1

P2

Vàlvula selectora de circuit.

Vàlvules de control, regulació i bloqueig Unidireccional Antiretorn

no circula fluid

Reguladora de cabal Bidireccional

Unidireccional

Selectora de circuit

De simultaneïtat

Funció OR

Funció AND

regula el cabal

activitats 17 Com es poden classificar les vàlvules segons la seva n funció? Fes-ne un breu resum.

18 Dibuixa l’esquema d’una vàlvula 2/2 NO. Què signifin quen les sigles NO? 19 Quina funció lògica realitzen les vàlvules selectores de circuit i les vàlvules selectores de simultaneïtat?

nn

20 Escriu les característiques més importants de les vàlvules que observes en el circuit de la dreta.

nn

111

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:42 Página 112

5. Pneumàtica i hidràulica

7. els actuadors dels circuits pneumàtic i hidràulic En els circuits pneumàtic i hidràulic els actuadors són els elements finals encarregats de transformar l’energia de l’aire comprimit o del líquid a pressió en energia mecànica, que s’utilitza per a l’accionament de màquines i mecanismes.

En funció del tipus de moviment que realitzin, els actuadors es poden classificar en cilindres, motors i actuadors de gir.

Els cilindres Bomba d’aire del segle xVIII. Funciona fent girar la maneta. Mentre un dels cilindres xucla l’aire del recipient col·locat a la safata, l’altre l’expulsa. Després es produeix el moviment contrari.

Són uns elements que estan constituïts per un tub de secció circular tancat pels seus extrems. A l’interior del tub hi llisca un èmbol (pistó) solidari amb una tija, que separa el cilindre en dues cambres. L’entrada i la sortida de l’aire comprimit o el líquid a pressió es canalitza a través d’una o dues obertures.

Els cilindres es classifiquen segons el mode de funcionament en: Cilindres de simple efecte: Aquests actuadors disposen d’una sola obertura per a l’entrada i la sortida del fluid a pressió, per tant, només efectuen treball en el sentit d’avançament. El retorn s’aconsegueix per mitjà d’una molla o d’una força externa. S’utilitzen per subjectar, expulsar, prémer o aixecar peces i en els sistemes de frenada dels autobusos, trens, etc.

PROOD

RULILFL G·HVFDSDPHQW

RULILFL G·HQWUDGD

SLVWy

Cilindre de simple efecte

Cilindres de doble efecte: Aquests actuadors disposen de dues obertures per a l’entrada i la sortida del fluid a pressió, per tant, realitzen treball tant en el sentit d’avançament com en el de retrocés. S’utilitzen per subjectar, expulsar, prémer o aixecar peces i en els sistemes d’obertura i tancament de portes dels autobusos, trens, etc.

RULILFL GH VRUWLGD

RULILFL G·HQWUDGD

SLVWy

112

Cilindre de doble efecte

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:42 Página 113

5. Pneumàtica i hidràulica

Accionament de cilindres Els cilindres dels circuits pneumàtic i hidràulic s’accionen per mitjà de vàlvules distribuïdores. Vegem-ne uns exemples.

Accionament directe de cilindres de simple efecte: Els cilindres de simple efecte s’accionen per mitjà de vàlvules distribuïdores 3/2. En l’estat de repòs, l’obertura d’entrada del fluid a pressió roman tancada (1). En accionar el polsador, la vàlvula commuta el seu estat i el fluid a pressió es canalitza a través de la vàlvula (1-2). El fluid entra a la cambra del cilindre on empeny l’èmbol en el sentit d’avançament. La vàlvula retorna a l’estat de repòs mitjançant la molla i aquesta torna a commutar el seu estat. En el retorn del cilindre per acció de la molla, el fluid abandona la cambra (2) i es canalitza a l’exterior de la vàlvula (3).

2

2

1

Algunes de les aplicacions on només intervé un únic cilindre de simple o doble efecte són: premsar una peça, tallar un material, aixecar un pes, obrir una porta, etc.

