Una excavadora levanta toneladas de tierra, un coche frena con la fuerza de un pie y un gato sube una esquina del coche con la de una mano. Detrás de todo eso hay lo mismo: un líquido encerrado que transmite la presión a todas partes y convierte una fuerza pequeña en una enorme. Mira el mapa completo antes de empezar y vuelve aquí siempre que te pierdas. Los bloques marcados con ⊕ son de ampliación, para 2.º de Bachillerato.
La hidráulica usa un líquido a presión (casi siempre aceite) para transmitir fuerza y movimiento. Como el líquido no se comprime, empuja con precisión y con fuerzas enormes.
Qué es la presión y en qué se mide · 5 conceptos
Fuerza entre superficie
1 bar = 0,1 N/mm² = 100 000 Pa
Por eso empujan con precisión
Lubrica, no se oxida y aguanta el calor
Aceite a 100-300 bar frente a aire a 6 bar
Multiplicar la fuerza · 5 conceptos
F1A1 = F2A2 🎮
Doble de diámetro, cuatro veces la fuerza
A1 · x1 = A2 · x2: el grande sube poco
F1 · x1 = F2 · x2
Gato, frenos, elevador, silla 🎮
Qué hace cada pieza y su símbolo · 5 grupos
Motor, bomba, depósito, filtro y limitadora
3/2 y 4/3: vías y posiciones
Cilindros y motor hidráulico
Antirretorno y estranguladora
Triángulos rellenos: es aceite 🎮
Seguir el aceite · 5 circuitos
Bomba de mano, antirretorno y llave 🎮
Sube con aceite, baja por su peso
Avanza, se para o retrocede 🎮
Gira a un lado o al otro
Aprieta hasta la presión de tarado
Cilindros, caudal y Bernoulli · 6 conceptos
Al retroceder, el área anular 🎮
Retrocede más deprisa que avanza
La potencia hidráulica
A1 · v1 = A2 · v2 🎮
Más velocidad, menos presión
Burbujas que se comen la bomba
¿Por dónde empiezo? Por el bloque 1. Las ramas van en orden: primero qué es la presión, luego cómo la usa la prensa para multiplicar la fuerza, después las piezas de un circuito y, al final, circuitos completos. Los bloques 5 y 6 (⊕) son los cálculos de 2.º de Bachillerato. Si ya has hecho la unidad de Neumática, los símbolos te sonarán: hay pocas diferencias y aquí se cuentan.
Los trece componentes de la unidad, con su símbolo de la norma ISO 1219 y lo que hacen. Son los mismos que salen en el laboratorio. Ten esta hoja a mano en toda la unidad.
| Qué | Fórmula | Unidades |
|---|---|---|
| Presión | p = FA | 1 bar = 0,1 N/mm² = 10 N/cm² = 100 000 Pa |
| Área de un émbolo | A = π · d²4 | d en mm → A en mm² |
| Prensa (Pascal) | F1A1 = F2A2 | la misma presión en los dos |
| Volumen que pasa | A1 · x1 = A2 · x2 | lo que baja uno, lo sube el otro |
| ⊕ Fuerza de un cilindro | F = p · A · η | al retroceder, el área anular A − a |
| ⊕ Velocidad | v = QA | Q en L/min × 10⁶ ÷ 60 → mm³/s |
| ⊕ Potencia hidráulica | P = p · Q | en W: p en Pa y Q en m³/s |
| ⊕ Continuidad y Bernoulli | A1 · v1 = A2 · v2 p + ½ · ρ · v² = cte. | ρ del aceite ≈ 870 kg/m³ |
Una excavadora mete la pala en la tierra y levanta dos toneladas como si nada. Si miras su brazo, no verás motores en las articulaciones: verás cilindros brillantes y tubos negros. Por esos tubos va aceite, y ese aceite es el que hace toda la fuerza. ¿Cómo puede un líquido empujar tanto?
La presión es la fuerza que se reparte sobre cada unidad de superficie: p = FA. Una misma fuerza aprieta más cuanto más pequeña es la superficie sobre la que actúa.
