HIDRULICA

La hidrulica es una rama de la fsica y la ingeniera que se encarga del estudio de las propiedades mecnicas de los fluidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa (fuerza) y empuje de la misma.

Es la parte de la fsica que estudia la accin de los fluidos en reposo o en movimiento, tanto como sus aplicaciones y mecanismos que se aplican en los fluidos. Es la parte de la mecnica que estudia el comportamiento de los fluidos en equilibrio (Hidrosttica) y en movimiento (Hidrodinmica). Esta es una ciencia bsica de la Ingeniera la cual tom sus principios de las Leyes de Newton y estudia la esttica, la cinemtica y la dinmica de los fluidos. Se clasifica en:- Esttica: De los lquidos llamada Hidrosttica. De los gases llamada Aerosttica.- Cinemtica: De los lquidos llamada Hidrodinmica. De los gases llamada Aerodinmica.

HIDROSTATICA:

La hidrosttica es la rama de la mecnica de fluidos o de la hidrulica, que estudia los fluidos en estado de equilibrio, es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posicin. Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrosttica son el principio de Pascal y el principio de Arqumedes.

PRINCIPIO DE PASCAL:En fsica, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el fsico y matemtico francs Blaise Pascal (1623-1662) que se resume en la frase: el incremento de presin aplicado a una superficie de un fluido incompresible (lquido), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo. Es decir que si en el interior de un lquido se origina una presin, estas se transmiten con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. En el sistema internacional, la unidad de presin es 1 Pascal (Pa), que se define como la fuerza ejercida por 1 newton sobre la superficie de 1 metro cuadrado.

PRESION HIDROSTATICA:Un fluido pesa y ejerce presin sobre las paredes, sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en l. Esta presin, llamada presin hidrosttica, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientacin que adopten las caras. Si el lquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no seran necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presin depende de la densidad del lquido en cuestin.DENSIDAD DE LOS FLUIDOS:

La densidad de una sustancia se define como el cociente de su masa entre el volumen que ocupa. La unidad de medida en el S.I. de Unidades es kg/m3, tambin se utiliza la unidad g/cm3.

La generacin de energa.

La principal fuente no viviente de energa de la antigedad fue el llamado molino griego, constituido por un eje de madera vertical, en cuya parte inferior haba una serie de paletas sumergidas en el agua. Este tipo de molino fue usado principalmente para moler los granos, el eje pasaba a travs de la mquina inferior y haca girar la mquina superior, a la cual estaba unido. Molinos de este tipo requeran una corriente veloz, y seguramente se originaron en las regiones colinares del Medio Oriente, a pesar de que Plinio el Viejo atribuye la creacin de los molinos de agua para moler granos al norte de Italia. Estos molinos generalmente eran pequeos y ms bien lentos, la piedra de moler giraba a la misma velocidad que la rueda, tenan por lo tanto una pequea capacidad de molienda, y su uso era puramente local. Sin embargo pueden ser considerados los precursores de la turbina hidrulica, y su uso se extendi por ms de tres mil aos.

El tipo de molino hidrulico con eje horizontal y rueda vertical se comenz a construir en el siglo Ia.C. por el ingeniero militar Marco Vitruvio Polione. Su inspiracin puede haber sido la rueda persa o saqya, un dispositivo para elevar el agua, que estaba formado por una serie de recipientes dispuestos en la circunferencia de la rueda que se hace girar con fuerza humana o animal. Esta rueda fue usada en Egipto (Siglo IVa.C.). La rueda hidrulica vitruviana, o rueda de tazas, es bsicamente una rueda que funciona en el sentido contrario. Diseada para moler grano, la rueda estaban conectadas a la mquina mvil por medio de engranajes de madera que daban una reduccin de aproximadamente 5:1. Los primeros molinos de este tipo eran del tipo en los que el agua pasa por debajo.

Ms tarde se observ que una rueda alimentada desde arriba era ms eficiente, al aprovechar tambin la diferencia de peso entre las tazas llenas y las vacas. Este tipo de rueda, significativamente ms eficiente requieren una instalacin adicional considerable para asegurar el suministro de agua: generalmente se represaba un curso de agua, de manera a formar un embalse, desde el cual un canal llevaba un flujo regularizado de agua a la rueda.

