Desde los albores de la civilización, los seres humanos han reconocido y aprovechado el poder del agua para realizar trabajos y tareas. En tiempos primitivos, antes del desarrollo de tecnologías modernas, las aplicaciones de la hidráulica eran fundamentales para la supervivencia y el progreso de las sociedades.
En las antiguas civilizaciones como Egipto, Mesopotamia, Grecia y Roma, se empleaban sistemas hidráulicos rudimentarios para la irrigación de campos agrícolas, el suministro de agua potable a las poblaciones y la operación de molinos para la molienda de granos. Estos sistemas utilizaban la presión y el flujo del agua para realizar tareas que de otro modo serían agotadoras o ineficientes.
Uno de los ejemplos más icónicos de la aplicación de la hidráulica en tiempos antiguos es el sistema de acueductos romanos, que transportaba agua a través de largas distancias para abastecer a las ciudades y brindar soluciones sanitarias avanzadas para su época.
A medida que avanzamos en este curso, veremos cómo la comprensión y el dominio de los principios hidráulicos se han expandido y evolucionado a lo largo de los siglos, sentando las bases para la tecnología moderna de sistemas oleohidráulicos que impulsan muchas de las aplicaciones industriales actuales.
La oleohidráulica es una rama de la tecnología que se ocupa de la transmisión y control de energía mediante el uso de fluidos incompresibles, como el aceite, para generar movimiento y realizar trabajo. Combina los principios de la hidráulica (uso de fluidos para transmitir energía) y la mecánica (movimiento y fuerza de los componentes mecánicos) para crear sistemas que permiten la operación eficiente de maquinaria y equipos en una amplia gama de industrias.
En la hidráulica el fluido (generalmente aceite hidráulico) es utilizado como medio para transmitir a través de sus conductos la energía generada por una tecnología mecánica (bomba hidráulica). Esta energía es gestionada a través de válvulas y, finalmente, la energía hidráulica es aprovechada por un elemento mecánico para mover la máquina (cilindro hidráulico)
El principio de Pascal se refiere al principio físico enunciado por el matemático, físico y filósofo Blaise Pascal en el siglo XVII. Este principio establece que un cambio en la presión aplicado a un fluido confinado se transmite de manera uniforme en todas las direcciones.
Esto significa que si se aplica presión a un punto de un fluido confinado, esa presión se transmitirá sin pérdida significativa a todas las partes del fluido ejerciendo fuerzas iguales sobre áreas iguales normalmente en las paredes del contenedor.
De esta forma, si una pequeña fuerza actuando sobre un área pequeña, crea una fuerza proporcionalmente más grande sobre un área mayor, el único límite a la fuerza que puede ejercer una máquina es el área a la cual se aplica la presión.
«Un cambio en la presión aplicado a un fluido confinado se transmite de manera uniforme en todas las direcciones»
La siguiente figura muestra cómo se aplica el principio de Pascal a la prensa hidráulica; un recipiente cerrado con fluido y dos pistones de diferentes tamaños. Si al pistón pequeño, de 1cm², se le aplica una fuerza de 1kp tendremos una presión homogénea transmitida por el fluido de 1 kp/cm² que acabará empujando todas las paredes del recipiente.
Ahora bien, si se coloca un segundo pistón en una de las paredes del recipiente tendremos que este pistón también será empujado con una fuerza de 1kp/cm². Sin embargo, este segundo pistón tiene un área de 10cm², por lo que podrá soportar un peso de 10kp
Puede verse fácilmente que las fuerzas o pesos que equilibran este aparato son proporcionales a las áreas de los pistones. Así pues, si el área del pistón de salida es de 200cm², la fuerza de salida será de 200kp (suponiendo el mismo empuje de 1kp sobre cada cm²). Este es el principio del funcionamiento del gato y de la prensa hidráulica.
La ley de la conservación de la energía establece que la energía no puede crearse ni destruirse, solo puede cambiar de forma. En los sistemas oleohidráulicos, la energía mecánica se convierte en energía hidráulica en la bomba y, luego, se transmite a través del fluido a los actuadores. Esta energía se convierte nuevamente en energía mecánica en los actuadores, realizando trabajo.
Por lo tanto, si la energía ni se crea ni se destruye, ¿cómo es posible aumentar la capacidad de elevación en un recipiente cerrado solo aumentando la superficie del pistón receptor? ¿Cómo es posible que gastando 1kp de fuerza obtengamos 10kp?
