Tecnología 4 - Unidad de muestra (ESO)

TUS RECURSOS DIGITALES EN:

TECNOLOGÍA 4

www.ecasals.net/alumnos/tecnologia4eso

TECNOLOGÍA 4

X. Àgueda, R. Alujas, J. Mazón, M. Prats

Tecnologies 4 CAST cs5.5.indd 1

21/03/12 16:41

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 98

5

Neumática e hidráulica

1. Introducción a la neumática 2. Introducción a la hidráulica 3. Las características de los fluidos 4. Los circuitos neumático e hidráulico 5. El grupo compresor del circuito neumático 6. Los elementos de regulación y control de los circuitos neumático e hidráulico

CompeteNCias básiCas Comunicativa, lingüística y audiovisual Valoración de la importancia del dibujo técnico en la transmisión de datos e ideas.

Interpretación de la simbología normalizada en los circuitos neumáticos e hidráulicos.

Utilización de la representación gráfica para la descripción técnica de circuitos neumáticos e hidráulicos.

Interpretación correcta de los textos descriptivos e instructivos.

Artística y cultural Valoración del dibujo como lenguaje comunicativo respecto a las representaciones gráficas de los circuitos neumáticos e hidráulicos.

7. Los actuadores de los circuitos neumático Conocimiento e interacción con el mundo físico Utilización de los materiales y herramientas de representación e hidráulico gráfica y de las herramientas del taller y de casa.

8. Aplicaciones de los circuitos neumático e hidráulico

Matemática Cálculo de magnitudes relacionadas con la mecánica de fluidos.

Autonomía e iniciativa personal Valoración crítica de las ventajas del uso de maquinaria con circuitos neumáticos e hidráulicos.

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 99

5. Neumática e hidráulica

Herón de Alejandría desarrolló una serie de artilugios neumáticos e hidráulicos diseñados para entretener a los comensales de un simposio o impresionar a los fieles en una ceremonia religiosa.

En la imagen se puede observar el sistema de apertura y cierre de puertas de un templo una vez se encendía fuego en el altar. ¿Quién era y en qué época vivió Herón de Alejandría? ¿Podrías explicar el funcionamiento de este ingenioso sistema?

La utilidad del aire comprimido es bien conocida desde la antigüedad, pero no fue hasta el año 1950 cuando se empezó a utilizar en el control de procesos industriales. Actualmente existen numerosas aplicaciones que emplean el aire comprimido como fuente de energía, como, por ejemplo, la excavadora neumática de la imagen. ¿Qué elemento neumático se observa en la imagen?

Propón otros ejemplos donde se utilice el aire comprimido como fuente de energía.

Joseph Bramah construyó la primera prensa hidráulica en el año 1770. Consistía en dos cilindros de diferente sección que se comunicaban a través de una tubería. Su interior estaba completamente lleno de un líquido que podía ser agua o aceite.

La prensa hidráulica es una aplicación directa de un conocido principio. ¿Cuál es este principio? Haz una breve explicación de este.

Este fragmento del documental Diamond diggers se centra en la mina de Ekati, en Canadá, situada 200 km al sur del círculo polar ártico, donde se utilizan supermáquinas para trabajar en la tundra. Estas enormes máquinas manipulan más de cinco millones de quilates de diamantes al año. ¿Qué tres tipos de máquinas cooperan entre sí para extraer las riquezas del subsuelo en la mina de diamantes de Ekati? ¿Qué sistema incorpora la pala en una de estas supermáquinas?

99

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 100

5. Neumática e hidráulica

1. introducción a la neumática El aire comprimido es una forma de energía que el ser humano descubrió en la antigüedad. El griego Ctesibio de Alejandría, que vivió en el siglo III a. de C., escribió el primer tratado sobre aire comprimido y por este motivo se le considera el padre de la neumática. Su discípulo, Herón de Alejandría, redactó un trabajo relacionado con las aplicaciones del aire comprimido y del vacío que no pudo ser desarrollado por la falta de recursos.

En el año 1857, el ingeniero francés Germain Sommeiller inventó una perforadora de aire comprimido que conseguía una velocidad de avance de 2 m diarios, frente a los 60 cm que se obtenían con los medios tradicionales.

El progreso de las aplicaciones neumáticas se detuvo durante un largo período de tiempo. Los descubrimientos de científicos como Galileo Galilei, Robert Boyle y de otros contemporáneos suyos en los siglos xVI y xVII hicieron posible que se retomara el progreso de la neumática.

En el siglo xIx se empezó a utilizar el del aire comprimido en las obras públicas con la presencia de herramientas como el martillo neumático o máquinas como la primera perforadora de aire comprimido, que se utilizó para la construcción del túnel de Mont Cenis en el año 1857.

Por tanto, se observa que las características básicas de la neumática forman parte de los conocimientos tecnológicos más antiguos del mundo occidental.

Sin embargo, no es hasta aproximadamente el año 1950 cuando la neumática se aplica a la industria para automatizar los procesos de producción.

Se entiende por neumática el conjunto de técnicas basadas en la utilización del aire comprimido como fluido transmisor de energía para el accionamiento de máquinas y mecanismos.

Algunas ventajas e inconvenientes de la utilización del aire comprimido en las aplicaciones industriales son los siguientes:

Ventajas

Inconvenientes

• El aire comprimido se obtiene fácilmente a partir del aire atmosférico. El aire atmosférico es de fácil captación y se encuentra en abundancia.

• El aire comprimido necesita un pretratamiento, que implica la limpieza de impurezas, la eliminación de humedad, etc., para evitar la corrosión en los equipos y de esta forma poder realizar el trabajo propuesto.

• El aire comprimido se almacena con facilidad en depósitos. El aire almacenado se puede usar cuando sea necesario.

• El aire comprimido es un fluido limpio y los sistemas que lo utilizan lo mantienen limpio.

• Los sistemas neumáticos están indicados para trabajar en ambientes húmedos.

• Los sistemas neumáticos no emiten chispas; por tanto, no comportan peligro de incendio o deflagración y están indicados para trabajar en ambientes en los que el uso de la electricidad representa un peligro.

100

• A causa de las propiedades físicas del aire comprimido, no se pueden obtener bajas velocidades.

• La descarga del aire comprimido a la atmósfera produce un alto nivel de ruido.

• Se requieren instalaciones especiales para recuperar el aire previamente utilizado.

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 101

5. Neumática e hidráulica

La neumática se encuentra presente en distintas aplicaciones de nuestro entorno, como: Aplicaciones móviles. El aire comprimido proporciona la energía necesaria para poder transportar, levantar, excavar, perforar, manipular materiales, impulsar, etc. Con estas aplicaciones, el aire comprimido está presente en los sistemas de apertura y cierre de puertas, en las atracciones de parques temáticos...

