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205� TECNOLOGÍA 4.° ESO � MATERIAL FOTOCOPIABLE © SANTILLANA EDUCACIÓN, S. L. �

6 Neumática e hidráulica

• Conocer cuáles son los principales elementos que forman los circuitos neumáticos e hidráulicos.

• Saber cómo funcionan los circuitos neumáticos e hidráulicos, identificando sus ventajas.

• Conocer la existencia de software empleado para simular circuitos neumáticos e hidráulicos.

• Aprender a manejar alguna aplicación que permitediseñar y simular el comportamiento de circuitosneumáticos e hidráulicos.

• Conocer las principales aplicaciones de los circuitosneumáticos e hidráulicos.

• Identificar dispositivos neumáticos e hidráulicos en el entorno inmediato.

• Conocer los principios físicos que rigen el funcionamiento de circuitos neumáticos e hidráulicos.

OBJETIVOS

MAPA DE CONTENIDOS

aire comprimido

circuitos neumáticos

software de simulación

NEUMÁTICA

utiliza

que circula por

para diseñarlos se emplea

formados por

tuberíascompresor

cilindro de simple efecto

unidad de mantenimiento

válvulas distribuidoras

agua o aceite

circuitos hidráulicos

HIDRÁULICA

utiliza

que circula por

formados por

que consta de

tuberíasgrupo motriz válvulas

bomba tuberías

motor eléctricodepósito válvulas

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206 � TECNOLOGÍA 4.° ESO � MATERIAL FOTOCOPIABLE © SANTILLANA EDUCACIÓN, S. L. �

• Fundamentos de la neumática. Circuitos neumáticos.

• Magnitudes útiles en neumática.

• Elementos que componen un circuito neumático. Simbología.

• Estructura general de los sistemas neumáticos.

• Fundamentos de la hidráulica. Circuitos hidráulicos.

• Principio de Pascal.

• Ley de continuidad.

• Elementos que componen un circuito hidráulico. Simbología.

• Estructura general de los sistemas hidráulicos.

• Diagramas de estado.

• Identificar los elementos que configuran un circuito neumático.

• Describir la función que cumple cada uno de los componentes de un circuito neumático o hidráulico.

• Interpretar símbolos y esquemas de circuitos neumáticos.

• Elaborar simulaciones sobre neumática e hidráulica empleando el software adecuado.

• Diseñar un circuito neumático con el objetivo de abrir y cerrar un portón.

• Gusto por el orden y la limpieza en la elaboración de dibujos y esquemas.

• Interés por conocer el funcionamiento de los sistemas neumáticos e hidráulicos y sus aplicaciones.

• Valoración de la importancia de los sistemas neumáticos e hidráulicos en nuestra sociedad.

CONCEPTOS

PROCEDIMIENTOS,DESTREZAS Y HABILIDADES

ACTITUDES

CONTENIDOS

PROGRAMACIÓN DE AULA6

1. Educación medioambientalUna de las principales ventajas que presentan los sistemas neumáticos frente a otro tipo de sistemas es que no contaminan, con lo cual su utilización contribuye a la protección del medio ambiente, algo que ha de tenerse muy en cuenta en la sociedad actual.

Por tanto, es muy interesante sustituir los sistemas tradicionales que utilizan fuentes de energía contaminantes por este tipo de sistemas «ecológicos». Además, son relativamente económicos, pues utilizan un recurso gratuito e inagotable como es el aire. De hecho, hay vehículos que funcionan con aire comprimido.

2. Tecnología y sociedadLa utilización de sistemas neumáticos e hidráulicos está cada vez más extendida en multitud de aplicaciones.Sin embargo, aunque se trata de sistemas sencillos, su uso no se ha generalizado hasta hace relativamentepocos años, fruto del desarrollo tecnológico acaecido durante el pasado siglo. Sin duda, en la actualidaddesempeñan un papel importante y constituyen una muestra más de cómo la tecnología contribuye al desarrollo de la sociedad y a mejorar la vida de las personas mediante la utilización de máquinas y sistemas que realizan diversas funciones útiles.

EDUCACIÓN EN VALORES

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1. Describir la estructura de un sistema neumático.

2. Describir la estructura de un sistema hidráulico.

3. Explicar la función de cada uno de los elementosque constituyen un circuito neumático.

4. Explicar la función de cada uno de los elementosque constituyen un circuito hidráulico.

5. Elaborar e interpretar circuitos neumáticos e hidráulicos utilizando la simbología adecuada.

6. Utilizar software de simulación de neumática e hidráulica para elaborar sencillos circuitos con compresores, cilindros, válvulas, etc.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

COMPETENCIAS QUE SE TRABAJANCompetencia en comunicación lingüística

El trabajo con esquemas es esencial en la formaciónsobre neumática e hidráulica, tal y como ocurría con la electrónica. Es importante reflexionar sobre la importancia de representar adecuadamente las válvulas, cilindros, etc., y el resto de elementos de un circuito neumático o hidráulico a la hora de comunicarnos.

Tratamiento de la información y competencia digital

La informática también se ha introducido en la neumática y la hidráulica, como hemoscomprobado en esta unidad mediante los simuladoresde circuitos. Explicar a los alumnos que

estas herramientas se emplean también a nivelprofesional para el diseño de circuitos más complejos.

Competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físicoUna de las ventajas de los circuitos neumáticos e hidráulicos es que son poco contaminantes. En este sentido es destacable el vehículo que apareceen la sección Rincón de la lectura, que funciona con aire comprimido.

Autonomía e iniciativa personalComo en otros casos, la introducción de software de simulación proporciona a los alumnos autonomíadurante el aprendizaje.

6

ÍNDICE DE FICHAS1. Problemas de neumática Refuerzo

e hidráulica

2. Cálculos con cilindros Ampliaciónneumáticos

3. En la Red Ampliación

4. Evaluación Evaluación

5. Autoevaluación Evaluación

6. Soluciones Evaluación

7. Simbología oleohidráulica Contenidos para y neumática saber más…

8. GRAFCET Contenidos parasaber más…

9. Válvulas neumáticas especiales Contenidos parasaber más…

10. Introducción Contenidos para a la electroneumática: saber más…electroválvulas

11. Interferencia de señales Contenidos para neumáticas saber más…

12. Principios físicos: ecuación Contenidos para de Bernoulli y efecto Venturi saber más…

13. Formulario de neumática Contenidos parasaber más…

14. Formulario de hidrodinámica Contenidos parasaber más…

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SOLUCIONARIO6Los circuitos neumáticos pueden ser abiertos o cerrados (a).

Los circuitos hidráulicos siempre son cerrados (c).

La ventaja de la simulación es que no debemosmontar el circuito completo para comprobar su fun-cionamiento. Esto ahorra mucho tiempo y dinerodurante la fase inicial, pues los errores en el circui-to pueden ser subsanados sin desmontar y montarde nuevo todos los elementos.

Además, desde el punto de vista didáctico la simu-lación permite abordar situaciones imposibles deestudiar por cuestiones de dificultad en el monta-je, medios disponibles en un taller, etc.

Una forma de hacerlo es, en primer lugar, expre-sar 1 bar en el resto de unidades y, después, in-vertir.