Empuja una chincheta con el pulgar: la cabeza no te hace daño y la punta se clava en la madera. La fuerza es la misma en los dos extremos, pero en la punta se reparte sobre una superficie diminuta y la presión es enorme. Al revés, unas raquetas de nieve reparten tu peso sobre mucha superficie y no te hundes.
En hidráulica la superficie es casi siempre la de un émbolo redondo, la pieza que se mueve dentro del cilindro. Su área sale de su diámetro: A = π · d²4. Con el diámetro en milímetros, el área sale en mm².
La unidad del Sistema Internacional es el pascal (Pa): un newton sobre un metro cuadrado. Es muy pequeña, así que en los talleres se usa el bar, que es más o menos la presión del aire que nos rodea.
| Unidad | Qué es | Equivale a |
|---|---|---|
| pascal (Pa) | 1 N sobre 1 m² | la unidad del SI; muy pequeña |
| bar | la de los talleres y los manómetros | 1 bar = 100 000 Pa = 10 N/cm² = 0,1 N/mm² |
| N/mm² | la cómoda para hacer cuentas con émbolos en mm | 1 N/mm² = 10 bar |
| atmósfera (atm) | la presión del aire a nivel del mar | 1 atm = 1,013 bar |
El truco de la unidad: si la fuerza va en newtons y el área en mm², la cuenta F ÷ A da N/mm², y multiplicando por 10 sale en bar.
Un gas se puede comprimir: aprietas una jeringuilla tapada con aire dentro y el émbolo baja. Con agua, no baja ni un milímetro. Los líquidos son prácticamente incompresibles, y eso tiene dos consecuencias: lo que empujas por un lado sale por el otro sin perder recorrido, y se pueden alcanzar presiones de cientos de bar sin que el fluido «ceda».
Se usa aceite y no agua porque engrasa las piezas que rozan, no las oxida, no se congela en invierno ni hierve con el calor del trabajo. Su inconveniente: es caro, ensucia si hay una fuga y hay que reciclarlo.
| 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 sale a la atmósfera | el aceite vuelve al depósito |
| Dónde se usa | robots, puertas de autobús, envasadoras | excavadoras, grúas, frenos, prensas |
La hidráulica no da fuerza «porque sí»: la da porque el aceite no se comprime y aguanta presiones muy altas. A cientos de bar, un émbolo de pocos centímetros empuja toneladas.
Cubren las tres ideas del bloque: qué es la presión, sus unidades y por qué se usa un líquido.
1. ¿Por qué se clava la punta de una chincheta y no su cabeza, si las dos reciben la misma fuerza?
2. Sobre un émbolo de 200 mm² se empuja con 600 N. ¿Qué presión tiene el aceite, en bar?
3. Une cada presión con su equivalente. Pulsa una de la izquierda y luego su pareja de la derecha.
4. Rellena los huecos:
5. La placa de una excavadora dice que su circuito trabaja a 350 bar. ¿Cuántos N/mm² son?
6. Ordena estas presiones de menor a mayor. Cuidado: cada una está en una unidad distinta.
Se te pincha una rueda. Pones el gato de botella bajo el coche, mueves la palanca con una mano… y la esquina del coche, que pesa unos 400 kg, sube. Empujas con una fuerza de unos 400 N y el gato levanta más de 4000. ¿De dónde sale la fuerza que falta?
Principio de Pascal: 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, un científico francés del siglo XVII, lo comprobó 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.
Une dos cilindros de distinto tamaño con un tubo y llénalo todo de aceite. Si empujas el émbolo pequeño con una fuerza F1, creas una presión p = F1 ÷ A1. Por Pascal, esa misma presión llega al émbolo grande, que tiene mucha más superficie: allí la fuerza es F2 = p · A2, mucho mayor.
El gato de botella en corte: el mismo aceite, a la misma presión, empuja los dos émbolos.
Como el área va con el diámetro al cuadrado, el atajo es comparar diámetros: si el émbolo grande tiene el doble de diámetro, tiene cuatro veces el área y empuja cuatro veces más; con el triple de diámetro, nueve veces más. En general, A2 ÷ A1 = (d2 ÷ d1)².