Además, se pueden encontrar aplicaciones neumáticas en los siguientes vehículos: tractores, grúas, camiones de basura, vehículos para la construcción y mantenimiento de carreteras, etc.

Sistema de apertura de puertas y plataforma.

Atracción de feria.

Grúa móvil.

Aplicaciones industriales. El aire comprimido se utiliza para controlar, impulsar, posicionar, manipular y mecanizar elementos o materiales en los procesos de fabricación automatizados. Con estas aplicaciones, el aire comprimido está presente en la maquinaria para las industrias plástica, alimentaria, papelera, farmacéutica, etc.; en el equipamiento para la robótica y manipulación automatizadas...

Planta de embotellamiento.

Planta de envasado al vacío.

Cadena de montaje de automóviles.

Otras aplicaciones. Se pueden encontrar sistemas que utilizan el aire comprimido en herramientas como el martillo y el taladro neumáticos, grapadoras, pistolas, etc.

actividades 1 ¿Qué significa y de dónde proviene el prefijo neuma-?

nn

2 ¿Qué fluido transmisor de energía utiliza la neumán tica?

3 ¿Por qué crees que se emplean sistemas neumátin cos en las industrias alimentaria y farmacéutica?

101

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 102

5. Neumática e hidráulica

2. introducción a la hidráulica Desde la antigüedad el hombre ha aprovechado el agua para regar o transportar materiales, pero una de las primeras sociedades de que se tiene constancia que intentó controlar la energía del flujo de agua fue la griega hacia el siglo III a. de C. El matemático y físico Arquímedes fue quien contribuyó en mayor medida a los fundamentos de la hidráulica, ya que descubrió el primer principio de la hidrostática: la flotabilidad. En el año 30 a. de C., el Imperio romano conquistó Grecia y aprovechó sus conocimientos para mejorar ciertos inventos griegos, como, por ejemplo, la rueda hidráulica y los acueductos.

Después de una larga parada en el desarrollo de las aplicaciones hidráulicas, en la Edad Media se mejoraron las prestaciones de los molinos de agua.

Los relojes de agua de la antigüedad, las clepsidras, eran recipientes de barro que se vaciaban por un pequeño orificio en un tiempo calculado. En el siglo III a. de C., Ctesibio de Alejandría ideó la primera clepsidra hidráulica, que se reproduce en esta ilustración.

La hidrostática es la parte de la física que estudia los fluidos en reposo.

En la industria, el fluido que se utiliza generalmente como transmisor de energía es el aceite mineral; por eso, esta técnica se llama oleohidráulica.

Alrededor del siglo xVII, el matemático francés Blaise Pascal redactó el Tratado sobre el equilibrio de los líquidos. Por primera vez en la historia de la ciencia se hacía una descripción completa de la hidrostática. El inglés Joseph Bramah llevó a la práctica el principio de Pascal en el año 1770 con la invención de la primera prensa hidráulica.

Hasta mediados del siglo xIx, la energía hidráulica se obtenía del aprovechamiento de la energía del agua en movimiento. Pero esto cambió con el descubrimiento del petróleo en 1859. El uso del aceite mineral como fluido hidráulico convirtió la prensa hidráulica en una herramienta esencial en las fábricas, especialmente en la industria del automóvil con los inventos de los frenos y la suspensión hidráulicos. A partir de la segunda mitad del xx, la hidráulica se introduce en los procesos de automatización de la industria.

Se entiende por hidráulica el conjunto de técnicas basadas en la utilización de líquidos bajo el efecto de la presión por el accionamiento de máquinas y mecanismos.

Algunas de las ventajas e inconvenientes de la utilización de los sistemas hidráulicos son los siguientes:

Ventajas

Inconvenientes

• La fuerza y la velocidad se pueden regular de forma precisa.

• Existe el riesgo de producirse una fuga del fluido a alta presión.

• El fluido utilizado en el sistema (aceite, por ejemplo) se puede recuperar fácilmente.

• Se necesita personal cualificado para realizar el mantenimiento del sistema.

• El fluido se adapta a las tuberías y transmite la fuerza como si fuera una barra de acero.

• En el caso de la oleohidráulica se utiliza un fluido contaminante y caro: el aceite mineral.

• El aceite, además de actuar como fluido transmisor de energía, actúa como autolubrificante, lo cual alarga la vida útil de los elementos.

• Presentan un coste y una complejidad elevados, ya que necesitan tuberías de retorno y algunos de los elementos son costosos.

• Se pueden transmitir grandes fuerzas empleando pequeños dispositivos.

102

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 103

5. Neumática e hidráulica

La hidráulica, al igual que la neumática, se encuentra presente en muchas aplicaciones de nuestro entorno, como: Aplicaciones móviles. Proporciona la energía para sostener y mover cargas enormes, perforar, etc. Se aplica en los sistemas hidráulicos de las excavadoras, perforadoras de túneles...

Pala excavadora.

Bomba extractora de petróleo.

Tuneladora.

Aplicaciones industriales. Los sistemas hidráulicos se utilizan para transportar, posicionar, embutir, estampar, manipular y mecanizar elementos o materiales en los procesos de fabricación automatizados. Podemos encontrar ejemplos de sistemas hidráulicos en la industria de la minería y siderurgia, en plegadoras y prensas industriales, entre otras.

Mecanismo de frenada.

Moldeadora de plástico.

Gato hidráulico.

Otras aplicaciones. Podemos encontrar sistemas hidráulicos en aplicaciones automotrices, como, por ejemplo, el mecanismo de frenada de los automóviles, en los ascensores y gatos hidráulicos; en aplicaciones relacionadas con la medicina, por ejemplo, en instrumental quirúrgico y en la mesa de operaciones; en aplicaciones aeroespaciales, como los simuladores de vuelo; en aplicaciones militares y náuticas, etc.

actividades 4 ¿Qué significa y de dónde proviene el prefijo hidra-?

nn

5 ¿Qué fluido transmisor de energía utiliza la hin dráulica?

6 ¿Por qué se emplean aceites minerales en lugar de agua en los sistemas hidráulicos de la industria?

nn

103

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 104

5. Neumática e hidráulica

3. Las características de los fluidos El aire comprimido que se utiliza en los circuitos neumáticos y el líquido a presión empleado para el funcionamiento de los sistemas hidráulicos son los fluidos encargados de transmitir energía. Las magnitudes más importantes en los sistemas donde intervienen fluidos son:

El pascal es una unidad muy pequeña en relación con las presiones que se utilizan en la industria. Por esta razón se emplean múltiplos del pascal u otras unidades.

1 kPa 1 MPa 1 atm 1 bar

= = = =

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

La presión La presión es la fuerza que ejerce el fluido por unidad de superficie.

F P= S

donde

P es la presión resultante [Pa].

F es la fuerza ejercida por el fluido [N].

S es la superficie de actuación [m2].