Este tipo de molino fue una fuente de energa mayor a la que se dispona anteriormente, y no solo revolucion la molienda de granos, sino que abri el camino a la mecanizacin de muchas otras operaciones industriales. Un molino de la poca romana del tipo alimentado por debajo, en Venafro, con una rueda de 2 m de dimetro poda moler aproximadamente 180 kg de granos en una hora, lo que corresponde aproximadamente a 3 caballos vapor, en comparacin, un molino movido por un asno, o por dos hombres poda apenas moler 4,5 kg de grano por hora.

Desde el siglo IVd.C. en el Imperio romano se instalaron molinos de notables dimensiones. En Barbegal, en las proximidades de Arls, en el 310, se usaron para moler granos 16 ruedas alimentadas desde arriba, que tenan un dimetro de hasta 2,7 m cada una. Cada una de ellas accionaba, mediante engranajes de madera dos mquinas: La capacidad llegaba a 3 toneladas por hora, suficientes para abastecer la demanda de una poblacin de 80 mil habitantes, la poblacin d Arles en aquella poca no sobrepasaba las 10 mil personas, es por lo tanto claro que abasteca a una vasta zona.

Es sorprendente que el molino de Vitruvio no se popularizara, en el Imperio romano hasta el tercero o cuarto siglo. Siendo disponible en la poca los esclavos y otra mano de obra a bajo precio, no haba un gran incentivo para promover una actividad que requera la utilizacin de capital, se dice adems que el emperador Vespasiano (69 79d.C.) se habra opuesto al uso de la energa hidrulica porque esta habra provocado la desocupacin.

La rueda hidrulicaEn la Edad Media, la rueda hidrulica fue ampliamente utilizada en Europa para una gran variedad de usos industriales El Domesday Book, el catastro ingls elaborado en el 1086, por ejemplo reporta 5.624 molinos de agua, todos del tipo vitruviano. Estos molinos fueron usados para accionar aserraderos, molinos de cereales y para minerales, molinos con martillos para trabajar el metal o para batanes, para accionar fuelles de fundiciones y para una variedad de otras aplicaciones. De este modo tuvieron tambin un papel importante en la redistribucin territorial de la actividad industrial.

Otra forma de energa desarrollada en la Edad Media fue el molino de viento. Desarrollado originalmente en Persia en el siglo VII, parece que tuvo su origen en las antiguas ruedas de oraciones accionadas por el viento utilizadas en Asia central. Otra hiptesis plausible pero no demostrada, es la de que el molino de viento se derivara de las velas de los navos. Durante el siglo X estos molinos elicos fueron ampliamente utilizados en Persia, para bombear agua. Los molinos persas estaban constituidos por edificios de dos pisos, en el piso inferior se encontraba una rueda horizontal accionada por 10 a 12 alas adaptadas para captar el viento, conectadas a un eje vertical que transmita el movimiento a la mquina situada en el piso superior, con una disposicin que recuerda los molinos de agua griegos. Los molinos de viento de ejes horizontales se desarrollaron en Europa del norte entorno al siglo XIII.

Ciencias de la tierra relacionadas con la hidrulicaSe relacionan ntimamente con la hidrulica las siguientes ramas de la ciencias de la tierra:

Mecnica de fluidos.mecnica de medios continuos que describe el movimiento de fluidos (gases y lquidos), sin tener en cuenta las causas que lo provocan (cinemtica) o tenindolas en cuenta (dinmica);

Hidrologa, que analiza el comportamiento del agua en la naturaleza, en las diversas fases del ciclo hidrolgico;

Hidrogeologa, que se ocupa de las aguas subterrneas;

Hidrografa, que se ocupa de la descripcin y estudio sistemtico de los diferentes cuerpos de agua planetarios;

Oceanografa, que estudia todos los procesos fsicos, qumicos y biolgicos que se dan en el mar y en los ocanos.

Produccin de energaEl funcionamiento bsico consiste en aprovechar la energa cintica del agua almacenada, de modo que accione las turbinas hidrulicas.

Para aprovechar mejor el agua llevada por los ros, se construyen presas para regular el caudal en funcin de la poca del ao. La presa sirve tambin para aumentar el salto y as mejorar su aprovechamiento.

Ventajas sobre otras fuentes de energa Disponibilidad: El ciclo del agua lo convierte en un recurso inagotable.

Energa limpia: No emite gases "invernadero", ni provoca lluvia cida, ni produce emisiones txicas.