1 bar = 105 Pa = 105 =

Ahora, invirtiendo:

1 kgf/cm2 = bar = 0,981 kgf/cm2

Para el resto de unidades:

1 bar = 105 Pa =

= 105 ⋅ atm = 0,987 atm =

= 0,987 ⋅ 760 mm Hg = 750,12 mm Hg

Invirtiendo:

• 1 Pa = bar = 0,000 01 bar

• 1 atm = bar = 1,013 bar

• 1 mm Hg = bar = 0,001 33 bar

La capacidad (o el volumen) de las jeringuillas noinfluye en la solución del problema. Sí, en cambio,el diámetro de sus émbolos.

Utilizando la fórmula de la superficie del círculo (delémbolo), S = πR2 = π (D2/4), y aplicando el prin-cipio de Pascal, tenemos que la fuerza máxima F2

que puede levantarse, en estas condiciones, conuna fuerza de F1 = 10 N es:

P1 = P2 → →

→ → F1 = ⋅ F2 →

→ F2 = ⋅ 10 = 15,625 N

Por tanto, la respuesta a la pregunta es afirma-tiva.

Utilizaremos la ley de continuidad de los fluidos incompresibles para resolverlo.

Para el cálculo de la sección de la tubería, utiliza-remos: S = πR2 = π (D2/4). Teniendo en cuentaque D1 = 2 ⋅ D2, tenemos:

Q1 = Q2 ⋅ D2 → S1 ⋅ v1 = S2 ⋅ v2 →

→ v2 =

Este problema admite un tratamiento «digital», enel sentido de que es fácil elaborar una tabla de ver-dad del funcionamiento del circuito.

Es decir, el vástago del cilindro sale cuando hay, almenos, un pulsador activado.

Elegiremos la segunda forma canónica de la fun-ción del actuador, ya que tiene menos términos quela primera:

CilindroFC2 = A + B + C

7

= ⋅ = ⋅ = ⋅ = ⋅ =

D

Dv

D

Dv v

12

22 1

12

22 1

21

4

4

2 4 5 20 m/s

S

Sv

R

Rv1

2

112

22 1⋅ = ⋅ =

π

π

6

D

DF2

2

12 1

2

2

2 5

2⋅ =

,

D

D12

22

FD

FD

1

12

2

22

4 4π π

=

F

S

F

S1

1

2

2

=

5

1

750 12,

1

0 987,

1

105

1

101 300

1

1 019,

= ⋅ =10

1

9 81 1 0195 , ,kgf

10cm kgf/cm

42 2

N

m2

4

3

2

1

PÁG. 163

Pulsadores Actuador

A B C Cilindro

0 0 0 1

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 1

1 0 0 1

1 0 1 1

1 1 0 1

1 1 1 1

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Para implementarla neumáticamente, debemos uti-lizar dos válvulas selectoras o válvulas OR.

Observa que los elementos de regulación (inclui-das las válvulas AND y OR) se etiquetan así: 1.01,1.02, 1.03, 2.01, 2.02, 2.03… El primer númerose corresponde con el actuador al que se conec-tan y los otros dos serán pares si el elemento actúapara que salga el vástago e impares si actúa paraque entre.

Se ha utilizado la normativa CETOP en la nomencla-tura de las vías de las válvulas.

Puedes simular el circuito con Fluidsim 3.6. Recuer-da que para activar simultáneamente dos pulsa-dores es necesario mantener pulsada la tecla demayúsculas a la vez que hacer clic en el pulsador.

Fíjate que, en este caso, el actuador es un cilin-dro de doble efecto con amortiguación doble regu-lable. La amortiguación se utiliza en cilindros quedeben desplazar pesadas cargas, reduciendo asíel impacto del vástago con el cilindro en el final desu carrera.

Para etiquetar las vías de las válvulas se ha utili-zado la normativa ISO (DIN ISO 5599-3), según lacual: la vía de alimentación se etiqueta con el nú-mero 1, los conductos de trabajo con números pa-res (2, 4, 6…), las vías de escape con números im-pares (3, 5, 7…) y los conductos de pilotaje con 10 (si la señal bloquea la vía 1), 12 (si la señal abreel paso de 1 hacia 2), 14 (si la señal abre el pasode 1 hacia 4), 16 (si la señal abre el paso de 1 ha-cia 6)…

La diferencia está en la velocidad con la que semueven los vástagos:

a) En el primero, las velocidades de avance y retroceso son iguales (K = 0,02) y se regulanconjuntamente desde la válvula de estrangula-miento que, en estos momentos, marca 40 %.

b) En el segundo, la velocidad de avance del vás-tago no está regulada (es instantánea). En cam-bio, el retroceso está regulado por la válvula deestrangulamiento (ahora al 40 %), siendo su ve-locidad v = 0,02.

c) En el tercero están reguladas las velocidades deavance y retroceso de manera independiente.La velocidad de avance la regula la válvula queahora está al 40 % (K = 0,02) y la velocidad deretroceso la regula la válvula que ahora está al50 % (v = 0,05).

Para verlo mejor en Fluidsim 3.6, desde el menúOpciones → Didáctica… puede regularse la velo-cidad de animación.

Fíjate en que el cilindro de simple efecto que nosofrece Fluidsim H no tiene un retorno por muelle.Para hacerlo retroceder, debe descargarse el flui-do del cilindro aplicando una fuerza externa.

Para simular la aplicación de una fuerza de 100 N en el vástago de un cilindro de simple efec-to, tras arrastrar el componente al espacio de tra-bajo, haremos doble clic en él y completaremosel cuadro de diálogo.

9

8


6

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Haz doble clic en el grupo motriz para introducirlos valores de presión y caudal.

Este problema también admite un tratamiento di-gital. La tabla de verdad que resume el comporta-miento del cilindro en función de los pulsadores esla siguiente:

En este caso, es más fácil utilizar la primera for-ma canónica de la función del actuador:

CilindroFC1 = A ⋅ B ⋅ C

Hay que utilizar dos válvulas de simultaneidad para implementar los productos.

En este esquema se ha utilizado la normativa CETOP para el etiquetado de las vías de las válvu-las.

Recuerda que en los esquemas oleohidráulicos to-dos los componentes deben dibujarse en reposo.

La presión que ejerce el aire atmosférico se midecon un barómetro. A veces se la denomina presiónbarométrica, y suele ser del orden de 1 atm.

Si no se ha hecho el vacío, esta presión siempreexiste, y es la misma, en todos los tramos de unatubería o en cualquier elemento de un circuito neu-mático.

La presión que suministra un compresor no llegapor igual, o a la vez, a todos los elementos de uncircuito; lo cual da lugar a diferencias de presiónque son las que hacen que el aire se desplace poruna tubería.

A la presión «extra» (además de la barométrica)que hay en un punto se le llama presión manomé-trica.

En virtud de lo anterior, podemos decir que la pre-sión total o absoluta a que está sometido un pun-to de una tubería es la suma de la barométrica y lamanométrica:

Presión total = presión barométrica ++ presión manométrica

Respuesta libre. Información en:

http://es.wikipedia.org/wiki/Blaise_Pascal

Respuesta libre. Información en:

http://es.wikipedia.org/wiki/Daniel_Bernoulli

12

11

10


SOLUCIONARIO6

Pulsadores Actuador

A B C Cilindro

0 0 0 0

0 0 1 0

0 1 0 0

0 1 1 0

1 0 0 0

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 1

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REFUERZO

PROBLEMAS DE NEUMÁTICA E HIDRÁULICA (I)6 FICHA 1

Relaciona cada símbolo de un componente neumático con la descripción que le corresponda:

En un tubería de sección circular y radio R = 1 cm circula un fluido incompresible en régimen laminar a una velocidad de 3 m/s. Calcula el caudal que circula por ella.