El instrumento que se utiliza para medir la presión es el manómetro. La unidad de presión en el SI es el pascal y se representa con el símbolo Pa. A veces, se suelen usar otras unidades para expresar la presión, por ejemplo, el bar (bar), la atmósfera (atm) o el kilogramo por centímetro cuadrado (kg/cm2).

Normalmente, el aire comprimido que se utiliza en los sistemas neumáticos está sometido a una presión que oscila entre los 4 y 8 bar. eJempLo: análisis de un circuito neumático

El circuito neumático más sencillo es el compuesto por un único cilindro y el aire comprimido suministrado. En este ejemplo se dispone de los datos de presión del aire comprimido y de la sección del cilindro.

6 bar

6 bar

S = 30 cm2

Determina la fuerza que ejerce el émbolo del cilindro en el movimiento de avance.

Para determinar la fuerza del émbolo, utilizaremos la expresión que relaciona la presión, la fuerza y la superficie. Estos datos los expresaremos en las unidades del SI, con el uso de factores de conversión si es necesario.

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_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 105

5. Neumática e hidráulica

eJempLo: análisis de un circuito hidráulico

El circuito hidráulico de la imagen es conocido con el nombre de prensa hidráulica y es una aplicación directa del principio de Pascal, según el cual la presión de un fluido en un circuito cerrado se transmite por igual en todas las direcciones. En este ejemplo se dispone de los datos de la fuerza aplicada al émbolo pequeño y de las secciones de los dos cilindros.

F1

F2

F1 = 500 N S1= 10 cm

S2= 100 cm2

S1

2

S2

P P

Determina la fuerza que se producirá en el segundo émbolo.

Para determinar la fuerza producida en el segundo émbolo, utilizaremos la expresión que relaciona la presión, la fuerza y la sección. El líquido, que es un fluido incompresible, transmitirá la presión al segundo émbolo y se generará una fuerza.

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 caudal El caudal es el volumen de fluido que circula por un punto de la tubería en una unidad de tiempo.

V C= t

donde

C es el caudal [m3/s].

V es el volumen de fluido [m3]. t es el tiempo de actuación [s].

El instrumento que se utiliza para medir el caudal es el caudalímetro.

La unidad de caudal en el SI es el metro cúbico por segundo (m3/s), pero en ocasiones se suelen utilizar otras unidades, como el litro por minuto (L/min), el litro por segundo (L/s), el metro cúbico por minuto (m3/min) o el metro cúbico por hora (m3/h).

actividades 7 Aplica los factores de conversión adecuados en cada caso para expresar las siguientes magnitudes en unidades del SI.

nn

3,8 bar

5 atm

360 L/min

8 ¿Crees que los sistemas hidráulicos son sistemas capaces de multiplicar fuerzas? Razona la respuesta.

nn

18 m3/h

105

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 106

5. Neumática e hidráulica

4. Los circuitos neumático e hidráulico Un circuito neumático o uno hidráulico es el conjunto de elementos unidos de tal forma que, mediante aire comprimido o líquido a presión, consigue realizar un trabajo o accionar máquinas y mecanismos. Los elementos que forman parte de los circuitos neumáticos e hidráulicos son los grupos compresor y de accionamiento, las tuberías, las válvulas y los cilindros.

En primer plano, operario trabajando con un martillo neumático.

El circuito eléctrico tiene varios elementos en común con los circuitos neumático e hidráulico y que ejercen la misma función. Su comparación ayuda a entender la función de cada elemento.

Comparación entre los elementos de los circuitos eléctrico, neumático e hidráulico Circuito eléctrico

Circuito neumático

Circuito hidráulico

Generador: es el dispositivo encargado de suministrar la energía eléctrica al circuito.

Grupo compresor: es el dispositivo encargado de suministrar el aire comprimido al circuito.

Grupo de accionamiento: es el dispositivo encargado de suministrar el líquido a presión en el circuito.

Ejemplo: pila.

Ejemplo: compresor de aire.

Ejemplo: bomba hidráulica.

Conductor: es el elemento que permite el paso de la corriente eléctrica en el circuito.

Conducto o tubería: es el elemento que canaliza el fluido en el circuito.

Elementos de control: son los dispositivos encargados de gestionar el paso de la corriente eléctrica en el circuito. Ejemplos: interruptor, pulsador, etc.

Elementos de mando, regulación y control: son los elementos encargados de regular y controlar el fluido en el circuito.

Receptores: son los elementos finales encargados de transformar la energía eléctrica en otras formas de energía. Ejemplos: lámpara, timbre...

Actuadores neumáticos e hidráulicos: son los dispositivos encargados de realizar un trabajo o accionar máquinas y mecanismos.

generador

bombillas

Ejemplos: válvulas distribuidoras, válvulas de control...

Ejemplos: cilindros, motores...

grupo compresor

cilindro

válvula distribuidora interruptor

106

válvula distribuidora

conducto

conductor fusible

grupo de accionamiento

conducto válvula de control

válvula de control

cilindro

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 107

5. Neumática e hidráulica

Entre los circuitos neumático e hidráulico existen unas diferencias básicas que determinan su comportamiento y la aplicación.

Comparación funcional entre los circuitos neumático e hidráulico Características

Sistema neumático

Sistema hidráulico (oleohidráulico)

Tipo

Aire.

Líquido (aceite).

Propiedades

Es un fluido que se puede comprimir.

Es un fluido que no se puede comprimir.

Fuerza y velocidad

Son sistemas adecuados para trabajar en escenarios donde se requiera poca fuerza y gran velocidad.

Son sistemas adecuados para trabajar en escenarios donde se requiera mucha fuerza y poca velocidad.

Particularidades del entorno

Son sistemas insensibles a las variaciones de temperatura y que no producen explosiones.

Son sistemas sensibles a las variaciones de temperatura y a la suciedad. Existe la posibilidad de peligro de incendio en caso de fuga del aceite.

Contaminación

Acústica: el aire que sale a presión del sistema produce un ruido molesto.

Ambiental: el aceite es un producto contaminante.

Control de los actuadores

Los cilindros son difícilmente controlables porque el aire es un fluido compresible.

Los cilindros son fácilmente controlables porque el aceite es un fluido incompresible.

Respuesta de accionamiento

Rápida.

Lenta.

Tipo de circuito

Abierto.

Cerrado.

Coste

Tienen un coste y una complejidad reducidos, ya que no necesitan tuberías de retorno.

Tienen un coste y una complejidad elevados, ya que necesitan tuberías de retorno y algunos elementos son caros.

Fluido

actividades 9 Indica cuáles de los elementos de la siguiente lista n corresponden al circuito eléctrico y cuáles a los circuitos neumático o hidráulico: grupo de accionamiento, generador, válvula de control, válvula de distribución, interruptor, compresor de aire, actuador y timbre.

