4.º ESO · ⊕ 2.º Bachillerato · Tecnología · Hidráulica
Hidráulica 4.º ESO: el principio de Pascal, la prensa hidráulica y los circuitos
La hidráulica de 4.º ESO explica cómo un líquido encerrado convierte una fuerza pequeña en una enorme: es lo que mueve las excavadoras, los frenos de los coches y los gatos de taller. Aquí tienes qué es la presión y en qué se mide, el principio de Pascal, cómo funciona y se calcula la prensa hidráulica, los componentes con sus símbolos, cómo se leen los circuitos y, para 2.º de Bachillerato, los cálculos de cilindros, caudal y Bernoulli, con ejemplos resueltos y un laboratorio que dibuja y calcula cada caso.
¿Qué es la hidráulica?
La hidráulica es la técnica que usa un líquido a presión, casi siempre aceite, para transmitir fuerza y movimiento. Una bomba empuja el aceite por unos tubos, unas válvulas deciden a dónde va y unos cilindros o motores lo convierten en movimiento. Su gran ventaja es la fuerza: como los líquidos prácticamente no se comprimen, aguantan presiones de cientos de bar y empujan con precisión. Por eso la usan las máquinas que mueven mucho peso: excavadoras, grúas, prensas, elevadores de coches y los frenos de casi cualquier vehículo.
Es la hermana de la neumática, que hace lo mismo con aire comprimido. Se parecen mucho, pero no se usan para lo mismo:
| Neumática | Hidráulica | |
|---|---|---|
| Fluido | Aire comprimido | Aceite |
| Presión de trabajo | Unos 6 bar | De 100 a 300 bar (hasta 700) |
| Fuerza | Pequeña o media | Muy grande |
| Velocidad | Muy rápida | Lenta o media |
| Precisión | Poca: el aire se comprime | Mucha: el aceite no |
| Después de trabajar | El aire escapa a la atmósfera | El aceite vuelve al depósito |
Mini-ejercicio
¿Por qué los circuitos hidráulicos usan aceite y no agua?
La presión y sus unidades
La presión es la fuerza repartida sobre cada unidad de superficie. Por eso la punta de una chincheta se clava y su cabeza no: la fuerza es la misma, pero en la punta se reparte en una superficie diminuta.
p = FA
En hidráulica, la superficie es la de un émbolo redondo: A = π · d²4. La unidad del Sistema Internacional es el pascal (Pa), un newton sobre un metro cuadrado, pero es tan pequeña que en los talleres se usa el bar:
| Unidad | Equivale a |
|---|---|
| 1 bar | 100 000 Pa = 10 N/cm² = 0,1 N/mm² |
| 1 N/mm² | 10 bar |
| 1 atm | 1,013 bar: el aire a nivel del mar |
El truco para hacer las cuentas: con la fuerza en newtons y el área en mm², F ÷ A da N/mm², y por 10 sale en bar. Un elevador con un émbolo de Ø50 mm (1963,5 mm²) que sube 5000 N necesita 5000 ÷ 1963,5 = 2,546 N/mm², es decir, 25,5 bar. La presión la pone la carga: con el doble de peso, el doble de presión.
Calcula
Un émbolo de Ø20 mm (314,16 mm²) empuja con 1000 N. ¿Qué presión tiene el aceite, en bar?
El principio de Pascal
El principio de Pascal dice que la presión que se ejerce sobre un líquido encerrado se transmite íntegra y por igual a todos sus puntos y a las paredes del recipiente. Blaise Pascal lo mostró en el siglo XVII con una jeringa terminada en una bola con agujeros: al empujar el émbolo, el agua sale por todos los agujeros con chorros iguales, hacia arriba, hacia abajo y hacia delante. La presión no va solo hacia donde empujas: se reparte por igual en todo el líquido.