La báscula hidráulica de la figura consta de dos plataformas circulares de secciones S1 = 2500 cm2

y S2 = 10 000 cm2. Calcula si será posible elevar 100 kg, colocándolos en la segunda plataforma, poniendo 30 kg en la primera.

3

2

1

Descripción del componente

Unidad de mantenimiento

Cilindro de simple efecto con retorno por muelle

Compresor

Válvula 5/2 biestable pilotadaneumáticamente

Válvula estranguladora

Cilindro de doble efecto conamortiguación doble regulable

Válvula selectora

Manómetro

Válvula 3/2 activada porpulsador y con retorno por muelle

Válvula distribuidora 4/3 conposición central de bloqueoaccionada por electroimanes

Válvula de simultaneidad

Cilindro de simple efecto con muelle de avance

Válvula 4/2 activada por rodilloy con retorno por muelle

Válvula distribuidora 5/3 con posición central de bloqueo, accionadaelectroneumáticamente

Válvula antirretornoestranguladora

Simbología neumática Simbología neumática

S1S2

F2 F1

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6 REFUERZO

PROBLEMAS DE NEUMÁTICA E HIDRÁULICA (II)FICHA 1

Dibuja el símbolo de una válvula distribuidora 4/2 con accionamiento mecánico (mediante pulsador) y con retorno por muelle.

Deduce qué válvula hay que accionar para que salga el vástago del cilindro de doble efecto en el siguiente circuito hidráulico.

Etiqueta, conforme a la normativa CETOP, los elementos, sus vías y sus conexiones en el siguiente circuito neumático:

6

5

4

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Respuesta:

En primer lugar, traduciremos todas las unidades al Sistema Internacional; después calcularemos la secciónde la tubería, y por último hallaremos el caudal utilizando la expresión Q = S ⋅ v.

. Por tanto, el caudal es 0,94 L/s.

La fuerza mínima F1 necesaria para equilibrar la báscula viene dada por la expresión del principio de Pascal:

Debe entenderse que la fuerza mínima es 25 kgf. En la aplicación del principio de Pascal, lo importante esque las superficies de los émbolos estén en las mismas unidades, y las de las fuerzas, también. Por tanto, con30 kgf colocados en la primera plataforma, podremos elevar 100 kgf que situemos en la segunda plataforma.

P PF

S

F

SF

S

SF1 2

1

1

2

21

1

22

2500

10 000100 25= = = ⋅ = ⋅ =→ → kgf (kilogramos fuerza)

3

RS rv

= == ⋅ = ⋅=

⎫

⎬⎪⎪

−

−1 10

3 14 103

2

4

cm mm

m/s

2 2π , ⎪⎪⎪

⎭⎪⎪⎪⎪

= ⋅ = ⋅ −→ Q S v 9 42 10 4, m /s3

2

1


6 REFUERZO

PROBLEMAS DE NEUMÁTICA E HIDRÁULICA (III)FICHA 1

Descripción del componente

Unidad de mantenimiento

Cilindro de simple efecto con retorno por muelle

Compresor

Válvula 5/2 biestable pilotadaneumáticamente

Válvula estranguladora

Cilindro de doble efecto conamortiguación doble regulable

Válvula selectora

Manómetro

Válvula 3/2 activada porpulsador y con retorno por muelle

Válvula distribuidora 4/3 conposición central de bloqueoaccionada por electroimanes

Válvula de simultaneidad

Cilindro de simple efecto con muelle de avance

Válvula 4/2 activada por rodilloy con retorno por muelle

Válvula distribuidora 5/3 con posición central de bloqueo, accionadaelectroneumáticamente

Válvula antirretornoestranguladora

Simbología neumática Simbología neumática

SOLUCIONES

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REFUERZO

PROBLEMAS DE NEUMÁTICA E HIDRÁULICA (IV)6 FICHA 1

La solución es la siguiente:

Debe pulsarse la válvula 3/2 etiquetada como 1.6. Fíjate en los siguientes circuitos:

Observa que el pulsador 1.2 es superfluo, ya que su salida está bloqueada por una válvula antirretorno colocada maliciosamente.

La válvula 1.4 está configurada para dejar pasar el fluido estando en su posición de reposo. De modo que la válvula de simultaneidad 1.02 dejará pasar fluido cuando se pulse 1.6.En ese momento, la válvula selectora 1.04 dejará pasar el fluido también, pilotando la biestable 1.1 y haciendo que el vástago del cilindro salga.

La válvula 1.8 actúa sobre la biestable 1.1, haciendo que el vástago se retraiga.

La solución es la siguiente:6

5

4

Circuito con la válvula 1.6 activada.Circuito con todos sus elementosen reposo.

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AMPLIACIÓN

CÁLCULOS CON CILINDROS NEUMÁTICOS (I)6 FICHA 2

Cuando entra aire comprimido en la cámara de un cilindro, se genera una presión P que provoca una fuerza F0 sobre el émbolo o pistón de superficie Se:

Fuerza sobre el émbolo:

F0 = P ⋅ Se

Cilindro de simple efecto (SE)

En un cilindro de simple efecto, la fuerza ejercida por la presión en su cámara debe vencer la resistencia del muelle Fm que es aproximadamente proporcional a la longitud x que se desplace el émbolo.

Es decir, el muelle ofrecerá más resistencia cuanto más comprimido esté:

Fm = k ⋅ x

donde k es una constante de proporcionalidad cuyo valor depende de las características del muelle en concreto.

Además, en la práctica, siempre existe un rozamiento Fr entre el émbolo y la camisa que se opone también al desplazamiento de aquel.

Finalmente, la fuerza efectiva que será capaz de ejercer el pistón, en su carrera de avance, vendrá dada por la expresión:

FSEavance = F0 − Fm − Ft

En la práctica, a veces, se utiliza la siguiente expresión que no es deducible a partir de la anterior:

FSEavance = η ⋅ (P ⋅ Se − Fm)

siendo Fm la resistencia del muelle y considerando que el rozamiento supone una disminución de la fuerza efectivacaracterizable por el factor η, llamado rendimiento del cilindro (0 ≤ η ≤ 1).

Cilindro de doble efecto (DE)

En la carrera de avance del émbolo de un cilindro de doble efecto no hay más oposición que la fuerza de rozamiento con la camisa:

FDEavance = F0 − Ft = P ⋅ Se − Ft

En la carrera de retroceso debemos tener en cuenta que el aire comprimido presiona sobre una superfice menor que la del émbolo. De modo que la fuerza de retroceso será:

FDEretroceso = P ⋅ Sef − Fr

siendo Sef = Se − Sv.

La superficie efectiva Sef será igual a la del émbolo Se menos la sección del vástago Sv.

En la práctica, se sustituye la fuerza de rozamiento por un coeficiente de rendimiento, η, de forma que tenemos:

FDEavance = η ⋅ P ⋅ Se

FDEretroceso = η ⋅ P ⋅ Sef = η ⋅ P ⋅ (Se − Sv)

Observa que el émbolo tiene menos fuerza en el retroceso que en el avance.

⎧⎨⎪⎪⎩⎪⎪

FUERZA EFECTIVA DE UN CILINDRO

Émbolo

Vástago

Culataanterior

CamisaEntrada

Culata posterior

Se Sef Sv

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AMPLIACIÓN

CÁLCULOS CON CILINDROS NEUMÁTICOS (II)6 FICHA 2

Para calcular el caudal que un compresor debe poner en juego en un circuito neumático será necesario conocer el aire comprimido que consumirán los cilindros en cada ciclo de trabajo.