El aceite que sale del cilindro pequeño entra en el grande: los dos volúmenes son iguales. Como el grande es mucho más ancho, sube muy poco:
Por eso los gatos tienen una válvula antirretorno y se bombean: en cada empujón entra un poco de aceite en el cilindro grande y no puede volver. Sube unos milímetros cada vez, y hacen falta muchos bombeos para levantar el coche unos centímetros.
| Máquina | Émbolo pequeño | Émbolo grande |
|---|---|---|
| Gato de botella | la bomba que mueve la palanca | el pistón que sube el coche |
| Freno de bici | en la maneta | en la pinza, contra el disco |
| Freno de coche | la bomba de freno, en el pedal | los pistones de las cuatro pinzas |
| Silla de peluquería | el pedal | el pistón del pie de la silla |
| Elevador de coches | la bomba (eléctrica) | el pistón ancho bajo el coche |
La prensa multiplica la fuerza, no la energía. Si el émbolo grande empuja 10 veces más, sube 10 veces menos. Es como una palanca: nada es gratis.
En el laboratorio tienes ocho máquinas como esta, del experimento de las jeringuillas a la prensa de taller de veinte toneladas. Cambia los diámetros y la fuerza con los deslizadores y pulsa «Bombear» para ver cuánto sube el émbolo grande en cada empujón.
Cubren las tres ideas del bloque: el principio de Pascal, la fuerza de la prensa y el recorrido que se pierde.
1. Llenas de agua una bolsa de plástico, le haces cuatro agujeros iguales (arriba, abajo y a los lados) y la aprietas con la mano. ¿Qué pasa?
2. La silla del peluquero tiene un émbolo de Ø15 mm en el pedal y uno de Ø60 mm en el pie. Si pisas con 150 N, ¿con qué fuerza empuja hacia arriba el émbolo grande?
3. En un freno de bici, el émbolo de la maneta mide Ø8 mm y el de la pinza, Ø22 mm. ¿Cuántas veces multiplica la fuerza de tu dedo? (Con dos decimales.)
4. Rellena los huecos:
5. Une cada máquina con dónde está su émbolo grande, el que hace la fuerza.
6. Un compañero dice: «Con una prensa hidráulica ganas energía gratis: empujas poco y levantas mucho». ¿Qué le contestas?
El circuito hidráulico de una grúa tiene decenas de metros de tubo, válvulas del tamaño de un ladrillo y cilindros de dos metros. Y sin embargo su esquema cabe en un folio: no dibuja tubos ni tornillos, sino símbolos que cualquier técnico del mundo sabe leer.
Un circuito hidráulico tiene siempre las mismas partes: un grupo de presión que mueve el aceite, unos distribuidores que deciden a dónde va, unos actuadores que hacen el trabajo y unos elementos de regulación y medida. Cada pieza se dibuja con su símbolo de la norma ISO 1219.
Es el «corazón» del circuito. Un motor eléctrico hace girar la bomba, que aspira aceite del depósito, lo pasa por un filtro y lo empuja hacia el circuito. La válvula limitadora es la seguridad: si la presión llega a su valor de tarado, abre y devuelve el aceite al depósito para que nada reviente.
Ojo con una idea que suele confundirse: la bomba no «da presión», da caudal. Empuja una cantidad de aceite por minuto. La presión aparece cuando algo se opone a que ese aceite avance: la carga del cilindro, una válvula cerrada, el tope del recorrido.
Deciden por dónde va el aceite. Se nombran con dos números: el primero son las vías (las bocas a las que se conectan tubos) y el segundo, las posiciones (las casillas del dibujo). Las bocas tienen nombre: P la presión que llega de la bomba, T el retorno al depósito (de tank), y A y B las que van al actuador.
Son los que hacen el trabajo: convierten la presión del aceite en movimiento.