3

1

3

Estat de repòs.

Estat de treball.

Accionament directe de cilindres de doble efecte: Els cilindres de doble efecte s’accionen per mitjà de vàlvules distribuïdores 4/2 o 5/2. En accionar el polsador, la vàlvula commuta el seu estat i el fluid a pressió es canalitza a través de la vàlvula (1-4). El fluid entra a la cambra esquerra del cilindre on empeny l’èmbol en el sentit d’avançament. La vàlvula retorna a l’estat de repòs mitjançant la molla i aquesta torna a commutar l’estat. En aquest moment, el fluid a pressió es canalitza a través de la vàlvula (1-2) i entra a la cambra dreta del cilindre, on empeny l’èmbol en el moviment de retrocés. El fluid existent a la cambra esquerra abandona el cilindre en direcció a la vàlvula (4-3).

1

1

3

Estat de repòs.

2

4

2

4

3

Estat de treball.

activitats 21 Dibuixa un cilindre de doble efecte i assenyala-hi n tots els elements importants.

22 En els cilindres de doble efecte, on creus que es realitza més força, en el moviment d’avançament o de retrocés?

23 Dibuixa l’esquema d’accionament directe del cilindre de doble efecte per mitjà d’una vàlvula 5/2. Explica’n el funcionament.

nn

nn n

113

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:42 Página 114

5. Pneumàtica i hidràulica

8. Aplicacions dels circuits pneumàtic i hidràulic Accionament indirecte d’un cilindre de simple efecte En ocasions no existeix la possibilitat de comandar un cilindre directament ja que les vàlvules d’accionament no s’hi poden col·locar a prop. La solució consisteix en situar una altra vàlvula que s’encarregui de rebre la informació de la resta. eXemPLe: estampadora

Element de treball: Cilindre de simple efecte (1.0) Òrgan de govern: Vàlvula distribuïdora 3/2 amb accionament per pressió i retorn per molla (1.1) Captador d’informació: Vàlvula distribuïdora 3/2 amb accionament per polsador i retorn per molla (1.2)

1.0

1.1

L’operari prem el polsador de la vàlvula 1.2. El fluid a pressió es canalitza a través d’aquesta vàlvula i acciona la vàlvula 1.1, que en rebre la informació commuta el seu estat i condueix el fluid a pressió cap a la cambra del cilindre 1.0. En aquest moment la pressió del fluid empeny l’èmbol en el moviment d’avançament i l’estampadora realitza la seva tasca.

1.2

Accionament des de diferents punts De vegades és necessari poder accionar un cilindre des de diversos punts. Per exemple, en el sistema d’obertura de portes d’un autobús, el xofer és l’encarregat d’accionar el sistema d’obertura des del seu seient. Normalment existeix la possibilitat d’accionar l’obertura de portes per mitjà d’un sistema d’emergència.

En aquest cas, el comandament del cilindre des de dos punts és de gran utilitat. eXemPLe: sistema d’obertura de portes

1.0

Element de treball: Cilindre de simple efecte (1.0) Òrgan de govern: Vàlvula selectora de circuit (1.1) Captador d’informació: Vàlvula distribuïdora 3/2 amb accionament per polsador i retorn per molla (1.2) i vàlvula distribuïdora 3/2 amb accionament per pedal i retorn per molla (1.3).

1.1

1.2

114

1.3

El xofer de l’autobús prem el pedal de la vàlvula 1.3. El fluid a pressió es canalitza a través d’aquesta vàlvula i acciona la vàlvula selectora de circuit 1.1, que condueix el fluid a pressió fins a la cambra esquerra del cilindre 1.0. En aquest moment la pressió del fluid empeny l’èmbol en el moviment d’avançament i les portes de l’autobús s’obren.

En cas d’emergència es pot accionar el polsador de la vàlvula 1.2. El procés d’obertura segueix les mateixes pautes que en el cas d’accionament per pedal.