Energa barata: Sus costes de explotacin son bajos, y su mejora tecnolgica hace que se aproveche de manera eficiente los recursos hidrulicos disponibles.

Trabaja a temperatura ambiente: No son necesarios sistemas de refrigeracin o calderas, que consumen energa y, en muchos casos, contaminan.

El almacenamiento de agua permite el suministro para regados o la realizacin de actividades de recreo.

La regulacin del caudal controla el riesgo de inundaciones y desates de agua.

Inconvenientes Su construccin y puesta en marcha requiere inversiones importantes. Adems, los emplazamientos en donde se pueden construir centrales hidroelctricas en buenas condiciones econmicas son limitados.

Las presas se convierten en obstculos insalvables para especies como los salmones, que tienen que remontar los ros para desovar. Por su parte, los embalses afectan a los cauces, provocan erosin, e inciden en general sobre el ecosistema del lugar.

Empobrecimiento del agua: El agua embalsada no tiene las condiciones de salinidad, gases disueltos, temperatura, nutrientes, y dems propiedades del agua que fluye por el ro. Los sedimentos se acumulan en el embalse, por lo que el resto del ro hasta la desembocadura acaba empobrecindose de nutrientes. Asimismo, puede dejar sin caudal mnimo el tramo final de los ros, especialmente en pocas de sequia.

Los emplazamientos hidrulicos suelen estar lejos de las grandes poblaciones, por lo que es necesario transportar la energa elctrica producida a travs de costosas redes.

BRAZO HIDRAULICOObjetivo general:Construccin y operacin de un brazo mediante un sistema hidrulico.Objetivos especificos:-Demostrar la aplicacin de fuerzas mediante fluidos, tambin demostraremos que posee movimiento de rotacin, presin hidrosttica, energa cintica, tensiones, trabajo-potencia-energa.

-Demostraremos que en el brazo hidrulico es el mismo proceso de la prensa hidrulica ya que esta levanta grandes masas con pequea fuerzas.

PRECURSOR DE LA PRENSA HIDRAULICA:

Joseph Bramah (1748-1814), nacido Stainborough Lane Farm Wentworth, Yorkshire, Inglaterra. Fue un inventor y cerrajero. l es mejor conocido por haber inventado la prensa hidrulica. Junto con William George Armstrong, puede ser considerado uno de los dos padres de la ingeniera hidrulica.

La prensa hidrulica depende del principio de Pascal, que la presin a lo largo de un sistema cerrado es constante. La prensa tiene dos cilindros y pistones de diferentes zonas de la seccin transversal. Si se ejerce una fuerza sobre el pistn ms pequeos, esto se traduzca en un mayor vigor en la ms grande del pistn. La diferencia de las dos fuerzas ser proporcional a la diferencia en el rea de los dos pistones.

En efecto, el acto de los cilindros de la misma manera que una palanca se utiliza para aumentar la fuerza ejercida. Bramah se concedi una patente por su prensa hidrulica de 1795. Bramah la prensa hidrulica se han convertido en muchas aplicaciones industriales y sigue hasta el da de hoy. En el momento de ingeniera hidrulica fue un casi desconocida ciencia, y Bramah (con William George Armstrong) es uno de los dos pioneros en este campo.

EVOLUCION DE LA PRENSA Y GATA HIDRAULICA:

En el inicio se utilizaban prensas manuales, las cuales posean un sistema de tornillo o perno el cual giraba gracias a la fuerza humana. La prensa hidrulica, desarrollada hacia 1770 por el industrial ingls Joseph Bramah (1749-1814), es un aplicacin directa del principio de Pascal. Consiste, en esencia, en dos cilindros de diferente seccin comunicados entre s, y cuyo interior est completamente lleno de un lquido que puede ser agua o aceite. Dos mbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo que estn en contacto con el lquido.

La fuerza que acta en la superficie del mbolo menor se transmite a travs del fluido hacia el otro mbolo, dando lugar a una fuerza mayor que la primera (en la misma proporcin que la superficie de ambos mbolos). Esta primera prensa hidrulica consegua presiones relativamente pequeas y no era utilizable para la deformacin de metales. Fueron los hermanos Perier quienes, algunos aos ms tarde, desarrollaron la mquina de Bramah permitiendo alcanzar presiones ms altas (sobre 70 kg/cm2), hacindola apta para trabajos ms duros, como el acuado de monedas o la deformacin de plomo.

