Este artículo se publica con la intención de compartir una recopilación estudiantil que necesariamente está sujeta a correcciones ortográficas, gramaticales, de forma  y de contenido.  Por este motivo debe considerarse como material en proceso de elaboración, aún no terminado.


Funcionamiento de algunos aparatos hidráulicos


1.  LA FLOTACIÓN

Veremos a continuación cómo funcionan algunos aparatos cuyo principio básico es la flotación.

¿Por qué una pesada balsa de madera flota, mientras que un perno de acero se hunde?, y ¿por qué si un perno de acero se hunde un bote de acero flota?. La respuesta es la densidad. Este factor, más que el peso, es el que determina que las cosas se hundan o floten.

La densidad de un objeto es igual al peso dividido por su volumen. Todas las sustancias tienen su propia densidad. Cualquier objeto menos denso que el agua flota, mientras que los más densos se hunden. Sin embargo, un objeto cóncavo, tal como un bote, flota si su densidad global (su peso total dividido por su volumen total) es menor que la densidad del agua.

LOS SUMERGIBLES

Los sumergibles están diseñados para el uso a grandes profundidades. Necesitan ser capaces de hundirse y de flotar bajo el agua. Esto lo logran alterando su peso mediante un sistema de tanques de lastre que pueden contener agua o aire. Si los tanques de agua están llenos, el peso de la embarcación aumente. Si se expulsa el agua por medio de aire comprimido, el peso disminuye. Ajustando la cantidad de agua en los tanques, la flotación de la embarcación puede regularse con precisión.

Los sumergibles constan de: Un impulsor lateral que mueve el sumergible de lado a lado, un impulsor vertical, que realiza pequeños ajustes en la posición sobre la superficie marina, un propulsor principal, el cual dirige el sumergible hacia delante o hacia atrás. Como habíamos mencionado antes, de un tanque de lastre y por último del compartimiento para la tripulación que soporta las grandes presiones  y mantiene en el interior la presión atmosférica.

EL SUBMARINO

Funciona de manera bastante similar al sumergible, con la excepción de que es capaz de usar la fuerza motriz para controlar la profundidad. Los alerones situados a cada lado del submarino, llamados hidroplanos, giran para cambiar la dirección del curso del agua alrededor del casco. Esto eleva o hace descender la proa del submarino, de manera que éste puede sumergirse o emerger, por la fuerza de los propulsores. Como en el caso de los sumergibles, la flotación es controlada por tanques de lastre.

EL DIRIGIBLE

El dirigible posee una gran cubierta que crea un potente solevantamiento para elevar el considerable peso de la cabina, el motor, la hélice y los pasajeros. El interior de la cubierta contiene helio. Éste es un gas ligero que reduce el peso del dirigible, de manera que sea igual a la fuerza de solevantamiento, produciendo así una flotación neutral. Dentro de la envoltura hay compartimientos de aire llamados globos compensadores. Inyectando o expulsando el aire dentro de los globos compensadores, disminuye o aumenta el peso del dirigible y éste se eleva o desciende.

El dirigible también posee propulsores, llamados tubos de ventilador (hélices) que lo conducen e impulsan a través del aire, y que al girar ayudan en las maniobras de despegue o aterrizaje. Las aletas de cola y el timón pueden hacer que gire o que se incline mientras el dirigible flota en el aire. Así, el dirigible viaja de un lugar a otro como si fuera una combinación aérea del sumergible y el submarino.

GLOBO AEROSTÁTICO

La cubierta de un globo aerostático debe ser de gran tamaño, de manera que pueda desplazar una gran cantidad de aire creando así un solevantamiento suficiente para hacer flotar la canasta y sus ocupantes a través del aire. El globo funciona como una embarcación submarina, pero en situación inversa. Accionando los quemadores se calienta el aire del globo que se expande, y una porción se escapa. El peso total disminuye y el solevantamiento hace que el globo se eleve. Cuando el quemador se apaga, el aire del globo se enfría y se contrae. Esto permite la entrada de aire nuevo que aumenta el peso del globo y hace que descienda. Los descensos rápidos pueden lograrse abriendo una compuerta en la parte superior del globo. Esto desinfla parcialmente el globo, reduciendo así el solevantamiento. 

El globo aerostático no posee medios de propulsión y deriva por el viento. El encendido intermitente del quemador permite que el globo se mantenga a una altura constante.