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:42 Página 115

5. Pneumàtica i hidràulica

Aplicació completa Les aplicacions més complexes són les que estan constituïdes per vàlvules captadores d’informació, per cilindres de simple o doble efecte, per vàlvules que s’encarreguen de governar el sistema i per vàlvules que regulen algun paràmetre com ara el cabal o la pressió. eXemPLe: túnel del terror 1.0 1.3

1.01

1.1

1.2

Element de treball: Cilindre de doble efecte (1.0). Òrgan de regulació: Vàlvula reguladora de cabal (1.01) Òrgan de govern: Vàlvula distribuïdora 5/2 amb accionament per pressió (1.1) Captador d’informació: Vàlvula distribuïdora 3/2 amb accionament per pedal i retorn per molla (1.2) i vàlvula distribuïdora 3/2 amb accionament per rodet i retorn per molla.

L’usuari puja a una vagoneta del passatge de l’horror. En passar per cert punt del circuit, les rodes del tren pressionen el pedal de la vàlvula 1.2. El fluid a pressió es canalitza a través d’aquesta vàlvula i acciona la vàlvula 1.1 que, en rebre la informació, commuta el seu estat i condueix el fluid a pressió cap a la cambra esquerra del cilindre 1.0. En aquest moment la pressió del fluid empeny l’èmbol en el moviment d’avançament i provoca la sortida de Freddy Krueger.

Al final del moviment d’avançament, la tija del cilindre 1.0 acciona la vàlvula 1.3. El fluid a pressió es canalitza a través d’aquesta vàlvula i comanda la vàlvula 1.1 que, en rebre la informació, torna a commutar el seu estat i condueix el fluid a pressió cap a la cambra dreta del cilindre 1.0. En aquest moment la pressió del fluid empeny l’èmbol en el moviment de retrocés i provoca la sortida del fluid existent de la cambra esquerra, que abandona el cilindre 1.0 en direcció a la vàlvula 1.1. En el seu recorregut, el fluid passa per una vàlvula reguladora de cabal 1.01 que provoca la desaparició de Freddy Krueger d’una manera progressiva.

activitats 24 Realitza l’esquema de l’accionament indirecte d’un n cilindre de doble efecte. Recorda que en aquest escenari, el cilindre realitza treball tant en el moviment d’avançament com en el de retrocés.

27 Explica el funcionament de l’esquema de la figura de sota. Dibuixa’n un de similar que realitzi la mateixa funció utilitzant una vàlvula de simultaneïtat.

nn

25 Dibuixa l’esquema d’un sistema d’accionament des n de quatre punts diferents. Quantes vàlvules selectores has utilitzat?

26 En l’exemple d’aplicació completa del text, quina funció realitza la vàlvula amb accionament per corró? Què passaria si aquesta vàlvula se suprimís de l’esquema?

nn

115

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:42 Página 116

5. Pneumàtica i hidràulica

activitats 28 L’ús de l’aire comprimit com a font d’energia, és n una tècnica d’ús recent? A quin segle es va utilitzar l’aire comprimit per automatitzar els processos de producció?

42 Calcula la força que s’ha d’exercir en el cilindre de l’èmbol petit per tal d’elevar el cotxe de 6 500 N.

nn

F1

F2

29 Què s’entén com a pneumàtica? n

30 Escriu dos avantatges i dos inconvenients de l’ús de n l’aire comprimit en les aplicacions industrials.

S1

31 Enumera unes quantes aplicacions (industrials i no industrials) on es faci servir la pneumàtica.

P

nn

P

32 Quina societat va ser pionera en intentar controlar n l’energia del flux d’aigua?

33 Quin matemàtic francès dóna nom al principi que n regeix la premsa hidràulica?

34 Què s’entén com a hidràulica?

S2

S1 = 40 cm2

S2 = 200 cm2

43 Quin conjunt està representat a l’esquema de la figura? Fes un breu resum dels quatre elements representats.

nn

n

35 Escriu dos avantatges i dos inconvenients de l’ús del n fluid a pressió en les aplicacions industrials.

36 Enumera unes quantes aplicacions (industrials i no industrials) on es faci servir la hidràulica.

nn

37 Quines dues magnituds caracteritzen els sistemes n on intervenen els fluids? Defineix-les i indica-hi les unitats de mesura.