Cilindro de simple efecto (SE)

Los cilindros de simple efecto con retorno por muelle solo consumen aire comprimido en su carrera de avance.

Por tanto:

VSEciclo = VSEavance = Se ⋅ L = ⋅ L

L es la carrera del émbolo, es decir, la distancia entre la vía del cilindro y el máximo desplazamiento del émbolo.

Cilindro de doble efecto (DE)

Los cilindros de doble efecto consumen aire comprimido en su carrera de avance y también en la de retroceso:

Por tanto:

VDEciclo = VDEavance + VDEretroceso =

= Se ⋅ L + Sef ⋅ L = Se ⋅ L + (Se − Sv) ⋅ L

VDEciclo = (2Se − Sv) ⋅ L

πDe2

4

Piensa y contesta: ¿Podrá un cilindro de simple efecto cuyo émbolo tiene un diámetro de 5 cm y un rendimiento del 90 % (es decir, η = 0,9) elevar una carga de 70 kgf, cuando un compresor le suministre una presión de 7 bar?

Calcula el volumen consumido en el retroceso de un cilindro de doble efecto cuyo pistón tiene una sección de 9 cm2 y su vástago un radio de 1,5 cm, siendo la distancia entre sus vías de 30 cm.

¿Qué volumen de aire atmosférico (a P0 = 1 atm) consumirá en cada ciclo de trabajo un cilindro de doble efecto que consume, en cada ciclo, dos litros de aire comprimido a 6 bares de presión?

Utiliza la ley de Boyle:

a temperatura constante.

P

P

V

V0

0f

f=

3

2

1

CUESTIONES

VOLUMEN DE AIRE COMPRIMIDO CONSUMIDO EN CADA CICLO DE TRABAJO

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AMPLIACIÓN

EN LA RED6 FICHA 3

Notas

SAPIENSMANhttp://www.sapiensman.com/ neumatica

Expone didácticamente los principiosbásicos de la neumática y describesomeramente el funcionamiento de los componentes básicos de los circuitos neumáticos.

PORTAL ESOhttp://portaleso.homelinux.com/portaleso/asignaturas.php?ope=Asig&asigid=2&sasigid=10

Web muy didáctica con abundantesrecursos relacionados con la neumática. Incluye además un interesante conjunto de enlaces.

FESTO DIDACTIChttp://www.festo.com

Especializada en la didáctica de la neumática y la hidráulica,permite descargar versiones Demo de los programas de simulaciónFluidSIM. También ofrece FluidDRAW para realizar esquemas neumáticosprofesionales.

HIDROSTÁTICAhttp://www.cneq.unam.mx/cursos_diplomados/diplomados/basico/abasico092004/portafolios/hidrostatica/menu/01_unidad.htm

Se trata de una unidad didácticasobre hidrostática. Dispone depresentaciones, vídeos y propuestasexperimentales.

HIDRÁULICA DIDÁCTICAhttp://www.hidraulicadidactica.com.ar

A pesar de su nombre, esta páginaestá más orientada al profesional que al estudiante. Puede consultarsepara ver aplicaciones prácticas y la incidencia industrial de la hidráulica.

ADD 5000http://www.all-done.com/didactica/add5000.htm

Página orientada al profesor. Es un catálogo comercial de kits de montaje didácticos sobre la neumática.

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EVALUACIÓN

EVALUACIÓN6 FICHA 4

Cita, explicando la función que realizan, los elemen-tos básicos de un circuito neumático.

Diseña un circuito neumático que permita accionarun cilindro de simple efecto con retorno por mue-lle con una válvula 3/2 accionada por pulsador y conretorno por muelle. Utiliza la norma CETOP en la no-menclatura de los elementos.

¿Cuál es la denominación de las válvulas que repre-sentan los siguientes símbolos neumáticos CETOP?:

a)

b)

Describe el funcionamiento del siguiente circuitoneumático:

Diseña un circuito neumático que permita accionarun cilindro de doble efecto comandado por una vál-vula 4/2 pilotada neumáticamente. Utiliza tres válvulas 3/2 NC activadas por pulsador y con re-torno por muelle (A, B y C).

• Para que el vástago inicie su carrera de avance,los pulsadores A y B deben estar activados si-multáneamente.

• Para que el vástago inicie su carrera de retorno,deberá activarse el pulsador C.

Observa el siguiente circuito hidráulico cuyos com-ponentes están conectados en serie:

Hasta alcanzar el estado mostrado, el grupo motrizha suministrado un caudal constante de 2 L /min.¿Qué caudal habrá circulado por cada elemento delcircuito?

¿Qué aparatos se utilizan para medir la presión yel caudal en un circuito oleohidráulico?

• Dibuja sus símbolos e indica el modo (en serie oen paralelo) en que deben conectarse en el cir-cuito.

Un cilindro hidráulico de doble efecto trabaja en va-cío (es decir, sin soportar ninguna carga en su vás-tago). Recibe el mismo caudal por sus vías, tanto enla carrera de avance del émbolo como en la de re-torno.

• ¿Cuándo irá más rápido el émbolo en su avanceo en su retorno? ¿Por qué?

Diseña un circuito hidráulico que permita accionarun cilindro de doble efecto comandado por una vál-vula 5/2 pilotada hidráulicamente. Utiliza cuatro válvulas 3/2 NC activadas por pulsador y con re-torno por muelle (A, B, C y D).

• Para que el vástago inicie su carrera de avance,se debe activar o el pulsador A o el pulsador B.

• Para que el vástago inicie su carrera de retorno,deberá activarse o bien el pulsador C o bien el D.

Utiliza la nomenclatura establecida por la normaCETOP.

Describe, citando un ejemplo, lo que es un diagra-ma de estado de un circuito hidráulico.

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

NOMBRE: CURSO: FECHA:

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EVALUACIÓN

AUTOEVALUACIÓN6 FICHA 5

Si queremos poder accionar un cilindro neumáticoindistintamente, desde dos lugares diferentes debe-remos utilizar una válvula:

a) Limitadora de presión. c) AND.

b) De simultaneidad. d) OR.

¿Qué descripción se correspon-de con el siguiente símboloneumático ISO?

a) Válvula 2/2 NA, accionada por palanca y con retorno por muelle.

b) Válvula 2/2 NA, pilotada neumáticamente y con retorno por muelle.

c) Válvula 3/2 NA, pilotada neumáticamente y con retorno por muelle.

d) Válvula 3/2 NC, pilotada neumáticamente y con retorno por muelle.

Indica cuál de las siguientes afirmaciones, relacio-nadas con el funcionamiento de la siguiente válvu-la, es cierta.

a) Permite el paso libre-mente de P a A.

b) Bloquea el paso de Pa A.

c) El aire pasará de P a A a través de un con-ducto estrangulado al 60 %.

d) Bloquea el paso de A a P.

8 bares de presión equivalen a…

a) … 7,9 atm c) … 7600 mmHg

b) … 80 000 Pa d) … 9 kgf/cm2

¿Qué denominación corres-ponde al funcionamiento delsiguiente circuito?

a) Mando directo de un cilindro DE mediante2 válvulas 3/2 NC activadas por una válvu-la biestable 4/2.

b) Mando indirecto de un cilindro DE median-te válvula biestable 4/2 accionada neumá-ticamente y 2 pulsadores 3/2 NC.

c) Mando directo de un cilindro DE medianteválvula biestable 4/2 accionada neumática-mente y 2 pulsadores 3/2 NC.