 

 

2.  MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Las máquinas hidráulicas funcionan por la presión de los líquidos. Para ello utilizan un juego de dos o más cilindros conectados por tubos que contienen el fluido hidráulico. En cada uno de los cilindros hay un pistón. Para que la máquina funcione se aplica una fuerza a uno de los cilindros, llamado cilindro vertical, que eleva la presión del fluido a través de todo el sistema y los pistones de los cilindros restantes (llamados cilindros esclavos) se mueven hacia afuera, realizando una función útil. La fuerza que produce cada uno de los cilindros esclavos depende de su diámetro.

Las máquinas hidráulicas funcionan por los mismos principios que las palancas y engranajes, de modo que cuanto más ancho es el cilindro esclavo, tanto mayor es la fuerza que aplica y tanto menor la distancia que recorre.

FRENOS HIDRÁULICOS

Con excepción del freno de mano, que se acciona por medio de un cable, los carros utilizan sistema de frenos hidráulicos. El pedal del freno mueve el pistón del cilindro principal, elevando uniformemente la presión del líquido de frenos a través de todo el sistema. Entonces, la alta presión del líquido hace que los pistones de los cilindros de la rueda se desplacen con gran fuerza, accionando las pastillas de frenos o las zapatas. La fricción generada por este proceso hace que el vehículo disminuya su velocidad.

        SISTEMA DE PISTONES

ARIETE HIDRÁULICO

El sistema se basa en el fenómeno conocido en la hidráulica como golpe de ariete, el cual se observa cuando se interrumpe el flujo de agua cerrando bruscamente una tubería. La energía cinética, que trae el agua en movimiento, al ser detenida, origina un aumento brusco o golpe de presión.

Con el ariete hidráulico se producen continuamente estos golpes en un tubo que se alimenta con agua de una presa, de un río o cualquier desnivel, y se aprovechan los aumentos de presión para mandar una parte del agua que pasa por el tubo a una altura superior.

En el esquema se muestran los elementos esenciales para el funcionamiento del ariete hidráulico, que son:

–La presa, un río o cualquier otro medio que permite crear un desnivel en relación con el ariete (generalmente de 0,5 m como mínimo).

–El tubo de impulso. Según las reglas convencionales debe tener un largo entre 100 y 500 veces el diámetro del tubo, y un mínimo de 2 y hasta 7 veces la altura de la presa, según el tipo de ariete.

–La válvula de impulso (válvula 3) con su cámara, que según las mismas reglas, debe tener como mínimo el doble del diámetro del tubo de impulso.

–La válvula de retención (válvula 4), la cual generalmente es la mitad del diámetro de la válvula anterior, depende en primer lugar del caudal de bombeo y la frecuencia de los golpes.

–Encima de la válvula de retención se encuentra la cámara de aire (5) que debe tener un mínimo de 10 veces el volumen del agua que entra por golpe.

–Por último se observa el tubo de bombeo, generalmente de la mitad del diámetro del tubo de impulso, aunque es más lógico determinarlo según el caudal de bombeo, el largo del tubo y la potencia disponible.

Cuando se llena el sistema, la válvula de impulso se cierra por la presión de la carga inicial de la presa y el agua sube a través de la válvula de retención, que se abre por la misma presión, hasta el nivel de la presa por el principio de los vasos comunicantes.

Se abre la válvula de impulso manualmente y el agua en el tubo de impulso comienza a acelerarse hasta que tiene suficiente velocidad para cerrar esta válvula. En este momento ocurre el golpe de ariete que produce la apertura de la válvula de retención, permite la descarga de energía del agua en movimiento y la entrada de agua en la cámara de aire, y de ahí en el tubo de bombeo, donde sube el agua a un nivel superior.

Al cesar el empuje del agua en el tubo de impulso, se cierra la válvula 2 por la presión que tiene encima.

Al repetir algunas veces la apertura manual de la válvula de impulso, la presión en el tubo de bombeo sube tanto que la columna de agua del tubo de impulso sufre una resistencia para entrar en la cámara de aire, y comienza a actuar como un martillo que golpea una superficie dura.

Es decir, la columna en el tubo de impulso golpea y "rebota", o retrocede (por la flexibilidad de los materiales), lo que hace que se produzca un flujo inverso hacia la entrada del tubo de impulso.

En este momento el agua ejerce una succión en el interior del tubo de impulso, por lo cual se abre la válvula de impulso y se reinicia la aceleración de la columna hasta que se cierra la válvula de impulso de nuevo.

De esta forma continúa el funcionamiento automáticamente, de día y de noche.

El ariete hidráulico puede ser considerado como un motor hidráulico, y en su versión convencional funciona al mismo tiempo como bomba. Para un acercamiento fácil y práctico al cálculo general de este aparato, es más cómodo compararlo con un transformador eléctrico.

