reporte proyecto brazo hidraulico

1 Universidad Politcnica de Victoria | Mecnica de Fluidos | Proyecto Final

Universidad Politcnica de Victoria

Materia: Mecnica de fluidos

Unidad 4

Reporte: Proyecto final

Brazo Excavador Hidrulico

Equipo #1

Integrantes:

Luis Humberto Alans Ortega

Jesus Alberto Perez Rincn

Hctor Miguel Grimaldo Castillo

Jorge Manuel Torres Reyes

Josu Cruz Ramos

Maestro: Ing. Pablo Cesar Carbo Vela

Fecha: 08/04/2015 Lugar: Cd. Victoria, Tamps.


ndice

Objetivo ............................................................................................................................. 3

Introduccin ...................................................................................................................... 3

Marco Terico ................................................................................................................... 4

Pistn. ........................................................................................................................... 5

Transformacin de potencia ......................................................................................... 6

Aplicacin de potencia en jeringas ............................................................................... 6

Aplicacin de las palancas al brazo hidrulico............................................................. 6

Movimientos del brazo hidrulico. ................................................................................ 7

Resumen........................................................................................................................... 8

Material Utilizado .............................................................................................................. 8

Desarrollo.......................................................................................................................... 9

Resultados ...................................................................................................................... 11

Anlisis e interpretacin de resultados .......................................................................... 11

Clculos .......................................................................................................................... 12

Conclusiones .................................................................................................................. 13

Bibliografas .................................................................................................................... 14

ANEXOS ......................................................................................................................... 15

Material Utilizado ........................................................................................................ 15

Ensamble de piezas.................................................................................................... 16


Objetivo Construccin y operacin de un brazo mediante un sistema hidrulico.

Construir un brazo hidrulico mediante fluidos, utilizando movimiento de rotacin, presin hidrosttica, energa cintica, tensiones, trabajo-energa.

Demostrar que en base al principio de Pascal se puede formar un Brazo

Hidrulico que funcione como una herramienta de construccin, que nos facilite

el acceso a objetos a distancia, comprendiendo las aplicaciones del principio de

Pascal.

Introduccin

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 pequeo,

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.

Joseph Bramah (13-Abril-1748 9-Diciembre-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.

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.


Marco Terico

Un fluido es una sustancia que se deforma permanente y continuamente cuando se le aplica un esfuerzo cortante. Todos los fluidos son compresibles (los cuerpos disminuyen de volumen al someterlos a una presin) en cierto grado. No obstante, los lquidos son mucho menos compresibles que los gases.

Si consideramos que la densidad del fluido permanece constante, la presin en el

interior del fluido dependera nicamente de la profundidad.

En esta clase de fluidos la densidad es prcticamente constante, de modo que de

acuerdo con la ecuacin:

Donde:

Presin total a la profundidad medida en Pascales (Pa). Densidad del fluido.

Aceleracin de la gravedad.

Si se aumenta la presin sobre la superficie libre, por ejemplo, la presin total en el fondo ha de aumentar en la misma medida, ya que el trmino gh no vara al no hacerlo la presin total. Principio de Pascal: Una presin externa aplicada a un fluido confinado se transmite uniformemente a travs del volumen del lquido.

De acuerdo a esta ley, si una fuerza de entrada (F1) acta sobre un mbolo de rea

(A1), causar una fuerza de salida (F2) que actuar sobre un segundo mbolo (A2). Con

esto tenemos que la presin de entrada es igual a la presin de salida.

Transmisin de presin: Una fuerza mecnica es aplicada en el pistn A. La presin

interna desarrollada en el fluido por su la densidad ejerciendo una presin de empuje en

el pistn B.


Segn la ley de Pascal la presin desarrollada en el fluido es igual en todos los puntos

por la que la presin desarrollada en el pistn B es igual a la presin ejercida en el fluido

por el pistn A, asumiendo que los dimetros de A y B son iguales y sin importar el

ancho o largo de la distancia entre los pistones, es decir por donde transitar el fluido

desde el pistn A hasta llegar al pistn B.

Fig. 1 Prensa Hidraulica.

Aplicacin de presin en jeringas: El largo cilindro de la figura puede ser dividido en

dos cilindros individuales del mismo dimetro y colocados a distancia uno de otro

conectados entre s por una caera. El mismo principio de transmisin de la presin

puede ser aplicado, y la presin desarrollada en el pistn B va ser igual a la presin

ejercida por el pistn A.

Fig. 1.1 Aplicacin en jeringas.

En esta aplicacin de presin en las jeringas hacemos una transferencia de energa en el fluido.

El brazo hidrulico es tambin una maquina simple (un artefacto mecnico que

transforma una fuerza aplicada en otra resultante, modificando la magnitud de la fuerza,

su direccin, la longitud de desplazamiento o una combinacin de ellas) funciona como

palanca.