El de simple efecto solo tiene una boca: el aceite lo hace avanzar y vuelve por un muelle o por el peso de la carga (como el gato). El de doble efecto tiene dos: el aceite lo empuja hacia fuera por una y hacia dentro por la otra. El motor hidráulico gira; fíjate en que sus triángulos apuntan hacia dentro, porque la energía entra, mientras que en la bomba apuntan hacia fuera, porque sale.
La antirretorno deja pasar el aceite en un solo sentido (la bola se aprieta contra su asiento en el otro). La estranguladora antirretorno estrecha el paso para frenar el aceite en un sentido y lo deja libre en el otro: sirve para regular la velocidad de un cilindro. El manómetro mide la presión en ese punto.
Los símbolos hidráulicos son casi los de neumática, con dos diferencias: los triángulos van rellenos (en neumática, vacíos) y todo el aceite vuelve al depósito por la línea T (en neumática, el aire escapa a la atmósfera).
En el laboratorio, abre un circuito y marca «Identifica el componente»: te pide un componente y tienes que tocarlo en el esquema. Con el circuito de regulación salen casi todos.
Cubren las tres ideas del bloque: qué hace cada componente, cómo se lee un distribuidor y cómo se reconoce cada símbolo.
1. En este circuito, pulsa sobre la válvula limitadora de presión.
2. La bomba de un circuito está funcionando, pero el cilindro no tiene ninguna carga y avanza libre. ¿Qué presión marcará el manómetro?
3. Une cada válvula con lo que hace.
4. ¿Qué componente es este?
5. Rellena los huecos:
6. Encuentras un esquema sin título. ¿Cómo sabes, solo mirando los símbolos, si es de hidráulica o de neumática?
El conductor de una excavadora mueve una palanca hacia delante y la pala baja; la suelta y la pala se queda quieta en el aire, con toda la tierra; la mueve hacia atrás y la pala sube. Con lo que ya sabes de los componentes, puedes seguir el aceite y entender qué pasa en cada momento.
En todo circuito hidráulico 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 aceite que sale por la otra boca vuelve al depósito por la línea de retorno (T).
Los esquemas de este bloque están dibujados con el laboratorio de hidráulica, que pinta cada tubería según lo que pasa en ella y pone una flecha en el sentido en que corre el aceite:
El circuito más sencillo con bomba: un cilindro de simple efecto que sube una carga. Al pulsar el distribuidor, P se une con A y el aceite llena el cilindro. Al soltarlo, el muelle lo devuelve a reposo, A se une con T y el peso de la carga hace bajar el cilindro, que vacía su aceite en el depósito.
Es el circuito de la excavadora. Con el distribuidor 4/3 de centro cerrado, el cilindro avanza, se para donde quieras o retrocede:
Fíjate en el centro: la bomba sigue girando, pero el aceite no puede ir a ningún sitio. La presión sube hasta la de la limitadora, que abre y lo devuelve al depósito. Por eso la limitadora no puede faltar nunca en un circuito con bomba.
No tiene motor: la bomba es un émbolo pequeño que mueves con la palanca. Al bombear, el aceite pasa por una antirretorno al cilindro grande y no puede volver; el coche sube un poco en cada empujón. Para bajarlo, se abre una llave de descarga y el peso del coche empuja el aceite al depósito.
Con el mismo distribuidor 4/3, un motor hidráulico gira a un lado, se para o gira al otro: así se mueven las cintas transportadoras y el giro de las grúas. Y en una prensa, el cilindro baja hasta tocar la pieza; como ya no puede avanzar, la presión sube hasta la de la limitadora, que abre: la fuerza máxima de la prensa la decide la presión de tarado.
La presión la pone la carga; la limitadora pone el techo. Un cilindro sin carga avanza casi sin presión; con una carga grande, la presión sube lo justo para moverla; y si la carga es imposible o el cilindro llega al tope, sube hasta la presión de tarado y la limitadora abre.