El transformador eléctrico recibe una tensión baja (en voltios) con una corriente eléctrica (en amperes) relativamente alta, y lo transforma en un régimen de mayor tensión y menor intensidad de corriente.

Algo similar ocurre a nivel hidráulico en una instalación con un ariete. El aparato recibe el gran caudal con la carga moderada o baja y lo transforma en un régimen de mayor presión con un menor caudal.

Leyenda:

 

1. Fuente de alimentación

2. Tubería de impulso

3. Válvula de impulso

4. Válvula de retención

5. Cámara de aire

6. Caja de válvulas

7. Tubería de descarga

8. Tanque de abastecimiento

MONTACARGAS HIDRÁULICO

El montacargas hidráulico de un taller mecánico, puede levantar con facilidad la pesada carga que representa un carro para su inspección. Pese a que solo tiene un pistón, éste funciona hidráulicamente. El aire es bombeado por medio de un compresor a un depósito de aceite, aumentando la presión del aceite. El depósito de aceite actúa como un cilindro principal. Luego, el aceite altamente presurizado fluye hacia la base del cilindro, empujando el pistón hacia arriba y levantando el vehículo. Cerrando la válvula de aceite se puede mantener el pistón encendido. Para hacer descender el vehículo, se debe abrir la válvula de aire para desalojar el aire comprimido del depósito de aceite, con lo que se reduce la presión de éste permitiendo así el descenso del pistón.

3.  MÁQUINAS DE SUCCIÓN

La reducción de la presión de una máquina causa la succión. La presión del aire en el exterior, creada por el peso de la atmósfera, es mayor que en el interior de la máquina. Esta diferencia de presión puede utilizarse en algunas máquinas.

EL PITILLO PARA BEBER

Cuando succionamos a través de un pitillo, el aire atmosférico presiona el líquido del vaso y lo empuja hacia arriba en dirección a la boca.

LA ASPIRADORA

El cilindro de una aspiradora funciona únicamente por la succión. Un motor eléctrico alojado en la aspiradora impulsa un ventilador que bombea el aire fuera de la manguera. La presión atmosférica impulsa el aire hacia el interior de la boquilla de aspiración y a través de la manguera, arrastrando consigo el polvo y la suciedad. El aire cargado de polvo pasa luego por una bolsa de descarga que retiene el polvo antes de salir por la parte trasera de la aspiradora.

LA CISTERNA DEL INODORO

Muchas de las cisternas de los inodoros funcionan con un sifón, que realiza la hazaña aparentemente imposible de hacer que el agua (o cualquier otro líquido) fluya en dirección ascendente. Con tal que el extremo abierto del tubo del sifón esté por debajo de la superficie, el agua ascenderá por el tubo, girará por el recodo y luego descenderá hasta el otro extremo abierto. Al accionar la cisterna de un inodoro se pone en funcionamiento el sistema de sifón. Una vez que el agua ha pasado el recodo y comienza a descender, la presión del aire hace que el resto del agua siga este movimiento.

1.    VACIADO DE LA CISTERNA

Tras presionar la palanca hacia abajo, el disco eleva el agua por el tubo del sifón. El agua llega al recodo del tubo y lo atraviesa. A medida que cae, el resto del agua de la cisterna sigue el mismo movimiento.

2.    APERTURA DE LA VÁLVULA

Cuando el nivel del agua de la cisterna cae por debajo de la base de la campana, entra aire en ésta y bloquea el sifón. En este momento el flotador ha descendido lo suficiente como para abrir la válvula, y el agua que está bajo presión entra hasta llenar la cisterna, al tiempo que el flotador comienza a ascender de nuevo.

3.    CIERRE DE LA VÁLVULA

A medida que asciende el flotador va cerrando la válvula y cortando la entrada de agua. Aunque la cisterna está llena, el agua no puede pasar por el tubo del sifón hasta que no se acciona la palanca y se produce de nuevo el sifón. El flotador y la válvula funcionan conjuntamente, formando un mecanismo de autorregulación.

 SISTEMA DE SIFÓN

 En la gráfica el tubo que está entre los dos tanques debe estar completamente lleno del fluido a transportar.

BIBLIOGRAFÍA

Ø      MACAULAY, David. Cómo Funcionan las Cosas Vol I.

Círculo de Lectores. Cali, 1990.

Ø      ARDLEY, Neil.  ¿Cómo Funciona?. Grijalbo.

Santafé de Bogotá, 1992.

Ø     http://www.mototaller.com/tecnica/sfrenos/frenos/hidrauldisco.asp

Ø      http://cipres.cec.uchile.cl/~fmaureir/ariete/bomba.htm

Ø      http://cipres.cec.uchile.cl/~posorio/

Maria Isabel Galeano P.


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