Circuito eléctrico

11 Seguro que alguna vez habrás visto trabajar un martin llo neumático como el de la fotografía. Justifica cómo puedes averiguar rápidamente que se trata de una máquina que funciona con aire comprimido.

Circuito neumático/hidráulico

10 ¿Qué quiere decir que los circuitos neumáticos son n circuitos abiertos?

107

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 108

5. Neumática e hidráulica

5. el grupo compresor del circuito neumático El grupo compresor del circuito neumático está constituido por los conjuntos de producción y acondicionamiento de aire comprimido. pistón

camisa

La producción de aire comprimido se realiza en una única máquina. En esta máquina se integran los tres elementos siguientes: el compresor, el refrigerador y el acumulador.

biela

proceso de admisión

proceso de escape

Compresor de émbolo.

válvula de seguridad

aire caliente

agua caliente

agua

válvula limitadora de presión

aire refrigerado

Compresor: es el dispositivo encargado de la producción del aire comprimido.

Su función es aspirar aire de la atmósfera, aumentar su presión y confinarlo a un espacio más reducido del que ocupaba. Está provisto de un filtro para eliminar las impurezas. Los mecanismos de estos dispositivos están accionados por medio de motores eléctricos o térmicos de combustión interna.

Para la elección del compresor se deben tener en cuenta los parámetros del caudal de fluido que suministra y de la presión de trabajo. Existen una gran variedad de compresores, pero los más utilizados en los sistemas industriales son los compresores de pistón o de émbolo, en los que la presión del aire a la salida del dispositivo suele estar comprendida entre 4 y 8 bar.

Refrigerador: a la salida del compresor el aire tiene una temperatura elevada, ya que en el proceso de compresión el fluido se ha calentado. El refrigerador es un intercambiador de calor constituido por un tubo enrollado o doblado en zigzag llamado serpentín, en el interior del cual circula el líquido refrigerante.

agua condensada

Refrigerador.

termómetro manómetro

Conjunto de producción de aire comprimido

válvula limitadora de presión

Acumulador.

El contacto del aire comprimido caliente con el líquido refrigerante hace posible el enfriamiento del aire a una temperatura próxima a los 25 °C (temperatura ambiente).

Acumulador: es un dispositivo que almacena el aire comprimido para hacer frente a la demanda en los momentos de máximo consumo. Los acumuladores mantienen estable la presión del circuito y descargan de trabajo a los motores que forman parte de los compresores. Además, incorporan una serie de accesorios de protección y control, como, por ejemplo, el manómetro, el termómetro, la válvula de seguridad o limitadora de presión, etc.

actividades 12 Si la presión del aire de salida del compresor suele estar comprendida entre 4 y 8 bar, ¿qué ganancia proporciona?

(Dato: la presión a nivel del mar equivale a 1 atm).

nn

13 ¿Qué función realizan el termómetro, el manómetro y la válvula de seguridad del acumulador de aire comprimido?

nn n

108

14 Señala el compresor, el refrigerador y el acumulador en este equipo compresor de aire.

nn

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 109

5. Neumática e hidráulica

Conjunto de acondicionamiento del aire comprimido El aire procedente del conjunto de producción debe recibir una serie de tratamientos antes de ser distribuido al circuito neumático. Los tratamientos más habituales son la filtración, la regulación y la lubrificación, acciones realizadas por la unidad de mantenimiento.

Filtración: el aire se somete a un proceso de centrifugación para eliminar impurezas, como polvo, vapor de agua, etc.

Regulación: asegura una presión constante del aire comprimido a la salida. La presión se ajusta a un valor seleccionado que queda reflejado en el manómetro.

Lubricación: se añade aceite nebulizado al aire comprimido para engrasar las partes móviles del circuito neumático. De esta forma disminuye la fricción de las piezas deslizantes y se evita su oxidación.

Filtro

Unidad de mantenimiento.

Lubrificador

Regulador

Representación esquemática del grupo compresor Conjunto de producción de aire comprimido

Conjunto de acondicionamiento

Aire atmosférico

Filtro previo

Compresor

Refrigerador

Acumulador

Filtro

Regulador

Lubrificador

Distribución del aire comprimido El aire comprimido se canaliza desde el grupo compresor hasta los puntos de consumo por una red de tuberías. Las tuberías suelen ser de acero o cobre y están diseñadas para soportar altas presiones. La red de distribución se debe instalar de manera que se forme una pendiente del 2 o 3% en el sentido de circulación del aire comprimido.

actividades 15 ¿Por qué crees que a la unidad de mantenimiento también la llama conjunto FRL? ¿Para qué sirve?

nn

16

Averigua por qué la red de distribución de aire comprimido debe tener una pequeña pendiente.

109

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 110

5. Neumática e hidráulica

6. Los elementos de regulación y control de los circuitos neumático e hidráulico En los circuitos neumático e hidráulico es necesario regular el paso, la dirección, el sentido y la presión del fluido. Todas estas funciones de regulación y control las efectúan unos elementos llamados válvulas. En función de las acciones que realizan, se clasifican en:

2

1 Válvula 2/2

Válvulas distribuidoras o de control direccional

2

1

Son los elementos encargados de controlar el paso y el sentido del fluido por los distintos componentes del circuito. Este tipo de válvulas se identifican por dos cifras que quedan determinadas por los parámetros siguientes: el número de orificios o vías de que dispone la válvula para hacer circular el fluido y el número de posiciones de trabajo de la válvula. Así, una válvula distribuidora 4/2 es una válvula de 4 vías y 2 posiciones de trabajo o conmutación.

3

Válvula 3/2 4

2

1

3

Válvula 4/2 4

2

5 1 3

Válvula 5/2

La numeración siempre empieza por la entrada de fluido comprimido (1). Los números pares corresponden a salidas de trabajo (2, 4, 6…) y los números impares siempre corresponden a salidas de escape de aire (3, 5, 7…).

En la posición de reposo, las vías se numeran de acuerdo con su función. Si el orificio de entrada del fluido (1) está bloqueado, la válvula recibe el nombre de normalmente cerrada (NC). En cambio, si el orificio 1 está abierto, la válvula se conoce como normalmente abierta (NA).

Tipo de accionamiento. Indica el modo de accionamiento y de retorno de la válvula. Existen múltiples accionamientos para controlar una válvula, como, por ejemplo, el pulsador, el pedal, el rodillo, etc.

con pulsador

con pedal

con rodillo

por presión

con cebador

eJempLo: análisis de una válvula distribuidora 3/2 NC

Número de vías: 3.

Número de posiciones de trabajo: 2.

Tipo de accionamiento: controlada por pulsador y retorno por muelle.

Estado de reposo: normalmente cerrada (el fluido a presión tiene la entrada bloqueada).