En el laboratorio están estos circuitos y algunos más: dos cilindros en paralelo, el 4/3 en tándem y cinco averías de «¿Qué falla aquí?». Cambia el distribuidor de posición, mira hacia dónde corre el aceite y fíjate en el manómetro; debajo del esquema tienes el cilindro por dentro y la gráfica de su presión. En el gato, mantén pulsado «Bombear». Y en la pestaña Monta puedes construir tu propio circuito con la paleta y probarlo.
Cubren las tres ideas del bloque: seguir el aceite, las posiciones del distribuidor y de dónde sale la presión.
1. Mira los colores de este esquema. ¿Qué está haciendo el cilindro?
2. Ordena el viaje del aceite cuando un cilindro de doble efecto avanza:
3. Al mismo cilindro del ejemplo (Ø63 mm) le ponen una carga de 12 000 N. ¿Qué marca el manómetro mientras avanza? (Con un decimal.)
4. Sueltas la palanca del 4/3 de centro cerrado y el cilindro se para. La bomba sigue girando. ¿A dónde va su aceite?
5. Une cada situación con lo que hace el actuador.
6. La prensa con la limitadora tarada a 150 bar baja, toca la pieza y se para. ¿Qué marca ahora el manómetro?
En una fábrica, el cilindro que cierra el molde de una inyectora avanza despacio y con muchísima fuerza, y luego vuelve deprisa. Nadie ha tocado ninguna válvula: el mismo cilindro, con el mismo aceite, se comporta distinto en cada sentido. La razón está en un detalle: el vástago.
Un cilindro convierte la presión en fuerza (F = p · A · η) y el caudal en velocidad (v = QA). El caudal Q es el volumen de aceite que llega por unidad de tiempo; en hidráulica se da en litros por minuto (L/min).
Al avanzar, el aceite empuja toda la cara del émbolo, de diámetro D. Al retroceder, empuja la otra cara, pero ahí está el vástago (de diámetro d), que ocupa sitio: el aceite solo actúa sobre una corona, el área anular.
El cilindro por dentro, avanzando: el aceite a presión (rojo) empuja toda la cara del émbolo, 3117 mm²; el que sale (azul) solo ocupa la corona alrededor del vástago, 2099 mm². En el laboratorio va y viene, y se ve que vuelve más deprisa.
La fuerza teórica es la presión por el área. Pero las juntas del émbolo rozan contra el cilindro, y la fuerza real es algo menor: se multiplica por el rendimiento η (entre 0,85 y 0,95).
El caudal que manda la bomba tiene que llenar el cilindro: cuanto más ancho, más despacio avanza. La velocidad es el caudal entre el área, y el tiempo de una carrera, la carrera entre la velocidad.
Como el área anular es más pequeña, el mismo caudal la llena antes: el cilindro retrocede más deprisa de lo que avanza. Es justo lo que pasa en la inyectora.
La potencia hidráulica es la presión por el caudal. Con las unidades del SI (Pa y m³/s) sale en vatios. El motor eléctrico que mueve la bomba tiene que dar algo más, porque la bomba también pierde: se divide por su rendimiento.
Un motor hidráulico se define por su cilindrada V: el aceite que necesita para dar una vuelta. Su velocidad depende del caudal, y la presión, del par que tiene que vencer:
El motor del laboratorio tiene 50 cm³ y recibe 25 L/min: gira a 25 · 1000 ÷ 50 = 500 rpm. Con un par de 80 N·m necesita Δp = 2π · 8050 · 10⁻⁶ = 10 053 000 Pa = 100,5 bar.
La presión da la fuerza; el caudal da la velocidad. Para que un cilindro empuje más, hace falta más presión o más área; para que vaya más deprisa, más caudal o menos área. Y en el retroceso, con menos área, siempre va más deprisa y con menos fuerza.
En el modo «Caudal» del laboratorio, el cilindro de la figura avanza y retrocede sin parar a sus dos velocidades de verdad; cambias D, d, la presión, el caudal y el rendimiento, y ves cómo cambian las dos fuerzas y las dos velocidades. En «Practica», el nivel 3 tiene problemas de este bloque.
Cubren las tres ideas del bloque: la fuerza con las dos áreas, la velocidad con el caudal y la potencia.