38 Per a què serveixen el manòmetre i el cabalímetre? n

39 La força exercida per l’èmbol d’un cilindre de simple efecte en el moviment d’avançament és de 2 000N. Determina a quants bars de pressió està sotmès el fluid, si se sap que la superfície de l’èmbol és de 40 cm2.

44 Els compressors més emprats a la indústria són els compressors d’èmbol. Explica’n el funcionament.

nn

45 Quina funció realitzen les vàlvules? Dibuixa l’esn quema d’una vàlvula distribuïdora 3/2 NT amb accionament per pedal i retorn per molla i una vàlvula de simultaneïtat.

nn

F = 2 000 N i S = 40 cm2

40 Quins quatre elements formen part d’un sistema n hidràulic? Fes-ne un breu resum de cadascun.

41 Quines funcions realitza el grup compressor d’un nn circuit pneumàtic?

116

46 Com s’anomenen els elements encarregats de n transformar l’energia continguda en el fluid en energia mecànica?

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:42 Página 117

5. Pneumàtica i hidràulica

,

,

competencies en construccio 47 Imagina’t que estàs treballant en una empresa i el a) Quin cilindre utilitzaràs, de simple efecte o de doble efecte? Per què? teu cap t’encarrega el disseny d’un sistema d’obertura i tancament d’una barrera llevadissa d’un pàr- b) L’accionament serà directe o indirecte? Per què?

Quina vàlvula distribuïdora utilitzaràs per governar quing. A la reunió amb els propietaris del pàrquing el cilindre anterior? et mostren un croquis de l’escenari i t’expliquen el mode de funcionament de la barrera llevadissa.

Utilitza vàlvules 3/2 per accionar la vàlvula que governi En arribar al pàrquing, l’automòbil frenarà i se siel circuit pneumàtic. tuarà prop de la barrera. Aquesta tanca s’elevarà de manera progressiva quan el cotxe trepitgi un pedal c) Quantes vàlvules 3/2 necessites per realitzar el mosituat a terra i a més l’usuari del cotxe premi el poviment d’obertura de la barrera? Quin accionament sador ubicat a l’exterior de la garita. utilitzaràs per a cadascuna de les vàlvules? Quina vàlvula de control utilitzaràs per gestionar-les?

La barrera retornarà a la seva posició inicial horitzontal un cop la tanca hagi arribat al seu punt més alt, on d) Quantes vàlvules 3/2 poden realitzar el moviment de tancament de la barrera? Quin accionament utilitzahi haurà un dispositiu que captarà aquesta informació. ràs per a cadascuna de les vàlvules? Quina vàlvula de Si en algun moment la tanca s’avaria, existeix la poscontrol utilitzaràs per gestionar-les? sibilitat de tornar-la a la seva posició mitjançant un polsador de seguretat ubicat a l’interior de la garita del e) Quina vàlvula de control utilitzaràs per gestionar la velocitat del cilindre en el moviment d’obertura i tanvigilant. En les dues situacions, la barrera retornarà a cament de la barrera? la posició horitzontal de manera progressiva. f) Amb aquesta informació ja pots dibuixar l’esquema Per realitzar l’esquema pneumàtic del sistema, conpneumàtic. testa les següents preguntes que et serviran de guia.

polsador exterior per activar la barrera

polsador or de seguretat VLWXDW D O·LQWHULRU GH OD VLWXDW D O D

g garita

SOjQRO GH OD LQVWDOÃODFLy

pedal de detecció del vehicle

VHQVRU GLVSRVLWLX TXH FDSWD la situació de la barrera

117

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:42 Página 118

5. Pneumàtica i hidràulica

ACtiVitAts PRàCtiques

La font d’Heró La font d’Heró és un dispositiu pneumàtic inventat pel famós matemàtic i científic d’Alexandria en el qual la pressió de l’aire produeix i manté un raig d’aigua vertical.