2

1

110

3

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 111

5. Neumática e hidráulica

Válvulas de control, regulación y bloqueo Son los elementos encargados de gestionar el caudal, la presión y la velocidad de los componentes del circuito. También gestionan la salida del fluido en función de las condiciones de entrada.

• Válvulas unidireccionales. Permiten el flujo del fluido en un único sentido y evitan su paso en sentido contrario. Se conocen con el nombre de válvulas antirretorno.

• Válvulas reguladoras de caudal. Permiten regular la velocidad de los actuadores (normalmente, cilindros). La velocidad se gestiona mediante la regulación del caudal de alimentación (se estrangula el paso del fluido).

Tornillo de regulación

P1

Válvula reguladora de caudal.

• Válvulas selectoras de circuito. Permiten el paso del fluido hacia la salida siempre que haya señal en alguna de las dos entradas. Cumplen la función lógica OR de dos entradas. Este tipo de válvula es adecuada para hacer funcionar una máquina desde dos puntos distintos.

• Válvulas de simultaneidad. Permiten el paso del fluido hacia la salida siempre que haya señal en las dos entradas simultáneamente. Cumplen la función lógica AND de dos entradas. Este tipo de válvula es adecuada como sistema de seguridad, para asegurar que las dos manos del trabajador están ocupadas accionándola y, por tanto, lejos de otros peligros.

P2

S

P1

P2

Válvula selectora de circuito.

Válvulas de control, regulación y bloqueo Unidireccional Antirretorno

no circula fluido

Reguladora de caudal Bidireccional

Unidireccional

Selectora de circuito

De simultaneidad

Función OR

Función AND

regula el caudal

actividades 17 ¿Cómo se pueden clasificar las válvulas según su n función? Haz un breve resumen.

18 Dibuja el esquema de una válvula 2/2 NA. ¿Qué signin fican las siglas NA? 19 ¿Qué función lógica realizan las válvulas selectoras de circuito y las válvulas selectoras de simultaneidad?

nn

20 Escribe las características más importantes de las válvulas que observas en el circuito de la derecha.

nn

111

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 112

5. Neumática e hidráulica

7. Los actuadores de los circuitos neumático e hidráulico En los circuitos neumático e hidráulico, los actuadores son los elementos finales encargados de transformar la energía del aire comprimido o del líquido a presión en energía mecánica, que se utiliza para el accionamiento de máquinas y mecanismos.

En función del tipo de movimiento que realizan, los actuadores se pueden clasificar en cilindros, motores y actuadores de giro.

Los cilindros Bomba de aire del siglo xVIII. Funciona haciendo girar la manivela. Mientras uno de los cilindros extrae el aire del recipiente colocado en la bandeja, el otro lo expulsa. Después se produce el movimiento contrario.

Son unos elementos que están constituidos por un tubo de sección circular cerrado por sus extremos. En el interior del tubo se desliza un émbolo (pistón) solidario con una varilla, que separa el cilindro en dos cámaras. La entrada y la salida del aire comprimido o el líquido a presión se canalizan a través de una o dos aberturas.

Los cilindros se clasifican según el modo de funcionamiento en: Cilindros de simple efecto: estos actuadores disponen de una sola abertura para la entrada y la salida del fluido a presión; por tanto, solo efectúan trabajo en el sentido de avance. El retorno se consigue por medio de un muelle o de una fuerza externa. Se utilizan para sujetar, expulsar, apretar o levantar piezas y en los sistemas de freno de los autobuses, trenes, etc.

muelle

orificio de escape

orificio de entrada

pistón

cilindro de simple efecto

Cilindros de doble efecto: estos actuadores disponen de dos aberturas para la entrada y la salida del fluido a presión; por tanto, realizan trabajo tanto en el sentido de avance como en el de retroceso. Se utilizan para sujetar, expulsar, apretar o levantar piezas y en los sistemas de apertura y cierre de puertas de los autobuses, trenes... orificio de salida

orificio de entrada

pistón

112

cilindro de doble efecto

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 113

5. Neumática e hidráulica

Accionamiento de cilindros Los cilindros de los circuitos neumático e hidráulico se accionan mediante válvulas distribuidoras. A continuación se exponen algunos ejemplos.

Accionamiento directo de cilindros de simple efecto: los cilindros de simple efecto se accionan mediante válvulas distribuidoras 3/2. En el estado de reposo, la abertura de entrada del fluido a presión permanece cerrada (1). Al accionar el pulsador, la válvula conmuta su estado y el fluido a presión se canaliza a través de la válvula (1-2).

El fluido entra en la cámara del cilindro, donde empuja el émbolo en el sentido de avance. La válvula retorna al estado de reposo mediante el muelle y este vuelve a conmutar su estado. En el retorno del cilindro por acción del muelle, el fluido abandona la cámara (2) y se canaliza al exterior de la válvula (3).

2

2

1

Algunas de las aplicaciones donde solo interviene un único cilindro de simple o doble efecto son: prensar una pieza, cortar un material, levantar un peso, abrir una puerta, etc.

3

1

3

Estado de reposo.

Estado de trabajo.

Accionamiento directo de cilindros de doble efecto: los cilindros de doble efecto se accionan mediante válvulas distribuidoras 4/2 o 5/2. Al accionar el pulsador, la válvula conmuta su estado y el fluido a presión se canaliza a través de la válvula (1-4). El fluido entra en la cámara izquierda del cilindro, donde empuja el émbolo en el sentido de avance. La válvula retorna al estado de reposo mediante el muelle y este vuelve a conmutar el estado. En este momento, el fluido a presión se canaliza a través de la válvula (1-2) y entra en la cámara derecha del cilindro, donde empuja el émbolo en el movimiento de retroceso. El fluido existente en la cámara izquierda abandona el cilindro en dirección a la válvula (4-3).

2

4

1

1

3

Estado de reposo.

2

4

3

Estado de trabajo.

actividades 21 Dibuja un cilindro de doble efecto y señala en este n todos los elementos importantes.

22 En los cilindros de doble efecto, ¿dónde crees que se realiza más fuerza, en el movimiento de avance o en el de retroceso?

23 Dibuja el esquema de accionamiento directo del cilindro de doble efecto por medio de una válvula 5/2.

Explica su funcionamiento.

nn

nn n

113

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 114

5. Neumática e hidráulica

8. aplicaciones de los circuitos neumático e hidráulico Accionamiento indirecto de un cilindro de simple efecto En ciertas ocasiones no existe la posibilidad de controlar un cilindro directamente, ya que las válvulas de accionamiento no se pueden colocar cerca de este. La solución es situar otra válvula que se encargue de recibir la información del resto. eJempLo: estampadora

Elemento de trabajo: cilindro de simple efecto (1.0). Órgano de gobierno: válvula distribuidora 3/2 con accionamiento por presión y retorno por muelle (1.1).

Captador de información: válvula distribuidora 3/2 con accionamiento por pulsador y retorno por muelle (1.2).