Pistn.

Se denomina pistn Se trata de un mbolo que se ajusta al interior de las paredes del

cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos. Efecta un movimiento alternativo,

obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presin y volumen o

transformando en movimiento el cambio de presin y volumen del fluido.


En todas las aplicaciones en que se emplea, el pistn recibe o transmite fuerzas en

forma de presin de a un lquido o de a un gas.

Transformacin de potencia

Una fuerza mecnica, trabajo o potencia es aplicada en el pistn A. La presin interna

desarrollada en el fluido por su la densidad ejerciendo una fuerza de empuje en el pistn

B. Segn la ley de Pascal la presin desarrollada en el fluido es igual en todos los puntos

por la que la fuerza desarrollada en el pistn B es igual a la fuerza ejercida en el fluido

por el pistn A, asumiendo que los dimetros de A y B son iguales y sin importar el

ancho o largo de la distancia entre los pistones, es decir por donde transitar el fluido

desde el pistn A hasta llegar al pistn B.

Fig. 1.2 Transformacin de potencia.

Aplicacin de potencia en jeringas

El largo cilindro de la figura puede ser dividido en dos cilindros individuales del mismo

dimetro y colocados a distancia uno de otro conectados entre si por una caera. El

mismo principio de transmisin de la fuerza puede ser aplicado, y la fuerza desarrollada

en el pistn B va ser igual a la fuerza ejercida por el pistn A. En el siguiente grfico

podemos observar la versatilidad de los sistemas hidrulicos y/o neumticos al poder

ubicarse los componentes aislantes no de otro, y transmitir las fuerzas en forma

inmediata a travs de distancias considerables con escasas perdidas. Las transmisiones

pueden llevarse a cualquier posicin. Aun doblando esquinas, pueden transmitirse a

travs de tuberas relativamente pequeas con pequeas perdidas de potencia.

Fig. 1.3 Aplicacin en jeringas.

Aplicacin de las palancas al brazo hidrulico

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 pero por esttica se us acrlico y sostenidas en sus ejes por piezas de

acrlico u tornillos de acero, 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.

Fig. 1.4 Aplicacin de las palancas al brazo hidrulico.

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

Movimientos del brazo hidrulico.

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.


Resumen

El proyecto se basa en el principio de Pascal, el cual dice que: Una presin externa aplicada a un fluido confinado se transmite uniformemente a travs del volumen del lquido. El proyecto consiste en una representacin sencilla de un brazo mecnico que sirve para levantar objetos a distancia, si la comparamos con una maquina como una gra, podemos apreciar su utilidad. Para realizar el proyecto, utilizamos principalmente jeringas y las mangueras, para aprovechar la fuerza que estas pequeas prensas hidrulicas proporcionan y as darle movimiento a lo que ms tarde conformar el brazo hidrulico. Utilizamos acrlico, tornillos y las jeringas y tambin con este material hicimos las partes que conformaran el brazo mecnico. Las jeringas, las mangueras y la parte que servira como excavadora, las unimos a las partes del brazo con tornillos y acomodndolas estratgicamente para que pudieran dar movimiento a las articulaciones. La razn por la que utilizamos cuatro pares de jeringas y mangueras, es porque necesitbamos realizar una transmisin de presin para as lograr que los mbolos de las jeringas se movieran una cierta distancia, provocando el movimiento del brazo, al ser acomodadas. Como fluido, utilizamos nicamente agua, ya que nos pareci de muy fcil acceso. Cada par de jeringas funciona como una presa hidrulica, tenemos un fluido confinado

y lo transmitimos a la otra jeringa aplicando una fuerza en el mbolo, esta se transmite

y hace que se mueva el otro mbolo.

Material Utilizado

Material Cantidad

Jeringas 8

Manguera 6 m

Acrlico 50cmX50cm

Tornillos 12

Tuercas 26

Base de madera 30cmX20cm

Silicn frio 1

Cinchos 8

Tabla 1. Material utilizado


Desarrollo

A continuacin se muestran los pasos con imgenes de la construccin del brazo

hidrulico.

Primeramente se compraron los materiales necesarios (ver tabla 1). Siguiendo con el

proyecto se procedi a cortar las partes del brazo para as ensamblarlo.

(a) (b)

Fig. 1.5 Construccion de brazo hidraulico.

Al tener todas las partes del brazo ya cortadas del material de acrlico se continu con realizarle los agujeros con un taladro. Estos agujeros son para los unir todas las partes

del brazo con tornillos y tuercas.

En el extremo del brazo se tiene la parte excavadora de este, la cual calentando el acrlico se logr doblarlo para dar forma a las partes de este y as poder pegarlo con

pegamento frio.

`

(a) (b)

Fig. 1.6 Construccion de brazo hidraulico (Ensamblaje de piezas).