1. Un cilindro de émbolo D = 50 mm trabaja a 120 bar. Sin tener en cuenta el rozamiento, ¿con qué fuerza avanza?
2. Un cilindro de 40/22 (émbolo y vástago, en mm) recibe 10 L/min. ¿A qué velocidad retrocede?
3. Con la misma bomba, un cilindro de doble efecto tarda 3 s en avanzar y solo 2 s en retroceder. ¿Por qué?
4. Una bomba da 10 L/min a 80 bar. ¿Qué potencia hidráulica tiene el aceite, en vatios?
5. Une cada magnitud con su fórmula.
6. Un motor hidráulico de 50 cm³ recibe 25 L/min y gira a 500 rpm. Rellena los huecos:
Riegas el jardín con una manguera y tapas la punta con el dedo: el agua sale mucho más deprisa y llega más lejos. No ha salido más agua: ha salido la misma por un agujero más pequeño. En las tuberías de un circuito hidráulico pasa lo mismo, y tiene consecuencias.
El caudal es el volumen de fluido que pasa por una sección cada segundo: Q = A · v. La ecuación de continuidad dice que, en una tubería sin fugas, el caudal es el mismo en todas sus secciones: A1 · v1 = A2 · v2.
El aceite no se comprime ni se acumula: lo que entra por un extremo de la tubería sale por el otro. Si la tubería se estrecha, el aceite tiene que ir más deprisa para que pase el mismo caudal. Como el área va con el diámetro al cuadrado, con la mitad de diámetro va cuatro veces más rápido.
Daniel Bernoulli, en el siglo XVIII, aplicó a los fluidos la conservación de la energía. En un fluido que circula sin rozamiento, la suma de su presión, su energía de movimiento y su energía de altura es la misma en todos los puntos:
En una tubería horizontal, h no cambia: si la velocidad sube, la presión tiene que bajar. Es el efecto Venturi, el que usan los pulverizadores de pintura y los carburadores para aspirar líquido por un estrechamiento.
Los tubos verticales (piezómetros) muestran la presión, con la escala ampliada para que la caída se vea: en el estrechamiento, el aceite va cuatro veces más rápido (las partículas se separan) y la columna baja.
Si la presión baja demasiado (por debajo de la presión de vapor del aceite), se forman burbujas de vapor. Cuando llegan a una zona de presión alta, revientan de golpe y arrancan trocitos de metal: la bomba hace ruido, vibra y se estropea. Pasa sobre todo en la aspiración de la bomba, donde la presión ya es baja. Por eso la tubería de aspiración es ancha y corta, para que el aceite vaya despacio.
| Tubería | Velocidad | Por qué |
|---|---|---|
| Aspiración (del depósito a la bomba) | hasta 1,5 m/s | que la presión no baje: nada de cavitación |
| Presión (de la bomba a los actuadores) | de 3 a 6 m/s | la presión es alta: puede ir más deprisa |
| Retorno (al depósito) | hasta 3 m/s | que no frene la salida de los actuadores |
En una tubería, el caudal no cambia, la velocidad sí: más estrecha, más rápida. Y por Bernoulli, más velocidad es menos presión. Por eso las tuberías se dimensionan: muy estrechas pierden presión y cavitan.
En el modo «Caudal» del laboratorio, elige «Tubería»: las partículas corren por el tubo y aceleran en el estrechamiento, que puedes estrechar arrastrando su asa; cambias el caudal, los diámetros, la presión de entrada y el fluido (aceite o agua), y los piezómetros suben y bajan. El nivel 4 de «Practica» tiene problemas de continuidad y de Bernoulli.
Cubren las tres ideas del bloque: la continuidad, Bernoulli y la cavitación.
1. Una tubería de Ø25 mm lleva 60 L/min de aceite. ¿A qué velocidad circula, en m/s? (Con dos decimales.)
2. Una tubería pasa de 30 mm a 10 mm de diámetro. ¿Cuántas veces más deprisa va el aceite en el tramo estrecho?
3. La tubería de la pregunta 1, con el aceite a 8 bar, se estrecha a Ø12 mm. Sin rozamiento y sin cambio de altura, ¿qué presión hay en el estrechamiento? (ρ = 870 kg/m³; con dos decimales.)