A esta válvula hidráulica le faltauna vía por etiquetar. ¿Qué le-tra debe asignársele?

a) La letra C. c) La letra R.

b) La letra T. d) La letra S.

Si queremos accionar un cilindro hidráulico de formaque dos operarios tengan que activar a la vez dos pul-sadores situados a cierta distancia, necesitaremos:

a) Una válvula c) Un caudalímetro.selectora.

b) Una válvula d) Una válvula OR.AND.

Eduardo está regando y su hermano Pablo pisa, amitad de su recorrido, la goma de riego sin llegara obstruirla completamente.

a) La presión disminuye a la salida, dificultan-do el riego.

b) La velocidad de salida del agua será mayor,alcanzando por tanto una mayor distancia.

c) El caudal será el mismo en toda la tubería degoma, pero menor que si no pisara Pablo.

d) El caudal es menor en la zona donde pisaPablo, pero la presión de salida no varía.

¿Qué es un diagrama de estado?

a) Una forma de describir el funcionamientode un circuito.

b) Un listado de los componentes de un cir-cuito.

c) Describe el estado inicial de los componen-tes de un circuito.

d) Un actuador hidráulico.

9

8

7

6

5

4

3

2

1


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EVALUACIÓN

SOLUCIONES (I)6 FICHA 6

Los elementos básicos de un circuito neumáticoson:

• Compresor: es el generador de aire comprimido.Suministra presión y caudal.

• Tuberías: son los conductos a través de los cua-les viaja el aire comprimido.

• Actuador: es donde tiene lugar la conversión deenergía neumática en otro tipo de energía (nor-malmente mecánica). Suelen ser cilindros desimple o doble efecto, aspiradores, etc.

El circuito es:

a) Es una válvula 4/2 NA pilotada neumática-mente.

b) Es una válvula 5/2 NA activada mediante pulsa-dor y con retorno por muelle.

Se trata del mando directo de un cilindro de do-ble efecto con una válvula 5/2 activada mediantepulsador y con retorno por muelle.

• En la posición de reposo, la válvula 5/2 bloqueael paso de aire y el vástago está escamoteado.

• Al mantener pulsada la válvula 5/2, se estable-ce comunicación entre las vías P y A, y el vás-tago del cilindro sale eliminando el aire de la cá-mara por la vía S.

• Al soltar el pulsador, el muelle hace que la vál-vula retorne a su posición inicial, escamoteán-dose el émbolo de nuevo.

La solución es la siguiente:

Como todos los componentes del circuito están enserie, según la ley de continuidad, el caudal que haatravesado cada uno de los componentes es el mis-mo, es decir, 2 L /min.

La presión se mide con un manómetro, un apara-to que debe colocarse en paralelo con una ramadel circuito.

El caudal se mide con un caudalímetro, un apa-rato que debe conectarse en serie con una ramadel circuito.

En el enunciado del problema se cumplen las con-diciones para aplicar la ley de continuidad en am-bas vías del cilindro:

Q1 = Q2 → S1 ⋅ v1 = S2 ⋅ v2 →

Como > 1 → v2 > v1.

Por tanto, en vacío, la carrera de retroceso del ém-bolo es más rápida.

En la simulación con la aplicación Fluidsim 3.6 pue-des observarlo fácilmente utilizando un diagramade estado.

S

S1

2

S

S

v

v1

2

2

1

=

8

7

6

5

4

3

2

1


Mando directo de un cilindro SE mediante una válvula3/2 accionada por pulsador y con retorno por muelle.Norma CETOP.

Manómetro Caudalímetro

EVALUACIÓN

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EVALUACIÓN

SOLUCIONES (II)6 FICHA 6

El siguiente circuito muestra la única forma de ha-cerlo.

Un diagrama de estado es un gráfico que repre-senta el estado, en función del tiempo, de todoslos componentes de un circuito neumático o hi-dráulico.

Consideremos el circuito simple de la figura.

Se trata del mando directo de un cilindro de doble efec-to mediante una válvula 4/2 NC accionada por pulsadory con retorno por muelle. En el diagrama de estado pue-de observarse cómo la carrera de avance del émbolo esligeramente más lenta que la de retroceso.

10

9


d; b. La conexión 10 indica que la señal neumática cierra el paso de 1 a 2; a; a; b;

b; b; c; a.9876

54321

AUTOEVALUACIÓN

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Hay dos normativas básicas en lo que se refiere a la simbología oleohidráulica y neumática: las normas CETOP(Comité Europeo de Transmisiones Oleohidráulicas y Neumáticas) y las normas ISO.


6 CONTENIDOS PARA SABER MÁS…

SIMBOLOGÍA OLEOHIDRÁULICA Y NEUMÁTICA (I)FICHA 7

Normas CETOP Normas ISOSe numeran de izquierda a derecha y de abajo arriba en el orden que se indica.

Elementos de trabajo oactuadores neumáticos:Cilindros de simple y dobleefecto, aspiradores, etc.

1.0, 2.0, 3.0…• La primera cifra indica el orden. • La segunda (siempre 0) indica que

se trata de un elemento de trabajo.

1A, 2A, 3A…• La primera cifra indica el orden. • La A indica que se trata

de un elemento de trabajo.

Elementos de mando u órganosde gobierno:Válvulas de distribución(monoestables o biestables)…

1.1, 2.1, 3.1…• La primera cifra hace referencia

al elemento de trabajo que gobiernan.• La segunda (siempre 1) indica que

se trata de un elemento de gobierno.

1V1, 1V2, 1V3…2V1, 2V2, 2V3…

• La primera cifra hace referencia al elemento de trabajo que regulan.

• La V indica que se trata de un elemento de mando o de procesamiento.

• La última cifra indica el orden (no se pone si solo hay uno).

Elementos de procesamiento o de regulación:Válvulas selectoras, válvulas de simultaneidad, válvulasantirretorno conestrangulamiento…

1.01, 1.02, 1.03…2.01, 2.02, 2.03…

• La primera cifra hace referencia al elemento de trabajo que regulan.

• Las segundas acaban en número par si el elemento de regulación influye en la llegada de fluido al elemento de trabajo e impar en caso contrario.

Elementos de entrada:Pulsadores, finales de carrera y sensores en general.

1.2, 1.4, 1.6…1.3, 1.5, 1.7…2.2, 2.4, 2.6…2.3, 2.5, 2.7…

• La primera cifra hace referencia al elemento de trabajo que detectan o bien hacia el que mandan la señal.

• La segunda cifra es par si el elemento de entrada regula la llegada de fluido al elemento de trabajo e impar en casocontrario.

0S1, 0S2, 0S3…1S1, 1S2, 1S3…

• La primera cifra hace referencia al elemento de trabajo que detectan o bien hacia el que mandan la señal(será 0 si es un elemento de alimentación).

• La S indica que se trata de un sensor. • La última cifra indica el orden

(no se pone si solo hay uno).

Elementos auxiliares:Unidades de alimentación,acumuladores, manómetros…

0.1, 0.2, 0.3…• La primera cifra (siempre 0) indica

que se trata de un elemento auxiliar. • La segunda cifra indica su orden.

0Z1, 0Z2, 0Z3…1Z1, 1Z2, 1Z3…

• La primera cifra hace referencia al elemento de trabajo al que pertenece (será 0 si es un elemento de alimentación).

• La Z indica que se trata de un elemento auxiliar.

• La última cifra indica el orden (no se pone si solo hay uno).