La prensa hidráulica
La prensa hidráulica es la aplicación más directa del principio de Pascal: dos cilindros de distinto tamaño unidos por un tubo lleno de aceite. Si empujas el émbolo pequeño con una fuerza F1, creas una presión que llega igual al grande; como el grande tiene más área, allí la fuerza es mucho mayor:
F1A1 = F2A2 → F2 = F1 · A2A1
Como el área va con el diámetro al cuadrado, si el émbolo grande tiene el doble de diámetro, empuja cuatro veces más; con el triple, nueve. Pero nada es gratis: el aceite que sale del pequeño entra en el grande, y como es más ancho sube muy poco. Lo que se gana en fuerza se pierde en recorrido, y el trabajo es el mismo en los dos lados:
A1 · x1 = A2 · x2 · F1 · x1 = F2 · x2
Es el caso del gato de botella: con émbolos de 12 y 40 mm, la fuerza se multiplica por (40 ÷ 12)² = 11,1. Empujando con 400 N levanta 4444 N, pero cada bombeo de 20 mm sube el coche solo 1,8 mm, así que hacen falta unos 34 bombeos para subirlo 6 cm. Por eso el gato lleva una válvula antirretorno: el aceite que entra en el cilindro grande no puede volver, y el coche sube un poco en cada empujón. Otras máquinas de Pascal son los frenos de la bici y del coche, la silla del peluquero y el elevador de los talleres. Si te suena a la ley de la palanca de los mecanismos, es porque es la misma idea.
Calcula
Una prensa tiene un émbolo pequeño de Ø10 mm y uno grande de Ø50 mm. Si empujas el pequeño con 100 N, ¿qué fuerza hace el grande, en newtons?
Los componentes de un circuito hidráulico y sus símbolos
Un circuito hidráulico tiene siempre las mismas partes. El grupo de presión (un motor eléctrico, la bomba, el depósito, un filtro y la válvula limitadora) mueve el aceite; los distribuidores deciden a dónde va; los actuadores (cilindros y motores hidráulicos) hacen el trabajo, y las válvulas de regulación y el manómetro lo controlan. Cada pieza se dibuja con su símbolo de la norma ISO 1219:
Dos ideas que conviene tener claras. La primera: la bomba no da presión, da caudal; la presión aparece cuando algo se opone al aceite. La segunda: los símbolos son casi los de neumática, con dos diferencias: en hidráulica los triángulos van rellenos y todo el aceite vuelve al depósito por la línea T. Los distribuidores se nombran igual: un 4/3 tiene cuatro vías (P, T, A y B) y tres posiciones. Si quieres repasar cómo funcionan los cilindros, tienes la entrada sobre el cilindro de simple y doble efecto.
Cómo se leen los circuitos hidráulicos
En todo circuito el aceite hace el mismo viaje: sale de la bomba por la línea de presión (P), el distribuidor lo manda a una boca del actuador y el que sale por la otra boca vuelve al depósito por la línea de retorno (T). En los esquemas de abajo, dibujados con el laboratorio, el aceite a presión va en rojo, el que vuelve al depósito en azul y el que está quieto pero con presión en ámbar, con una flecha en el sentido en que corre.
Fíjate en el centro: la bomba sigue girando, pero el aceite no puede ir a ningún sitio. La presión sube hasta la de la válvula limitadora, que abre y lo devuelve al depósito. Es la regla de oro de la hidráulica: la presión la pone la carga, y la limitadora pone el techo. Por eso una prensa, al tocar la pieza, aprieta exactamente a la presión de tarado de su limitadora.
Mini-ejercicio
Un cilindro de doble efecto avanza sin ninguna carga. ¿Qué marca el manómetro?