1.0

1.1

El operario presiona el pulsador de la válvula 1.2. El fluido a presión se canaliza a través de esta válvula y acciona la válvula 1.1, que al recibir la información conmuta su estado y conduce el fluido a presión hacia la cámara del cilindro 1.0.

En este momento, la presión del fluido empuja el émbolo en el movimiento de avance y la estampadora realiza su tarea.

1.2

Accionamiento desde distintos puntos En momentos puntuales se hace necesario poder accionar un cilindro desde distintos puntos. Por ejemplo, en el sistema de apertura de puertas de un autobús, el chófer es el encargado de accionar el sistema de apertura desde su asiento. Normalmente existe la posibilidad de accionar la apertura por medio de un sistema de emergencia.

En este caso, el control del cilindro desde dos puntos es de gran utilidad. eJempLo: sistema de apertura de puertas

1.0

Elemento de trabajo: cilindro de simple efecto (1.0). Órgano de gobierno: válvula selectora de circuito (1.1).

Captador de información: válvula distribuidora 3/2 con accionamiento por pulsador y retorno por muelle (1.2) y válvula distribuidora 3/2 con accionamiento por pedal y retorno por muelle (1.3).

1.1

1.2

114

1.3

El chófer del autobús presiona el pedal de la válvula 1.3. El fluido a presión se canaliza a través de esta válvula y acciona la válvula selectora de circuito 1.1, que conduce el fluido a presión hasta la cámara izquierda del cilindro 1.0. En este momento, la presión del fluido empuja el émbolo en el movimiento de avance y las puertas del autobús se abren. En caso de emergencia se puede accionar el pulsador de la válvula 1.2. El proceso de apertura sigue las mismas pautas que en el caso de accionamiento por pedal.

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 115

5. Neumática e hidráulica

Aplicación completa Las aplicaciones más complejas son las que están constituidas por válvulas captadoras de información, por cilindros de simple o doble efecto, por válvulas que se encargan de gobernar el sistema y por válvulas que regulan algún parámetro, como, por ejemplo, el caudal o la presión. eJempLo: pasaje del terror 1.0 1.3

1.01

1.1

1.2

Elemento de trabajo: cilindro de doble efecto 1.0. Órgano de regulación: válvula reguladora de caudal (1.01). Órgano de gobierno: válvula distribuidora 5/2 con accionamiento por presión (1.1).

Captador de información: válvula distribuidora 3/2 con accionamiento por pedal y retorno por muelle (1.2) y válvula distribuidora 3/2 con accionamiento por rodillo y retorno por muelle.

El usuario sube a una vagoneta del pasaje del terror. Al pasar por cierto punto del circuito, las ruedas del tren presionan el pedal de la válvula 1.2. El fluido a presión se canaliza a través de esta válvula y acciona la válvula 1.1, que, al recibir la información, conmuta su estado y conduce el fluido a presión hacia la cámara izquierda del cilindro 1.0. En este momento, la presión del fluido empuja el émbolo en el movimiento de avance y provoca la salida de Freddy Krueger.

Al final del movimiento de avance, la varilla del cilindro 1.0 acciona la válvula 1.3. El fluido a presión se canaliza a través de esta válvula y controla la válvula 1.1, que, al recibir la información, vuelve a conmutar su estado y conduce el fluido a presión hacia la cámara derecha del cilindro 1.0. En este momento, la presión del fluido empuja el émbolo en el movimiento de retroceso y provoca la salida del fluido existente de la cámara izquierda, que abandona el cilindro 1.0 en dirección a la válvula 1.1. En su recorrido, el fluido pasa por una válvula reguladora de caudal 1.01, que provoca la desaparición de Freddy Krueger de forma progresiva.

actividades 24 Realiza el esquema del accionamiento indirecto de n un cilindro de doble efecto. Recuerda que en esta situación el cilindro realiza trabajo tanto en el movimiento de avance como en el de retroceso.

27 Explica el funcionamiento del esquema de la figura de debajo. Dibuja otro esquema similar que realice la misma función utilizando una válvula de simultaneidad.

nn

25 Dibuja el esquema de un sistema de accionamiento n desde cuatro puntos distintos. ¿Cuántas válvulas selectoras has utilizado?

26 En el ejemplo de aplicación completa del texto, ¿qué función realiza la válvula con accionamiento por rodillo? ¿Qué pasaría si esta válvula se suprimiera del esquema?

nn

115

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 116

5. Neumática e hidráulica

actividades 28 El uso del aire comprimido como fuente de energía n ¿es una técnica de uso reciente? ¿En qué siglo se utilizó el aire comprimido para automatizar los procesos de producción?

42 Calcula la fuerza que se debe ejercer en el cilindro del émbolo pequeño para elevar un coche de 6 500 N.

nn

F1

F2

29 ¿Qué se entiende por neumática? n

30 Escribe dos ventajas y dos inconvenientes del uso n del aire comprimido en las aplicaciones industriales.

S1

31 Enumera unas cuantas aplicaciones (industriales y no industriales) donde se utilice la neumática.

P

nn

P

32 ¿Qué sociedad fue pionera en intentar controlar la n energía del flujo de agua?

33 ¿Qué matemático francés da nombre al principio n que rige la prensa hidráulica?

34 ¿Qué se entiende por hidráulica?

S2

S1 = 40 cm2

S2 = 200 cm2

43 ¿Qué conjunto está representado en el esquema de la figura? Haz un breve resumen de los cuatro elementos representados.

nn

n

35 Escribe dos ventajas y dos inconvenientes del uso n del fluido a presión en las aplicaciones industriales.

36 Enumera unas cuantas aplicaciones (industriales y no industriales) donde se utilice la hidráulica.

nn

37 ¿Qué dos magnitudes caracterizan los sistemas n donde intervienen los fluidos? Defínelas e indica en estas las unidades de medida.

38 ¿Para qué sirven el manómetro y el caudalímetro? n

39 La fuerza ejercida por el émbolo de un cilindro de simple efecto en el movimiento de avance es de 2 000 N. Determina a cuántos bares de presión está sometido el fluido si se sabe que la superficie del émbolo es de 40 cm2.

44 Los compresores más utilizados en la industria son los compresores de émbolo. Explica su funcionamiento.

nn

45 ¿Qué función realizan las válvulas? Dibuja el esn quema de una válvula distribuidora 3/2 NC con accionamiento por pedal y retorno por muelle y el de una válvula de simultaneidad.

nn

F = 2 000 N y S = 40 cm2

40 ¿Qué cuatro elementos forman parte de un sistema n hidráulico? Haz un breve resumen de cada uno.

41 ¿Qué funciones realiza el grupo compresor de un nn circuito neumático?

116

46 ¿Cómo se llaman los elementos encargados de n transformar la energía contenida en el fluido en nergía mecánica?