Conductosparaválvulas de 5 vías

De alimentación P 1

De trabajo A, B 2, 4

De escapeR, S para neumática.T para oleohidráulica.

3, 5

De maniobra Z, Y10: Si la señal bloquea la vía 1.12: Si la señal abre el paso de 1 a 2.14: Si la señal abre el paso de 1 a 4.

DIN

ISO

5599

-3


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6 CONTENIDOS PARA SABER MÁS…

SIMBOLOGÍA OLEOHIDRÁULICA Y NEUMÁTICA (II)FICHA 7

Observa los siguientes circuitos neumáticos cuyos elementos, vías y conexiones han sido etiquetados según la normativa adecuada.

1

CUESTIONES

a) ¿Cuál se ha etiquetado según la norma CETOP? ¿Cuál según la norma ISO?

b) En cada uno de ellos, identifica los elementos representados a partir de las etiquetas que incorporan.

A


B

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Elabora el GRAFCET del automatismo hidráulico de la figura adjunta.

1

CUESTIONES


CONTENIDOS PARA SABER MÁS…

GRAFCET 6 FICHA 8

El GRAFCET (Gráfico Funcional de Control de Etapas y Transiciones) es un método de representación gráfico que refleja la secuencia de control de un automatismo, neumático o no. El GRAFCET está regido por la norma europea CEI 848. En él podemos distinguir una serie de etapas o estados unidas con líneas de enlace, en las pueden tener lugar ciertas acciones, y las transiciones entre dichas etapas:

• Las etapas se representan por cuadrados en cuyo interior figura un número. La primera etapa (o etapa inicial) se designa con el 0 y su cuadrado es de doble línea.

• Las acciones pueden ser: condicionadas (C), retardadas (D), limitadas en el tiempo (L), impulsos (P) o memorizadas (S).

• Las transiciones indican las condiciones que deben darse para que el sistema pase a la siguiente etapa. Se representan con un pequeño segmento horizontal que corta la línea de enlace.

Observa el siguiente circuito electroneumático, cuyo funcionamiento vamos a describir:

En el estado inicial (0), el cilindro de doble efecto 1A se encuentra con el émbolo escamoteado. El sensor reed 1S1 (se trata de un sensor de proximidad) lo detecta y se activa. Cuando se cierra el interruptor 1S3,se activa la bobina Y1 de la electroválvula 1V; el émbolo comienza a saliry 1S1 se abre desactivando la bobina Y1. El émbolo continúa su recorridohasta que, al final de su carrera, cierra el sensor reed 1S2 que activa la conexión Y2 de la electroválvula 1V. Entonces el émbolo comienza su carreta de retroceso, liberando el sensor 1S2, hasta que se alcanza de nuevo el estado inicial. Como el interruptor continúa cerrado, el ciclose repite indefinidamente.

Se trata, por tanto, de un circuito que produce un movimiento alternativodel émbolo de un cilindro de doble efecto cuyo GRAFCET se muestra a la derecha del circuito.

Circuitos de potencia y de control del movimiento alternativo cíclico de un cilindro de doble efecto mediante una electroválvula biestable 4/2.

GRAFCET del automatismo.

0

1

2

1A +

1A –

1S3

1S2


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Explica el funcionamiento de los siguientes circuitos e identifica sus componentes, vías y conductos conforme a la normativa ISO.

1

CUESTIONES

Estas válvulas se suelen utilizar para retardar la desconexión o la conexión de una vía. En ocasiones, también se emplean para convertir señales permanentes en impulsos.

Su funcionamiento consiste en hacer pasar el aire comprimido por un conducto de estrangulación variable quelleva a un pequeño depósito. Cuando este se llena y la presión supera cierto valor, se activa una válvula 3/2,pilotada reumáticamente, que abre o cierra la comunicación entre las vías 1 y 2.

La válvula 3/2 dispone de un retorno por muelle que actuará cuando la presión no rebase dicho valor crítico.

En Fluidsim 3.6 se llaman válvulas de deceleración, normalmente abierta y normalmente cerrada.

VÁLVULAS TEMPORIZADAS



VÁLVULAS NEUMÁTICAS ESPECIALES6 FICHA 9

Esta válvula suele utilizarse para incrementar la velocidad de entrada o salida de los vástagos de los cilindros neumáticos, sobre todo, los de gran capacidad.

Cuando el aire comprimido circula de la vía 1 a la 2, lo hace libremente. En cambio,cuando viene de 2, la vía 1 se bloquea y el aire acaba saliendo al exterior por la vía 3 (en la que se puede incluir un silenciador como el de la figura para reducir ruidos).

VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO

Se utilizan para mantener la presión de aire constante en la instalación neumática. Forman parte de la unidad de mantenimiento.

VÁLVULA REGULADORA DE PRESIÓN CON ESCAPE Y MANÓMETRO


A B

Válvula temporizada a la desconexión.

Válvula temporizada a la conexión.

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Las electroválvulas son válvulas pilotadas eléctricamente: disponen de una bobina con un núcleo ferromagnético que, cuando le llega corriente, atrae una palanca que acciona la válvula. La incorporación de elementos eléctricos y electrónicos en los circuitos neumáticos hace que el grado de automatización que pueda alcanzarse sea más elevado.

En el estudio de los circuitos electroneumáticos, debemos distinguir entre el circuito de potencia(que incluye los componentes neumáticos) y el de control (que incluye los componentes eléctricos).

Las electroválvulas biestables tienen dos bobinas y, para cambiar el estado de la válvula, basta con hacer llegar a la bobina correspondiente una señal eléctrica que no es necesario mantener. Si llegasen al mismo tiempo señales eléctricas a ambas bobinas (a esto se le llama interferencia de señales), la electroválvula no cambiaría el estado en que estuviese.

En el circuito anterior hay algunos símbolos nuevos:

Ejemplo 1: Mando de un cilindro de doble efecto mediante una electroválvula 4/2 biestable



INTRODUCCIÓN A LA ELECTRONEUMÁTICA: ELECTROVÁLVULAS (I)6 FICHA 10

Símbolo Descripción

Electroválvula biestable 4/2. Su pilotaje es eléctrico,mediante bobinas.

Pulsador eléctrico normalmente abierto (NA u obturador).

Bobina o solenoide de la electroválvula.


Circuito de potencia. Circuito de control.

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Interruptor (obturador).



INTRODUCCIÓN A LA ELECTRONEUMÁTICA: ELECTROVÁLVULAS (II)6 FICHA 10

Diseña un circuito electroneumático que active un cilindro de doble efecto mediante una electroválvulamonoestable 4/2 con retorno por muelle, utilizando un interruptor en lugar de un pulsador.

1

CUESTIONES

Las electroválvulas monoestables tienen una sola bobina, y para cambiar el estado de la válvula es necesario enviar una señal eléctrica permanente. En el momento en que dicha señal cese, el muelle hará que la válvulavuelva a su estado de reposo. Por tanto, si deseamos activar una válvula monoestable mediante un pulsador,necesitaremos hacer uso de un circuito eléctrico de memoria que utiliza un relé de dos circuitos de conmutación.

Durante el instante que está pulsado S2, la corriente eléctrica llega a la bobina del relé, K1, ya que el pulsador S1está cerrado. Entonces, los dos contactos K1 se cierran y permanecerán así aunque se abra el pulsador S2, ya que la corriente sigue llegando a la bobina del relé a través del primer contacto K1. Por tanto, la bobina de la electroválvula Y1 seguirá activada hasta que se abra el contacto S1.