4. Rellena los huecos:
5. Une cada concepto con su explicación.
6. En un grupo de presión, la tubería que va del depósito a la bomba es mucho más gruesa que la que sale de la bomba. ¿Por qué?
Veinte preguntas que mezclan los seis bloques, en cinco partes. Casi nada se parece a lo que ya hiciste: máquinas nuevas, averías y cuentas de taller. La parte E es de 2.º de Bachillerato. Si fallas una, el comentario te dice qué bloque repasar.
1. Un elefante de 50 000 N apoya sus cuatro patas, de 0,1 m² cada una. Una persona de 600 N se apoya un instante sobre el tacón de aguja de un zapato, de 1 cm² (0,0001 m²). ¿Quién aprieta más el suelo?
2. En el laboratorio de Física tapas la punta de una jeringuilla de Ø20 mm llena de agua y aprietas el émbolo con 30 N. ¿Qué presión soporta el agua, en bar? (Dos decimales.)
3. Al cambiar las pastillas de una moto entra una burbuja de aire en el circuito de frenos. Ahora el freno se nota «esponjoso» y la maneta llega casi al puño. ¿Por qué?
4. Una prensa de taller para sacar rodamientos tiene émbolos de Ø14 y Ø110 mm. La palanca empuja el pequeño con 3200 N. ¿Qué fuerza hace el grande, en newtons?
5. El elevador de un taller mecánico tiene una bomba de Ø20 mm y, enterrado bajo el coche, un pistón de Ø250 mm. ¿Por cuánto multiplica la fuerza de la bomba?
6. Con ese elevador y una bomba de mano, cada bombeo de 40 mm subiría el coche 0,26 mm: para subirlo 1,8 m harían falta unos 7000 bombeos. ¿Cómo lo resuelven los talleres?
7. La plataforma trasera de una furgoneta de reparto tiene émbolos de Ø18 y Ø90 mm. En cada accionamiento de la bomba, el pequeño recorre 35 mm. ¿Cuántos milímetros sube la plataforma?
8. Un mecánico cambia las pinzas de freno de un coche por otras con pistones más pequeños, sin tocar la bomba del pedal. ¿Qué notará quien conduzca?
9. En el esquema de una grúa aparece este símbolo junto a la bomba. ¿Qué es?
10. Alguien monta un circuito con bomba eléctrica y un 4/3 de centro cerrado, pero se olvida de la limitadora. ¿Qué pasará al soltar la palanca?
11. Te dictan los símbolos por teléfono. Une cada descripción con su componente.
12. Bombeas un gato y, cada vez que levantas la palanca para el siguiente empujón, el coche baja lo que había subido. ¿Qué pieza falla?
13. La prensa de este esquema está bajando y todavía no ha tocado la pieza. ¿Qué marca el manómetro?
14. En el elevador de simple efecto del bloque 4 (émbolo de Ø50 mm) suben un palé de 8000 N. ¿Cuánta presión necesita el aceite para levantarlo? (Un decimal.)
15. La limitadora de ese elevador está tarada a 60 bar. ¿Podrá levantar un palé de 13 000 N?
16. Se te ha pinchado una rueda. Ordena lo que haces con el gato hidráulico, desde que lo pones bajo el coche:
17. El cabezal de una plegadora de chapa sube con un cilindro de 80/45 mm a 150 bar, con un rendimiento de 0,9. ¿Con qué fuerza tira al subir (al retroceder)?
18. El brazo de una grúa de obra se despliega con un cilindro de Ø100 mm que recibe 40 L/min. ¿Cuántos segundos tarda en sacar 500 mm de vástago?
19. El grupo de presión de esa grúa da 40 L/min a 200 bar y su bomba tiene un rendimiento de 0,85. ¿Qué potencia necesita el motor eléctrico, en kW? (Dos decimales.)