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:19 Página 117

5. Neumática e hidráulica

construye tus competencias 47 Imagínate que estás trabajando en una empresa y a) ¿Qué cilindro utilizarás, de simple efecto o de doble efecto? ¿Por qué? tu jefe te encarga el diseño de un sistema de apertura y cierre de una barrera levadiza de un garaje. b) ¿El accionamiento será directo o indirecto? ¿Por qué? ¿Qué válvula distribuidora utilizarás para gobernar En la reunión con los propietarios del garaje, te el cilindro anterior? muestran un croquis del proyecto y te explican el modo de funcionamiento de la barrera levadiza.

Utiliza válvulas 3/2 para accionar la válvula que goAl llegar al estacionamiento, el automóvil frenará y bierne el circuito neumático. se situará cerca de la barrera. Esta barrera se elevará de manera progresiva cuando el coche pise un pedal c) ¿Cuántas válvulas 3/2 necesitas para realizar el mosituado en el suelo y, además, el usuario del coche previmiento de apertura de la barrera? ¿Qué accionasione el pulsador ubicado en el exterior de la garita. miento utilizarás para cada una de las válvulas? ¿Qué válvula de control emplearás para gestionarlas?

La barrera volverá a su posición inicial horizontal una vez esta haya llegado a su punto más alto, donde habrá d) ¿Cuántas válvulas 3/2 pueden realizar el movimiento de cierre de la barrera? ¿Qué accionamiento utilizaun dispositivo que captará esta información. Si en rás para cada una de las válvulas? ¿Qué válvula de algún momento la barrera se estropea, existe la posicontrol usarás para gestionarlas? bilidad de retornarla a su posición mediante un pulsador de seguridad ubicado en el interior de la garita e) ¿Qué válvula de control utilizarás para gestionar la velocidad del cilindro en el movimiento de apertura y del vigilante. En ambas situaciones, la barrera retorcierre de la barrera? nará a su posición horizontal de forma progresiva. f) Con esta información ya puedes dibujar el esquema Para realizar el esquema neumático del sistema, conneumático. testa las siguientes preguntas, que te servirán de guía.

pulsador exterior para activar la barrera

pulsador o de seguridad situado o en el interior de e la l garita

plano de la instalación

pedal de detección del vehículo

sensor dispositivo que capta la situación de la barrera

117

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:20 Página 118

5. Neumática e hidráulica

aCtiViDaDes pRáCtiCas

La fuente de Herón La fuente de Herón es un dispositivo neumático inventado por el famoso matemático y científico de Alejandría, en el que la presión del aire produce y mantiene un chorro de agua vertical. Físicamente se basa en el principio de Pascal, según el cual cualquier presión ejercida sobre un fluido cerrado y en reposo se transmite en todas las direcciones sin pérdidas.

6. Llena de agua hasta la mitad las botellas 2 y 3.

7. Pega con pegamento todo el montaje procurando que no queden poros.

8. Añade el tinte o colorante en un recipiente con agua y vierte esta agua lentamente en el extremo inferior de la botella 1.

botella 1

una pajita

una pajita botella 2

Materiales y herramientas • • • •

Tres botellas de agua mineral de 330 ml.

Cuatro pajitas, dos del mismo color.

Pegamento impermeable.

Unas gotas de tinte de la ropa, tinta de bolígrafo o colorante alimentario.

• Taladro y broca de 8 ø mm.

• Tijeras.

• Pieza de madera de cualquier medida (para apoyar el taladro).

Procedimiento 1. Corta en dos mitades una de las botellas.

2. Realiza dos agujeros iguales y a la misma distancia en cada uno de los tres tapones con el taladro. Puedes utilizar el primer tapón agujereado como modelo para los otros. Usa la madera para apoyar los tapones.

botella 3

dos pajitas encajadas

Resultado Cumpliendo el principio de Pascal, cuando vertemos agua en el extremo inferior de la botella 1, esta baja hacia la botella 2. La presión ejercida en el agua de la botella 2 se transmite al aire de la misma, y de esta al aire y, después, al agua de la botella 3 provocando el flujo de agua vertical hacia el extremo inferior de la botella 1.

3. Haz dos agujeros iguales y a la misma distancia en el extremo inferior de una de las dos botellas. Utiliza uno de los tapones agujereados como modelo.

4. Encaja las dos pajitas del mismo color.

5. Monta las pajitas siguiendo el esquema que te proponemos.

118

Más ideas En lugar de pajitas puedes utilizar tres fragmentos de tubo flexible de los que se usan en los acuarios, dos iguales y uno del doble de la medida de los otros. Si se emplean estos fragmentos de tubo, no es necesario que las tres botellas estén conectadas en vertical, lo pueden estar de forma lateral.

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:20 Página 119

5. Neumática e hidráulica

bomba de agua con dos jeringas Una bomba es un aparato que sirve para extraer, elevar o impulsar fluidos, tanto si son líquidos como gases, de un lugar a otro. Las bombas industriales tienen un motor eléctrico de combustión que realiza el trabajo. Ahora bien, también son bombas las de mano o de pie para hinchar las ruedas de las bicicletas, las peras de goma de los laboratorios que se utilizan para succionar líquidos de recipientes, etc. En esta actividad práctica, te proponemos que fabriques una bomba casera para extraer líquido de un recipiente con materiales y aparatos sencillos.

5. Engancha con pegamento instantáneo la goma agujereada del pistón grande con la boca de la jeringa pequeña. La boca de la jeringa pequeña debe quedar insertada en la goma. Tienes que ver el agujero.

6. Realiza un agujero lateral en el extremo opuesto de la punta del cilindro de la jeringa pequeña.

Materiales • • • • • •

Una jeringa de 6 ml.

Una jeringa de 2,5 ml.

2 bolas metálicas (deben caber en la jeringa pequeña).

Pegamento instantáneo.

Tijeras.

Recipiente con agua.

7. Pon la segunda bola de metal en la jeringa grande.

8. Inserta la jeringa pequeña dentro de la grande.

9. Succiona agua con el mecanismo montado, enseguida verás que la bomba actúa.

Procedimiento 1. Desmonta las dos jeringas y saca la goma del extremo del pistón.

2. Pon una de las bolas de metal en la jeringa pequeña.

3. Tapa el extremo ancho de la jeringa pequeña con la goma del pistón que le corresponde.

4. Haz un agujero con las tijeras a la goma del pistón de

Cuestiones ¿Qué función realizan las bolas? ¿Qué pasaría si no estuvieran? ¿Te parece que el invento funcionaría igual con aire? ¿Por qué?

la jeringa grande.

Más ideas Puedes pensar en otros tipos de bombas fabricadas con objetos caseros. Para hacerlo, debes tener en cuenta dos cuestiones: la primera, que la bomba debe de tener una salida a la misma superficie del pistón o a la camisa de la bomba; y la segunda, que en cualquier caso debes colocar una válvula que deje circular el fluido en un solo sentido.