Físicament es basa en el principi de Pascal segons el qual qualsevol pressió exercida sobre un fluid tancat i en repòs es transmet en totes direccions sense pèrdues.

6. Omple d’aigua fins a la meitat les ampolles 2 i 3.

7. Enganxa amb goma d’enganxar tot el muntatge procurant que no quedin porus.

8. Afegeix el tint o colorant en un recipient amb aigua i llença aquesta aigua poc a poc al cul d’ampolla 1.

ampolla 1

una palla

una palla ampolla 2

Materials i eines • • • •

Tres ampolles d’aigua mineral de 330 ml Quatre palles, dues del mateix color Goma d’enganxar impermeable Gotes de tint de la roba, tinta de bolígraf o colorant alimentari • Trepant i broca de 8 ø mm • Tisores • Peça de fusta de qualsevol mida (per recolzar el trepant)

ampolla 3

dues palles encaixades

Resultat Procediment 1. Talla en dues meitats una de les ampolles.

2. Realitza dos forats iguals i a la mateixa distància en cadascun dels tres taps amb el trepant. Pots utilitzar el primer tap foradat com a model per als altres. Utilitza la fusta per recolzar els taps.

3. Realitza dos forats iguals i a la mateixa distància al cul de les dues ampolles i al de la meitat de l’ampolla amb el trepant. Utilitza un dels taps foradats com a model.

4. Encaixa les dues palles del mateix color.

5. Munta les palles seguint l’esquema que et proposem.

118

Acomplint el principi de Pascal, quan afegim aigua al cul d’ampolla 1, aquesta baixa cap a l’ampolla 2. La pressió exercida a l’aigua de l’ampolla 2 es transmet a l’aire de la mateixa, i d’aquesta a l’aire i després a l’aigua de l’ampolla 3 provocant el flux d’aigua vertical cap al cul d’ampolla 1.

Més idees En lloc de palles pots utilitzar tres fragments de tub flexible dels que s’usen als aquaris, dos iguals i un del doble de la mida dels altres. Aleshores no cal que les tres ampolles estiguin connectades en vertical, poden estar-ho de forma lateral.

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:42 Página 119

5. Pneumàtica i hidràulica

bomba d'aigua amb dues xeringues Una bomba és un aparell que serveix per extreure, elevar o impulsar fluids, tant si són líquids com gasos, d’un lloc a un altre. Les bombes industrials tenen un motor elèctric o de combustió que realitza el treball.

Ara bé, també són bombes les manxes de mà o de peu d’inflar les bicicletes, les peres de goma dels laboratoris que s’empren per succionar líquids de recipients, etc.

En aquesta activitat pràctica et proposem que fabriquis una bomba casolana per extreure líquid d’un recipient amb materials i aparells ben senzills.

5. Enganxa amb goma d’enganxar instantània la goma foradada del pistó gran amb la boca de la xeringa petita.

La boca de la xeringa petita ha de quedar inserida a la goma. Has de veure el forat.

6. Fes un forat lateral a l’extrem oposat de la punta del cilindre de la xeringa petita.

Materials • • • • • •

Una xeringa de 6 ml Una xeringa de 2,5 ml 2 boles metàl·liques (han de cabre en la xeringa petita) Goma d’enganxar instantània Tisores Recipient amb aigua

7. Posa la segona bola de metall a la xeringa gran.

8. Insereix la xeringa petita dins la gran.

9. Succiona aigua amb el mecanisme muntat, de seguida veuràs que la bomba actua.

Procediment 1. Desmunta les dues xeringues i treu la goma de l’extrem del pistó.