⊕ Cálculos de 2.º de Bachillerato: cilindros, caudal y Bernoulli
En Tecnología e Ingeniería II se calcula todo con dos magnitudes: la presión da la fuerza y el caudal (Q, el volumen de aceite por unidad de tiempo, en L/min) da la velocidad. Al avanzar, el aceite empuja toda la cara del émbolo (A); al retroceder, solo la corona que deja el vástago, el área anular (A − a). Por eso un cilindro retrocede más deprisa de lo que avanza, y con menos fuerza.
| Qué | Fórmula |
|---|---|
| Fuerza de avance y de retroceso | F = p · A · η · F = p · (A − a) · η |
| Velocidad | v = Q ÷ A (Q en mm³/s = L/min × 10⁶ ÷ 60) |
| Potencia hidráulica | P = p · Q · en kW, p (bar) · Q (L/min) ÷ 600 |
| Motor hidráulico | n = Q ÷ V · M = Δp · V ÷ 2π |
| Continuidad | A1 · v1 = A2 · v2 |
| Bernoulli | p + ½ · ρ · v² + ρ · g · h = constante |
Con un rendimiento de 0,85, ese cilindro avanza con 26 497 N y retrocede con 17 845 N, a 106,9 y 158,8 mm/s; el aceite lleva 3,33 kW de potencia y, si la bomba rinde 0,8, el motor eléctrico necesita 4,17 kW. En las tuberías se cumple la ecuación de continuidad: donde se estrechan, el aceite va más deprisa (con la mitad de diámetro, cuatro veces más), y por Bernoulli, donde va más deprisa hay menos presión. Si la presión baja demasiado, se forman burbujas de vapor que revientan y desgastan la bomba: es la cavitación, y por eso la tubería de aspiración es ancha y corta.
Calcula
Una bomba da 12 L/min a un cilindro de Ø50 mm (1963,5 mm²). ¿A qué velocidad avanza, en mm/s?
Pruébalo en el laboratorio de hidráulica
El laboratorio de hidráulica tiene cuatro modos. En Prensa hay ocho máquinas de Pascal, del experimento de las dos jeringuillas a una prensa de taller de veinte toneladas, en corte o como esquema: cambias los diámetros y la fuerza, y al bombear ves cuánto sube el émbolo grande. En Circuitos, como en el simulador de neumática, hay ocho circuitos con símbolos ISO (el gato, un elevador con 3/2, un cilindro y un motor con 4/3, la regulación de velocidad, una prensa con limitadora, dos cilindros en paralelo y el 4/3 en tándem) y cinco averías de «¿Qué falla aquí?»; el aceite corre por cada tubo en su sentido, con flechas, y debajo del esquema ves la pieza que toques por dentro, en corte y moviéndose, y una gráfica de la presión en las cámaras. Cambias la carga de cada cilindro, pones un manómetro en cualquier tubo y sigues cuatro experimentos guiados. En Monta, su propia pestaña, construyes tu propio circuito con la paleta, lo pruebas y lo compartes con un enlace. En Caudal, el cilindro en corte va y viene a sus dos velocidades y la tubería tiene partículas que aceleran en el estrechamiento; en Practica hay preguntas que se generan solas en cuatro niveles, de 4.º de ESO al reto de Bachillerato, con modo examen. Cada modo trae su tutorial guiado.
También tiene su propia ficha, el simulador de hidráulica, y si vienes de la neumática, su simulador de circuitos neumáticos funciona igual.
El proyecto: un brazo hidráulico con jeringuillas
El proyecto de la unidad es construir un brazo hidráulico con al menos dos movimientos, cada uno movido por una pareja de jeringuillas unidas por un tubo con agua: una de mando, en tu mano, y otra de trabajo, en el brazo. Cada pareja es una prensa hidráulica en miniatura. Hay que dibujar el esquema con símbolos, calcular cuánto multiplica la fuerza cada pareja y cuánto se mueve, construirlo en cartón o contrachapado, purgar el aire y comprobar que levanta un objeto de 100 g y lo deja en otro sitio.
Dudas frecuentes
¿Qué es la hidráulica?