119

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:20 Página 120

5. Neumática e hidráulica

pasaDo, pReseNte Y FUtURo

CLepsiDRa, eL ReLoJ HiDRáULiCo Uno de los relojes más antiguos de los que se tiene referencia es la clepsidra, palabra que viene del griego (klepto, «robar, esconder» e hydro, «agua»), presente ya en la época de los babilonios y egipcios, hace unos 3500 años. Las primeras clepsidras consistían en un recipiente de barro que contenía agua hasta cierto nivel, con un orificio en la base de la medida adecuada para que el agua fuera cayendo al ritmo deseado. El agua se recogía con otro recipiente que tenía unas marcas en el interior para medir el nivel del líquido, que equivalía a un determinado

lapso de tiempo. Debido a la sencillez de este mecanismo de medida del tiempo, su uso se extendió por muchas culturas.

El griego Ctesibio de Alejandría ideó una clepsidra hidráulica en la que el agua pasaba de un recipiente a otro con un sistema de tubos y sifones. Un puntero que flotaba en uno de los recipientes marcaba la hora sobre un tambor giratorio conectado a un sistema de engranajes. Las marcas horarias tenían una separación distinta en función de la variación horaria estacional. A las doce de la noche de cada día, el depósito con el marcador quedaba vacío y una rueda giraba para colocar el puntero en la posición correcta para volver a empezar.

Los relojes hidráulicos se utilizaron para conocer y limitar el tiempo en multitud de acciones, como, por ejemplo, para acotar los discursos de los pensadores y políticos griegos, el tiempo que los abogados romanos tenían ante los tribunales, etc. A diferencia de los relojes de sol, los de agua podían funcionar tanto de día como de noche, razón por la cual los acabaron sustituyendo, hasta que en

saCaCoRCHos NeUmátiCos Sacar el tapón de una botella de vino es una acción que requiere un buen sacacorchos. Los más comunes y usuales son los de tirabuzón. Existen distintos modelos de sacacorchos de tirabuzón, pero todos se basan en el efecto palanca. A medida que se hace girar el sacacorchos, un tornillo va penetrando en el corcho a una determinada profundidad a partir de la cual, haciendo palanca con el abridor, el tapón sale.

Pero existe un sacacorchos de diseño que saca los tapones de las botellas de vino aplicando la neumática. La estructura básica es una aguja muy fina, vacía por dentro, que comunica con un émbolo que el usuario acciona. El funcionamiento es el siguiente: se perfora completamente el tapón de la botella con la aguja del saca-

120

corchos y se empieza a bombear aire con un pequeño brazo que comunica con el émbolo, igual que si estuviéramos hinchando la rueda de una bicicleta. A medida que la presión se incrementa entre la base interior del tapón y la superficie del vino, el tapón empieza a salir despacio.

Después de unos cuantos bombeos, el tapón sale al exterior, seguido de un «¡plop!», que indica que el aire a presión ha salido disparado hacia fuera de la botella, donde la presión es menor. ¿Cómo funciona el sacacorchos del que habla el texto? ¿Crees que el hecho de introducir aire a presión en el vino puede afectarlo? ¿En qué?

el siglo xVII Christiaan Huygens aplicó el péndulo a la medida del tiempo y se crearon los relojes modernos. ¿Crees que las clepsidras de barro eran muy exactas? ¿Por qué?

Piensa y propón otras maneras de medir el tiempo.

098-121_TECNO_U05_04_ESP.qxd:Maquetación 1 20/02/12 18:20 Página 121

5. Neumática e hidráulica

VeHÍCULos De aiRe CompRimiDo ¿Te imaginas un coche que por el tubo de escape solo expulsara aire lo bastante limpio para que pudiésemos acercar la nariz y respirar aire muy puro? Sería una solución a los graves problemas de contaminación atmosférica de las ciudades causada por los actuales motores de explosión, que emiten gases y partículas contaminantes.

Desde que en el año 1993 Guy Nègre tuvo la idea de diseñar un motor que funcionara con aire comprimido, se han desarrollado varios prototipos hasta el día de hoy. El principio del motor de aire comprimido es bastante sencillo. Actúa descargando la energía del aire, previamente comprimido a alta presión en unos depósitos debajo del chasis del vehículo, con un sistema de pistones que transmite esta energía a unos engranajes que hacen mover el vehículo.

La alta presión del aire en el interior del depósito hace aumentar la temperatura de este hasta los 400 °C. Pero la rápida y brusca expansión de este hace que la temperatura del aire a la salida del tubo de escape disminuya a valores de entre los 0 °C y los –20°C. De hecho, la climatización del vehículo utiliza el aire frío de la salida del tubo de escape como aire acondicionado

en verano y el calor del depósito como calefacción en invierno.

El aire de salida al exterior es más limpio que el de entrada, ya que en el compresor se encuentran unos filtros de carbón activo que lo limpian antes de ser almacenado a alta presión. De esta forma, pues, los vehículos de aire comprimido purificarían y refrescarían el aire de nuestras ciudades.

Algunos de los prototipos construidos hasta el momento han sido exitosos. El proceso de compresión y carga de 90 m3 de aire a 300 bar (aproximadamente, 300 veces la presión atmosférica) es de unas 4 h, con un coste cercano a los 2 €. La autonomía de algunos de estos prototipos es de 200 km a una velocidad urbana de 45 km/h y de unos 70 km si la velocidad se incrementa a 110 km/h.

Para grandes trayectos, la empresa MDI ha desarrollado un vehículo híbrido airegasolina, el RoadCAT’s, con una autonomía de 2 000 km con una carga de combustible de 100 m3 de aire comprimido y solo 50 L de gasolina.

El MultiCAT’s es otro prototipo para el transporte de un gran número de personas, una especie de tren con ruedas neumáticas mo-

vido por aire comprimido. Permite transportar 135 personas a un coste de 2,5 € cada 100 km, un precio muy reducido si se compara con el de los transportes públicos actuales.

Hasta ahora, el principal obstáculo para el desarrollo de estos motores ha sido el depósito de alta presión, ya que en caso de accidente puede provocar explosiones violentas en el vehículo. Parece ser que esto pronto tendrá solución con el uso de un nuevo material para la fabricación del depósito resistente a altas presiones y que en caso de accidente se agrietaría y dejaría escapar de forma controlada el aire almacenado, sin que se produjeran explosiones peligrosas. ¿Por qué razón, al comprimir el aire, se alcanza una temperatura tan elevada? ¿Y por qué a la salida es mucho más baja?

(Piensa en la ley de los gases ideales). ¿Cómo funciona el motor de aire comprimido?

Puede parecer que 400 °C es una temperatura muy elevada. Compárala con la temperatura que se alcanza en el interior de un motor de explosión.

121