La respuesta es sencilla; perdiendo energía en forma de Energía Cinética y Energía Potencial.
La energía cinética es una forma de energía asociada al movimiento de un objeto. Cuando un objeto se mueve, tiene energía cinética debido a su velocidad y masa.
En el caso de un sistema hidráulico, la perdida de energía cinética viene dada por la pérdida de velocidad del pistón receptor; pues la velocidad de los pistones está asociada al caudal del fluido que los empuja. Así pues, la velocidad del pistón receptor es inversamente proporcional a superficie.
La energía potencial está relacionada con la altura y la gravedad. Cuanto más alto esté un objeto sobre la superficie de la Tierra, mayor será su energía potencial.
En el caso de un sistema hidráulico, la pérdida de energía potencial viene dada por la pérdida de la distancia de desplazamiento del pistón receptor; pues el desplazamiento de los pistones está asociado al volumen desplazado en cada cámara.
En la siguiente figura se explica la relación del volumen en cada una de las cámaras.
Los principios de la oleohidráulica, que nos ayudan a transmitir energía empujando un líquido confinado, se sustituyen en la hidráulica industrial por elementos diseñados para reproducir y aprovechar los efectos de la oleohidráulica
VER IMAGÉN ADJUNTA
El componente de entrada del sistema (equivalente al pistón 1) se llama bomba, el de salida (equivalente al pistón 2) se denomina actuador y el fluido se llama, como norma general, aceite hidráulico.
Los actuadores pueden ser lineales, como el cilindro mostrado o rotativos, como los motores hidráulicos
Los elementos principales en una instalación hidráulica son la bomba y el actuador.
El resto de elementos hidráulicos del sistema nos ayudan a gestionar el fluido, ofrecer un entorno de trabajo seguro y a proteger los elementos del sistema y máquina.
El sistema hidráulico no es una fuente de potencia. La fuente de potencia es el motor eléctrico u otro tipo de motor que acciona la bomba.
Potencia y Fuerza: son capaces de generar altas fuerzas y potencia en comparación con otros sistemas de transmisión de energía
Velocidad variable: puede moverse a velocidades infinitamente variables, variando el suministro de la bomba o usando una válvula de control de caudal
Transmisión a Distancia: Transmiten energía a través de tuberías largas y complejas.
Reversibilidad: Pocos accionadores primarios son reversibles. Generalmente deben decelerarse hasta una parada completa antes de invertirlos. Un actuador hidráulico puede invertirse, instantáneamente, en pleno movimiento.
Control Preciso: Los sistemas oleohidráulicos permiten un control preciso de la velocidad, dirección y posición de los actuadores.
Respuesta Rápida: Esto es crucial en situaciones en las que se necesita una acción rápida, como en sistemas de frenado y en maquinaria de alta velocidad
Adaptabilidad: Los sistemas oleohidráulicos son altamente adaptables y pueden ser diseñados para funcionar en una amplia variedad de condiciones.
Reversibilidad: Normalmente, los elementos que transmites potencia, deben decelerarse hasta una parada completa antes de invertirlos. Un actuador hidráulico puede invertirse, instantáneamente, en pleno movimiento.
Protección contra las sobrecargas: La válvula limitadora de presión de un sistema hidráulico lo protege contra las sobrecargas.
Pueden bloquearse: Un actuador hidráulico puede quedar bloqueado sin que se produzcan daños. Durante el bloqueo, la válvula de seguridad simplemente dirige el caudal de la bomba al depósito.
Maquinaria Industrial: Los sistemas oleohidráulicos se utilizan en prensas, máquinas de moldeo, equipos de corte y soldadura, y otras aplicaciones industriales por su fuerza y movimientos precisos.
Construcción y Minería: Grúas, excavadoras, cargadoras y otros equipos pesados en la construcción por su capacidad para manejar cargas pesadas y operar en condiciones difíciles.
Transporte: Por ejemplo en sistemas de frenado de vehículos pesados o en sistemas de dirección asistida.
Aeroespacial: En control de vuelo, trenes de aterrizaje retráctiles y actuadores de superficies.
Medicina: En dispositivos de asistencia para pacientes, como sillas de ruedas motorizadas y mesas de cirugía ajustables.
Energía: En compuertas y válvulas de control en presas hidroeléctricas y en equipos de mantenimiento en plantas nucleares.