Es la técnica que usa un líquido a presión, casi siempre aceite, para transmitir fuerza y movimiento. Una bomba mueve el aceite, unas válvulas deciden a dónde va y unos cilindros o motores hacen el trabajo. Como el aceite no se comprime, consigue fuerzas muy grandes y movimientos precisos.
¿Qué dice el principio de Pascal?
Que la presión que se ejerce sobre un líquido encerrado se transmite íntegra y por igual a todos sus puntos y a las paredes del recipiente. Es la base de la prensa hidráulica, los frenos y los gatos.
¿Cómo funciona una prensa hidráulica?
Tiene dos cilindros de distinto tamaño unidos por un tubo con aceite. Al empujar el émbolo pequeño se crea una presión que llega igual al grande; como el grande tiene más área, empuja con más fuerza. A cambio, se mueve mucho menos: el volumen de aceite que pasa es el mismo.
¿Cuál es la fórmula de la prensa hidráulica?
F1 ÷ A1 = F2 ÷ A2, porque la presión es la misma en los dos émbolos. De ahí, F2 = F1 · A2 ÷ A1, o con diámetros, F2 = F1 · (d2 ÷ d1)². Y para el recorrido, A1 · x1 = A2 · x2.
¿Por qué se usa aceite en hidráulica y no agua?
Los dos casi no se comprimen, pero el aceite engrasa las piezas que rozan, no las oxida, no se congela en invierno ni hierve con el calor del trabajo. El agua solo se usa en montajes sencillos, como el brazo de jeringuillas.
¿Qué diferencia hay entre neumática e hidráulica?
La neumática usa aire comprimido a unos 6 bar: es rápida y limpia, pero hace poca fuerza y es poco precisa, porque el aire se comprime. La hidráulica usa aceite a cientos de bar: es más lenta, pero muy fuerte y precisa. Además, el aire escapa a la atmósfera y el aceite vuelve al depósito.
¿Qué hace la válvula limitadora de presión?
Es la seguridad del circuito: si la presión llega a su valor de tarado, abre y devuelve el aceite al depósito. Sin ella, cuando un cilindro llega al final o el distribuidor cierra el paso, la presión subiría hasta romper un tubo o la bomba. También decide la fuerza máxima de una prensa.
¿Cómo se calcula la fuerza de un cilindro hidráulico?
Multiplicando la presión por el área del émbolo y por el rendimiento: F = p · A · η. Al retroceder, el área es la anular, A − a, porque el vástago ocupa parte de la cara. Con la presión en N/mm² (bar ÷ 10) y el área en mm², la fuerza sale en newtons.
¿Qué es la cavitación?
Es la formación de burbujas de vapor en el aceite cuando su presión baja demasiado, sobre todo en la aspiración de la bomba. Al llegar a una zona de presión alta, las burbujas revientan y arrancan trocitos de metal: la bomba hace ruido y se estropea. Se evita con tuberías de aspiración anchas y cortas.
¿Cuánto es un bar de presión?
Un bar son 100 000 pascales, 10 N/cm² o 0,1 N/mm². Es más o menos la presión del aire a nivel del mar (1 atm = 1,013 bar). Una rueda de coche va a unos 2 bar, un circuito neumático a 6 y una excavadora a unos 350.
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Seis bloques con ejercicios que se corrigen solos, el laboratorio de hidráulica dentro, un repaso de veinte preguntas y el proyecto del brazo hidráulico con jeringuillas.
Abrir la unidad de Hidráulica →Unidad elaborada por Jaime Aniorte, profesor de Tecnología en un instituto de la Región de Murcia, que ha construido el laboratorio de hidráulica que la acompaña. Sigue el currículo de Tecnología de 4.º de ESO de la Región de Murcia («neumática e hidráulica: componentes y principios físicos; diseño y simulación de circuitos») y, en la ampliación, el de Tecnología e Ingeniería II de 2.º de Bachillerato (sistemas hidráulicos y sus cálculos). Antes, conviene haber hecho la unidad de Neumática.