Ejemplo 2: Mando de un cilindro de doble efecto mediante una electroválvula 4/2 monoestable con retorno por muelle


Electroválvula monoestable 4/2 con retorno por muelle.

Pulsador eléctrico normalmente cerrado (NC o franqueador).

Bobina o solenoide de relé.

Circuito de potencia. Circuito de control.


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INTERFERENCIA DE SEÑALES NEUMÁTICAS (I)6 FICHA 11

En circuitos que utilizan válvulas pilotadas neumáticamente, con frecuencia aparecen interferencias entre señales. Observa el siguiente circuito:

Se pretende que primero salga el vástago del cilindro 1A, luego el vástago del cilindro 2A. Después se escamotee el vástago del cilindro 2A y, finalmente, el del 1A.

Observa que en la válvula 1V3 hay interferencia entre las señales 14 y12 provenientes, respectivamente, de 1S1 y 2S1. Al activar el interruptor general 0S, no se mueve ningún vástago.

Tras incorporar una válvula temporizada a la desconexión en la vía 2 de la válvula 1V2, conseguimos que salga el vástago del cilindro 1A y, después, el del 2A.

Observa que, inicialmente, el aire no puede pasar por la válvula temporizada a la desconexión. El aire es desviado a la vía 10, donde empieza a llenar un depósito acumulador. Cuando lo llena, y el aire adquiere cierta presión, se activa. La temporización se puede regular variando el estrangulamiento.

Estado del circuito tras incorporaruna válvula temporizada a la salida de 1V2. Aparece interferencia de señales en la válvula 2V3.

Estado del circuito tras activar el interruptor 3/2 0S. Interferencia de señales en la válvula 1V3.


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INTERFERENCIA DE SEÑALES NEUMÁTICAS (II)6 FICHA 11

Sin embargo, podemos observar una interferenciade señales en la válvula 2V3 que impide que el vástago del cilindro 2A se escamotee.

Te recomendamos la simulación de este circuitocon Fluidsim 3.6 para ayudarte a comprender su funcionamiento. Quizá sea convenienteralentizar la velocidad de simulación para verlo más claramente. Accede, desde el menú principal, a Opciones → Simulación…y modifica el valor «Factor espacio-tiempo» en el cuadro Velocidad de simulación. Una relación1:10 puede ser suficiente.

Por otra parte, si el circuito se extiende demasiado,es conveniente cambiar la configuración de páginaa horizontal. Ten en cuenta que Fluidsim 3.6no podrá simular el circuito si algún componentesale fuera del margen de página.

Desde Archivo → Medidas para dibujar…,accederás al cuadro de diálogo para configurar la página.

Colocaremos otra válvula temporizada a la desconexión en la vía 2 de la válvula 2V1 y renombraremos las válvulas biestables. De este modo hemos eliminado las interferencias en la válvula distribuidora que manda el cilindro 2A y su vástago ya puede escamotearse.

La secuencia completa ya puede completarse y repetirse cíclicamente.

Estado del circuito tras la incorporación de una segunda válvulatemporizada a la salida de 2V1. Ahora la señalneumática procedente de 2V2 no encuentrainterferencia en la válvula2V4.


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PRINCIPIOS FÍSICOS: ECUACIÓN DE BERNOUILLI Y EFECTO VENTURI (I)6 FICHA 12

La ecuación de Bernouilli es una expresión de la conservación de la energía mecánica.

Cuando una masa de fluido circula por una tubería cabe considerar 3 tipos de energía mecánica:

• Cinética (o hidrodinámica).

• Potencial (gravitatoria).

• Hidrostática (de presión sobre las paredes de la tubería).

Cuando un fluido ideal circula en régimen laminar (es decir, si no hay remolinos), su suma es la misma en todos los puntos de una misma tubería.

Consideremos la tubería de la figura que tiene dos tramos, uno con una sección mayor que el otro. Elegimos un punto, 1, en el tramoancho y otro punto, 2, en el tramo estrecho. Como ambos puntospertenecen a la misma tubería se cumple:

Ehidrodinámica + Ehidrostática + Egravitatoria = cte.

Dividiendo por mg todos los miembros y sustituyendo la densidad ρ = m/V:

(g = 9,81 m/s2)

El teorema de Bernouilli también se conoce como teorema de las tres alturas:

Altura dinámica + Altura piezométrica + altura geométrica = Altura total de carga

En tuberías rectas de sección circular, se ha comprobado experimentalmente que el régimen turbulento aparece cuando:

• ρ: densidad del líquido (kg/m3).

• <v>: velocidad media de flujo (m/s).

• D: diámetro de la conducción (m).

• μ: viscosidad dinámica del líquido (Pa ⋅ s).

Al término de la izquierda de la desigualdad se le llama número de Reynolds, NR. Es una magnitud adimensional. La velocidad crítica (vc) es aquella por encima de la cual el régimen se hace turbulento.

El efecto Venturi es una curiosa consecuencia del teorema de Bernouilli que constituye la base científica del «efecto chimenea» y de los pulverizadores caseros.

El efecto Venturi consiste en lo siguiente: la presión que ejerce un líquido contra las paredes interiores de una tubería por la que se desplaza en régimen laminar disminuye cuando disminuye la sección de la tubería. La variación de sección de la tubería debe ser suave para que no aparezcan turbulencias.

Nv D

vD

R c=⋅ ⋅

> =⋅

⋅ρ

μμ

ρ2320

2320;

v

g

P

gh

v

g

P

gh H1

21

122

22

2 2+ + = + + =

ρ ρ(cte.);

1

2

1

212

1 1 1 22

2 2 2mv P V mgh mv P V mgh+ ⋅ + = + ⋅ + = cte.

LA ECUACIÓN DE BERNOUILLI


EFECTO VENTURI

h1h2

P1 P2

h

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PRINCIPIOS FÍSICOS: ECUACIÓN DE BERNOUILLI Y EFECTO VENTURI (II)6 FICHA 12

Aplicando el teorema de Bernouilli y considerando que h1 = h2 = h, tenemos:

→

Si , entonces:

Ecuación de continuidad:S1 � v1 � S2 � v2

Piensa, por ejemplo, que si una persona tiene la presión sanguínea (tensión arterial) baja, su sangre circulará más rápido por las arterias (tendrá «velocidad en la sangre»).

Consideremos ahora un tubo horizontal (1) y otro vertical (2) conectados en «T» llenos de aire a presiónatmosférica. Si hacemos que el aire circule más rápido por la tubería 2, la presión en dicha tubería descenderá con respecto a la tubería 1. Ahora, la diferencia de presión entre ambas tuberías creará un flujo de aire de 1 a 2que tratará de equilibrarlas nuevamente. Dicho flujo crea un efecto de succión en la tubería 1.

El efecto Venturi se conoce desde hace mucho tiempo. Las chimeneas lo utilizan para crear «tiro», es decir, un efecto de succión que hace que el humo salga por ellas.

Muchos productos de limpieza doméstica incorporan un pulverizador cuyo fundamento es el efecto Venturi. En ellos, el aire forzado se consigue mediante un fuelle con palanca. Se produce entonces un efecto de succión en el tubo quearrastra pequeñas partículas de líquido que hay en el depósito.

vS

S

P P1

2

1

1 22= ⋅

⋅ −( )

ρ

S S22

12<<

v SP P

S S1 2

1 2

12

22

2= ⋅

⋅ −⋅ −

( )

( )ρv

g

P

gh

v

g

P

gh v v P1

21

122

22 2 1 2

2 2+ + = + + >

ρ ρ(como → << P1)

Por una arteria de sección 1 mm2 circula sangre con una presión de 1,5 bar a una velocidad de 0,01 m/s. La aparición de un trombo sanguíneo en un tramo de la arteria provoca que la sección efectiva de la misma se vea reducida hasta 0,8 mm2.

a) ¿Qué velocidad llevará la sangre en dicho tramo?

b) ¿Cuál será su presión en dicho tramo? Necesitarás buscar el valor medio de la densidad sanguínea.