Al tener ya toda la estructura del brazo se procedio a colocar las jeringas en los soportes hechos en la estructura del brazo sujetandolas con cinchos y alambre delgado.


Luego se llenan las jeringas con agua y se les colocan las mangueras, hacindolas que embonen perfectamente en la entrada de cada jeringa, se coloca una en cada extremo y se deja fluir el agua, procurando que no quede aire.

(a) (b)

(c)

Fig. 1.7 Construccin de brazo hidrulico (colocacin de jeringas).

Se colocan las jeringas en la estructura de acrlico. Con el primer par de jeringas, una se coloca en la parte inferior del brazo, haciendo que levante las otras dos extremidades.

Otra jeringa se coloc en la parte de la extremidad superior la cual soporta el peso de la tercera extremidad y la parte excavadora. El otro par de jeringas se acomodan en la base de haciendo que se mueva, se pegan a la tabla y se asegura, la otra jeringa se acomoda. Y por ltimo el otros par de jeringas se coloca a la parte excavadora la cual levanta o la baja.


Resultados

Los resultados del proyecto fueron satisfactorios ya que el brazo tiene un buen

funcionamiento mecnico ya que sus movimientos son bien ejecutados a la hora de

hacer presin en las jeringas tienen una buena respuesta. En la fig. 1.8 se muestra el

brazo ya terminado.

Fig. 1.8 Brazo Hidrulico terminado

Anlisis e interpretacin de resultados

Se obtuvo el movimiento del brazo gracias a las pequeas prensas hidrulicas.

Si las mangueras llegan a tener algn obstculo (presionar una parte de la manguera), si el lquido no fluye y es necesario aplicar demasiada fuerza y en consecuencia de esto se vota de la otra manguera desnivelando todo el sistema.

Mientras ms pesado sea el objeto se necesitar aplicar una fuerza mayor, ya que se crea ms presin.

El movimiento que levanta los pesos se crea en funcin de las reas, que transmiten la presin, a menor rea mayor presin.

Podemos mover el brazo la misma distancia que las alturas de las jeringas ya que estn miden 7 cm, puede rotar 7 cm, las dems jeringas tienen la misma altura 9 cm.

Ya que las jeringas tienen la misma altura ejercemos la misma presin en ambas.


Clculos

La ventaja mecnica ideal es de 5, ya que las reas son A1= 2cm y A2= 0.4 cm. El volumen de agua utilizado es de: Jeringa 1: 0.00003 m Jeringa 2: 0.000035 m Jeringa 3: 0.000025 m Jeringa 4: 0.000015 m Las masas levantadas son de:

100 gr

50 gr

20 gr

15 gr

10 gr.

Calculamos las fuerzas de salida para cada una de las masas. F=W F= mg/ Mi

M= masa

g= aceleracin de gravedad

Mi= mecnica ideal

F= (0.1 kg) (9.8 m/s) /5 = 0.196 N F= (0.05 kg) (9.8 m/s) /5 = 0.098 N F= (0.02 kg) (9.8 m/s) /5 = 0.0392 N F= (0.015 kg) (9.8 m/s) /5 = 0.0294 N F= (0.01 kg) (9.8 m/s) /5 = 0.0196 N Calculamos la presin H1= 7 cm jeringa 4 (parte inferior, rotacin) H2= 9 cm jeringas 1, 2 y 3 (estructura de acrlico) P= dgh P1= (1000 kg/m) (0.07 m) (9.8 m/s) = 686 Pa P2= (1000 kg/ m) (0.09m) (9.8 m/s) = 882 Pa


Conclusiones El movimiento se produce gracias a la fuerza de empuje de los mbolos. Es una aplicacin fcil y divertida, si se compara con una mquina de construccin se puede notar la estructura y la similitud, por consiguiente apreciar sus aplicaciones y su funcionamiento tan sencillo pero til.

La energa hidrulica es la resultante del aprovechamiento de la energa cintica y

potencial del agua.

Es posible cargar objetos pesados con poca fuerza. No se debe de obstruir el paso del fluido porque necesitara ms fuerza el embolo. Entre ms pesado sea el objeto se necesitara empujar el embolo con ms fuerza.


Bibliografas

Tippens, Paul, Fsica. Conceptos y Aplicaciones. Mxico, Mc Graw Hill, 7 edicin, 2007

Sears, Zemansky & Young, Fsica Universitaria, sexta edicin (64013)

http://trabajofisica.galeon.com/

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/prensa/prensa.html

http://perso.gratisweb.com/grupopascal/FLUIDOS%20Profe/FLUIDOS%20Profe/C

arpeta%20unidad/Phidrostatica/index.html


ANEXOS

Material Utilizado


Ensamble de piezas

reporte proyecto brazo hidraulico

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