2. Posa una de les boles de metall a la xeringa petita.

3. Tapa l’extrem ample de la xeringa petita amb la goma del pistó que li correspon.

Qüestions Quina funció fan les boles? Què passaria si no hi fossin?

Et sembla que l’invent funcionaria igual amb aire? Per què?

4. Fes un forat amb les tisores a la goma del pistó de la xeringa gran.

Més idees Pots pensar en altres tipus de bombes fetes a partir d’objectes casolans. Per fer-ho, has de tenir en compte dues qüestions: la primera, que la bomba ha de tenir una sortida a la mateixa superfície del pistó o a la camisa de la bomba, i la segona, que en tot cas has de col·locar una vàlvula que deixi circular el fluid en un sol sentit.

119

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:42 Página 120

5. Pneumàtica i hidràulica

PAssAt, PResent i FutuR

CLePsidRA, eL ReLLotge HidRàuLiC Un dels rellotges més antics dels que es té referència és la clepsidra, paraula que ve del grec klepsydra (klepto, robar, amagar i hydro, aigua), present ja a l’època dels babilonis i egipcis, fa uns 3 500 anys. Les primeres clepsidres consistien en un recipient de fang que contenia aigua fins a un cert nivell, amb un orifici a la base de la mida adequada perquè l’aigua anés caient al ritme desitjat. L’aigua es recollia amb un altre recipient que tenia unes marques a l’interior per mesurar el nivell del líquid, que equivalia a un determinat lapse de temps. Tot i la senzillesa d’aquest

mecanisme de mesura del temps, el seu ús es va estendre per moltes cultures.

El grec Ctesibi d’Alexandria va idear una clepsidra hidràulica en què l’aigua anava d’un recipient a un altre amb un sistema de tubs i sifons. Un punter que surava en un dels recipients marcava l’hora sobre un tambor giratori connectat a un sistema d’engranatges.

Les marques horàries tenien una separació diferent en funció de la variació horària estacional. A les dotze de la nit de cada dia, el dipòsit amb el marcador quedava buit i una roda girava per col·locar el punter a la posició correcta per tornar a començar.

Els rellotges hidràulics van ser usats per conèixer i limitar el temps en multitud d’accions, com per exemple per acotar els discursos dels pensadors i polítics grecs, l’estona que els advocats romans tenien davant dels tribunals, etc. A diferència dels rellotges de sol, els d’aigua podien funcionar tant de dia com de nit, raó per la qual van acabar substituint-los fins que al segle xVII

LLeVAtAPs PneumàtiCs amb l’agulla del llevataps, i es comença a bombar aire amb un petit braç que comunica amb l’èmbol, talment com si estiguéssim inflant la roda d’una bicicleta. A mesura que la pressió s’incrementa entre la base interior del tap i la superfície del vi, el tap comença a sortir poc a poc. Després d’unes quantes manxades, el tap surt cap a l’exterior, seguit d’un “plop!”, que indica que l’aire a pressió ha sortit disparat cap a fora de l’ampolla, on la pressió és Existeix, però, un llevataps de disseny que menor. lleva els taps de les ampolles de vi aplicant la pneumàtica. L’estructura bàsica és Com funciona el llevataps de què parla una agulla molt fina, buida per dins, que el text? comunica amb un èmbol que l’usuari acciona. El funcionament és el següent: es Creus que el fet d’introduir aire a presperfora completament el tap de l’ampolla sió al vi pot afectar-lo? En què?

Llevar el tap d’una ampolla de vi és una acció que requereix un bon llevataps. Els més comuns i usuals són els de tirabuixó. Hi ha diferents models de llevataps de tirabuixó però tots es basen en l’efecte palanca. A mesura que es fa girar el llevataps, un vis va penetrant en el suro fins a una determinada fondària a partir de la qual fent palanca amb l’obridor el tap surt.