Calcula la velocidad a la que aparecerán turbulencias en una tubería de sección circular 1 cm2, por la que circula aceite industrial de densidad ρ = 820 kg/m3 y viscosidad dinámica μ = 0,15 N ⋅ s/m2.

2

1

CUESTIONES

P1 = P2 = 1 atm

Se crea un flujo de aire de la tubería 1 hacia la 2, creando un efecto de succión en la tubería 1.

Efecto Venturi en una chimenea.

Efecto Venturi en un pulverizador.


P1

P2 P '2

P '1

Aireforzado

Viento

Partículasdel líquido

Palanca

Humo

P '1 = P1 = 1 atm

P '2 < P '1

⎫⎬⎪⎪⎭⎪⎪

→

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Fuerza efectiva de un cilindro

Volumen de aire comprimido consumido en cada ciclo de trabajo• De simple efecto:

VSEciclo = VSEavance = Se ⋅ L = ⋅ L; L es la carrera del émbolo

• De doble efecto: estos cilindros consumen aire en las 2 carreras (avance y retroceso).

VDEciclo = VDEavance + VDEretroceso = Se ⋅ L + Sef ⋅ L = Se ⋅ L + (Se − Sv) ⋅ L = (2Se − Sv) ⋅ L

Volumen de aire atmosférico consumido por ciclo de trabajo

Para su cálculo, utilizaremos la ley de Boyle: ; Relación de compresión

Consumo de aire atmosférico (m3/s)Consumo = n ⋅ V , siendo n el número de ciclos y V el volumen de aire atmosférico consumido por ciclo.

Unidades usuales• 1atm = 1,013 bar = 101 300 Pa = 760 mm Hg =

= 1,033 kgf/cm2 = 14,66 psi (libras/pulgada2)

=V

Vcomprimido

atmosférico

P

P

V

Vatmosférica

comprimido

comprimido

atmosfé

=rrico

πDe2

4

CÁLCULO EN CILINDROS NEUMÁTICOS



FORMULARIO DE NEUMÁTICA6 FICHA 13

• Ley de Boyle:

(T cte.)

• Ley de Charles:

(P cte.)

• Ley de Gay-Lussac:

(V cte.)

• Fuerzas y presiones. En este caso: P1 = P2.

P

T

P

Ti

i

f

f

=

V

T

V

Ti

i

f

f

=

P

P

V

Vi

f

f

i

=

• Variación del volumen de un gasen función de la temperatura:

ΔV = V0 ⋅ α ⋅ Δt– α: coeficiente de dilatación

volumétrica del gas.

– V0: volumen del gas a T = 273 K = 0 ºC.

• Ley combinada:

• Ecuación de los gases perfectos:

PV = nRT

P V

T

P V

Ti i

i

f f

f

⋅=

⋅=

Multiplicación de la fuerza:

Multiplicación del recorrido:

(conservación del trabajo)F

F

l

ll l1

2

2

11 2= >,

F

F

S

SF F1

2

1

22 1= >,

En este caso: F1 = F2

Multiplicación de la presión: P

P

S

SP P1

2

1

22 1= >,

• 1 kgf = 1 kp = 9,81 N

• 1 bar = 105 Pa

LEYES FUNDAMENTALES

• De simple efecto (SE):

FSEavance = η ⋅ (P ⋅ Se − Fm)

siendo η el rendimiento del cilindro (0 ≤ η ≤ 1) y Fm la resistencia del muelle.

• De doble efecto (DE):

• Se: sección del émbolo. • Sv sección del vástago.

F P SF P S P S

DEavance e

DEretroceso ef

= ⋅ ⋅= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅

ηη η ( ee v−

⎧⎨⎪⎪⎩⎪⎪ S )


P1P2

P1 P2

F1 F2

l1 l2

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La velocidad de salida de un líquido ideal, únicamente sometido ala acción de la gravedad, por un orificio pequeño practicado en undepósito de grandes dimensiones y paredes delgadas viene dada por:

Hipótesis: P1 = P2 = Patmosférica = 1 atm; v1 ≈ 0 (al ser el depósitotan grande, casi no se nota que baja el nivel). Tomamos como nivelcero de referencia de la energía potencial el ondo del depósito.Hemos aplicado el teorema de Bernouilli.

Ecuación ideal

En la realidad, las líneas de corriente no son perpendiculares al orificio de salida y la sección del chorro es menorque la del orificio (en la práctica, se considera que las 2/3 partes) A este fenómeno se le llama contracciónde la vena líquida y provoca que la velocidad de salida del líquido por el orificio sea menor:

¡Ecuación real!

Imaginemos un sólido inmerso en un fluido. Si, por alguna razón, en su parte superior el fluido se mueve a una velocidad (v1) mayor de lo que lo hace por debajo (v2) (según el teorema de Bernouilli, esto implica: P1 < P2), el sólido será empujado hacia arriba por una fuerza. Este efecto se produce en las alas de los aviones.

v g h h2 1 22

32= ⋅ ⋅ −( )

v

g

P

gh

v

g

P

gh v g h h1

21

122

22 2 1 2

2 22+ + = + + = ⋅ −

ρ ρ→ ( )

TEOREMA DE TORRICELLI

ECUACIÓN DE CONTINUIDAD

El caudal de un fluido ideal (incompresible y sin viscosidad), que circula en régimen laminar, se mantieneconstante a lo largo de una tubería de sección variable. Es decir, si circulan 2 m3 en un segundo por la sección S2,deberán pasar 2 m3, en el mismo tiempo, por la sección S1 (de lo contrario, o revienta la tubería o se crearánburbujas, lo cual supone que se abandona el régimen estacionario).

• Q: caudal que circula por la tubería (m3/s).

• V: volumen de líquido que se considera (m3).

• S: sección del conducto considerado (m2).

• l: longitud de tubería considerada (m).

• v: velocidad del fluido al atravesar la sección considerada (m/s).

O sea, que cuanto más fina sea la tubería, más deprisa circula el fluido (como habrás comprobado al utilizar una manguera de riego).

Q QV

t

V

t

S l

t

S l

tS v S v1 2

1 2 1 1 2 21 1 2 2= =

⋅=

⋅⋅ = ⋅→ → →



FORMULARIO DE HIDRODINÁMICA6 FICHA 14

En la práctica, un líquido pierde energía a medida que fluye por una tubería. Hay dos tipos de pérdidas: primarias(debidas a la viscosidad del líquido) y secundarias (debidas a las características de la tubería). Estas pérdidas se traducen en una disminución de la presión que será necesario compensar con una bomba hidráulica.

Hr: pérdida de carga (m). ¡Ojo!: A veces se expresa en «metros de columna de agua por metro de tubería».

v

g

P

gh

v

g

P

gh Hr

12

11

22

22

2 2+ + = + + +

ρ ρ

PÉRDIDAS DE CARGA


l1l2

S1 S2

h1

h2

V1

V2

EFECTO MAGNUS

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Notas

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6 neumática e hidráulica - tecnomiguelblog · pdf filepara implementarla...

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