Sin embargo, la aplicacin de la prensa hidrulica para el trabajo del hierro no se produce hasta mediados del siglo XIX, especialmente tras la aparicin del modelo desarrollado por el austriaco Haswell, de mucho mayor tamao y capacidad de presin. A partir de entonces la prensa hidrulica, gracias a la altsima fuerza resultante conseguida, se generaliza para operaciones de elevadas solicitaciones, como el embutido profundo.

Luego esta fue evolucionando hasta llegar a utilizar un sistema de palancas ejercidas por la fuerza humana las cuales utilizaban vlvulas que reemplazaron al tornillo o perno.Luego con el avance tecnolgico fueron evolucionando el sistema de palancas hasta llegar a obtener las actuales que siguen funcionando a base de la fuerza humana ejercida, pero han reducido su tamao y la capacidad de levantar un objeto ha aumentado.

ORIGEN DEL BRAZO HIDRAULICO:

Apareci basndose en el descubrimiento de la prensa hidrulica de Pascal la cual permite levantar grandes masas con pequeas fuerzas que se aplica en el brazo hidrulico. En la antigedad por la necesidad de construir grandes edificaciones crearon una herramienta para levantar y transportar grandes masas que utilizaban para la construccin; esta herramienta era un brazo de madera que giraba sobre un eje para poder levantar y llevar el material de un lugar a otro.

El brazo constaba de un sistema de poleas que por la fuerza de los trabajadores que jalaban las cuerdas le permita levantar al material y luego bajarlo cuando se disminua la fuerza. Con el transcurso de los aos este brazo fue adquiriendo mejoras tanto en materiales como en su funcionamiento. Cuando Pascal descubre la prensa hidrulica estos brazos cambiaron radicalmente ya que se comenzaron a utilizar un sistema parecido a la prensa hidrulica, las cuales permitan levantar grandes pesos con menos esfuerzo.

En nuestra poca estos brazos hidrulicos son utilizados para diferentes objetivos como son: para las construcciones, para el transporte de carga, para la simulacin del funcionamiento de las partes del cuerpo humano como dedos, antebrazos, brazos, piernas, etc.

GRAFICOS DE APLICACION DEL PRINCIPIO DE PASCAL:

APLICACION DE LAS PALANCAS AL BRAZO HIDRAULICO:En la figura se puede apreciar que las palancas que vamos a utilizar en nuestro proyecto sern de tercer tipo o de tercer grado ya que en este tipo de palancas la fuerza aplicada debe ser mayor a la fuerza a levantar y en nuestro trabajo es de vital importancia poder levantar objetos. Adems se utilizarn palancas mltiples ya que es brazo que construiremos constar de dos hasta cuatro palancas para poder lograr el cometido. Las palancas que utilizaremos sern hechas de un material resistente preferiblemente de madera y sostenidas en sus ejes por piezas metlicas, que permitirn obtener un movimiento circular en cada una de las palancas y un movimiento rotatorio en su eje para poder girar el brazo en distintas direcciones.

MOVIMIENTOS DEL BRAZO HIDRAULICO

El movimiento vertical consiste en desplazar arriba o abajo nuestro centro de masas mediante una extensin o una flexin de las articulaciones.

El movimiento rotatorio es el que se basa en un eje de giro y radio constante: la trayectoria ser una circunferencia. Si, adems, la velocidad de giro es constante, se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso particular de movimiento circular, con radio fijo y velocidad angular constante.

En el movimiento circular hay que tener en cuenta algunos conceptos especficos para este tipo de movimiento:-Eje de giro: es la lnea alrededor de la cual se realiza la rotacin, este eje puede permanecer fijo o variar con el tiempo, pero para cada instante de tiempo, es el eje de la rotacin.-Arco: partiendo de un eje de giro, es el ngulo o arco de radio unitario con el que se mide el desplazamiento angular. Su unidad es el radin.-Velocidad angular: es la variacin de desplazamiento angular por unidad de tiempo.-Aceleracin angular: es la variacin de la velocidad angular por unidad de tiempo.

En dinmica del movimiento giratorio se tienen en cuenta adems:-Momento de inercia: es una cualidad de los cuerpos que resulta de multiplicar una porcin de masa por la distancia que la separa al eje de giro.-Momento de fuerza: o par motor es la fuerza aplicada por la distancia al eje de giro.