120

Cristian Huygens va aplicar el pèndol a la mesura del temps i va donar pas als rellotges moderns.

Creus que les clepsidres de terrissa eren molt exactes? Per què?

Pensa i proposa altres maneres de mesurar el temps.

098-121_TECNO_U05_04_CAT.qxd:Maquetación 1 20/02/12 17:42 Página 121

5. Pneumàtica i hidràulica

VeHiCLes d’AiRe ComPRimit T’imagines un cotxe que pel tub d’escapament només expulsés aire prou net perquè poguéssim acostar-hi el nas i respirar aire molt pur? Seria una solució als greus problemes de contaminació atmosfèrica de les ciutats causada pels actuals motors d’explosió, que emeten gasos i partícules contaminants.

Des que l’any 1993 l’enginyer Guy Nègre va tenir la idea de dissenyar un motor que funcionés amb aire comprimit, se n'han desenvolupat diversos prototips fins al dia d’avui. El principi del motor d’aire comprimit és ben senzill. Actua descarregant l’energia de l’aire, prèviament comprimit a alta pressió en uns dipòsits sota el xassís del vehicle, amb un sistema de pistons que transmet aquesta energia a uns engranatges que fan moure el vehicle. L’alta pressió de l’aire a l’interior del dipòsit fa augmentar la temperatura d’aquest fins als 400 ºC. Però la ràpida i brusca expansió d’aquest fa que la temperatura de l’aire a la sortida del tub d’escapament disminueixi a valors d’entre els 0 ºC i -20 ºC. De fet, la climatització del vehicle utilitza l’aire fred de la sortida del tub d’escapament com a aire condicionat a l’estiu, i la calor del dipòsit com a calefacció a l’hivern.

L’aire de sortida a l’exterior és més net que el d’entrada, ja que en el compressor hi ha uns filtres de carbó actiu que el netegen abans de ser emmagatzemat a alta pressió. D’aquesta forma doncs, els vehicles d’aire comprimit purificarien i refrescarien l’aire de les nostres ciutats.

Alguns dels prototips construïts fins al moment han estat exitosos. El procés de compressió i càrrega de 90 m3 d’aire a 300 bars (aproximadament 300 vegades la pressió atmosfèrica) és d’unes 4 hores, amb un cost proper als 2 euros. L’autonomia d’alguns d’aquests prototips és de 200 km a una velocitat urbana de 45 km/h i d’uns 70 km si la velocitat s’incrementa a 110 km/h.

135 persones a un cost de 2,5 euros cada 100 km, un preu molt reduït si es compara amb els actuals transports públics.

Fins ara, el principal entrebanc per al desenvolupament d’aquests motors ha estat el dipòsit d’alta pressió, ja que en cas d’accident pot provocar explosions violentes en el vehicle. Sembla ser que això aviat tindrà solució amb l’ús d’un nou material per a la fabricació del dipòsit, resistent a altes pressions i que en cas d’accident s’esquerdaria i deixaria escapar de forma controlada l’aire emmagatzemat, sense que es produïssin explosions perilloses.

Per a grans trajectes l’empresa MDI ha desenvolupat un vehicle híbrid aire-gasolina, el RoadCAT’s, amb una autonomia de 2 000 km amb una càrrega de combustible de 100 m3 d’aire comprimit i tan sols 50 litres de gasolina.

Per quina raó en comprimir l’aire s’assoleix una temperatura tan elevada? I per què a la sortida és tan baixa? (pensa en la llei dels gasos ideals).

El MultiCAT’s és un altre prototip per al transport de moltes persones, com si fos un tren amb rodes pneumàtiques mogut per aire comprimit. Permet transportar

Pot semblar que 400 ºC és una temperatura molt elevada. Compara-la amb la temperatura que s’assoleix a l’interior d’un motor d’explosió.

Com funciona el motor d’aire comprimit?

121