20. La instalación de riego de un invernadero lleva 20 L/min de agua (ρ = 1000 kg/m³) a 3 bar por un tubo horizontal de Ø16 mm, que se estrecha a Ø8 mm en un inyector de abono. ¿Qué presión hay en el estrechamiento? (Dos decimales.)
Con unas jeringuillas de farmacia, tubo de goteo y cartón se puede construir un brazo que gira, sube y coge un vaso de plástico. Cada articulación es una prensa hidráulica en miniatura: empujas una jeringuilla con el dedo y, al otro lado del tubo, otra empuja el brazo. Es lo mismo que pasa en el brazo de una excavadora, pero sin motor.
Diseña y construye un brazo hidráulico con al menos dos movimientos movidos por jeringuillas con agua. Dibuja su esquema con símbolos, calcula la fuerza y el recorrido de cada articulación y comprueba que levanta un objeto de 100 g (1 N) y lo deja en otro sitio.
No es un tema nuevo: es juntar lo que ya sabes. Cada pareja de jeringuillas es una prensa (bloque 2), el esquema usa los símbolos del bloque 3 y la forma de mover el brazo es un circuito, sin bomba (bloque 4). Lo nuevo es que esta vez tú eliges los tamaños y tienes que comprobar que tus cuentas se cumplen.
| Parte | Qué tiene que cumplir |
|---|---|
| Movimientos | Al menos dos: por ejemplo, subir el brazo y abrir la pinza. Tres si quieres el giro de la base. |
| Cada movimiento | Una jeringuilla de mando (en tu mano) y una de trabajo (en el brazo), unidas por un tubo lleno de agua. |
| Sin aire | Los tubos y las jeringuillas, sin burbujas: el brazo tiene que moverse en cuanto empujas. |
| Carga | Levantar un objeto de 100 g (1 N) unos 5 cm y dejarlo en otro sitio. |
| Esquema | Con los símbolos de la unidad: cada pareja de jeringuillas, como dos cilindros de simple efecto unidos. |
Una pareja de jeringuillas es la prensa del laboratorio llamada «Dos jeringuillas»: una de 5 ml (unos Ø12 mm) empujando a una de 60 ml (unos Ø26 mm). Con 20 N en el dedo, la grande empuja con unos 94 N, pero se mueve casi cinco veces menos.
Elige bien: con la jeringuilla grande en el brazo ganas fuerza pero pierdes recorrido. Si al revés, el brazo se mueve mucho pero con poca fuerza.
Las herramientas de corte y la pistola de cola caliente, siempre con el profesor delante. El cúter, con regla metálica y la mano que sujeta lejos de la hoja. Usa jeringuillas sin aguja, y el agua, lejos de los enchufes y de los portátiles. Pon un poco de colorante alimentario en el agua: así se ven las burbujas.
Jeringuillas sin aguja de 5, 20 y 60 ml (dos por movimiento), tubo de goteo o de acuario que ajuste en la punta y agua con colorante.
Cartón grueso, cartón pluma o contrachapado de 3 mm, palos de polo, encuadernadores (para las articulaciones) y bridas.
Regla, cúter, punzón o taladro para los ejes, pistola de cola caliente y un calibre para medir el diámetro de las jeringuillas.
Para probar antes los tamaños de las jeringuillas: con «Dos jeringuillas» ves la fuerza y el recorrido de cada pareja.
⏱ 1 sesión
Decide los movimientos y dónde va cada jeringuilla de trabajo. Haz un boceto del brazo con sus medidas y el esquema hidráulico con los símbolos de la unidad.
Entrega: el boceto y el esquema.
⏱ 1 sesión
Mide el diámetro de tus jeringuillas con el calibre. Para cada pareja, calcula cuántas veces multiplica la fuerza y cuánto se mueve la de trabajo si empujas la de mando hasta el fondo. Pruébalo en el laboratorio.
Entrega: la tabla de cálculos de cada movimiento.
⏱ 2 sesiones
Corta las piezas, monta las articulaciones con encuadernadores y sujeta las jeringuillas de trabajo con bridas y cola caliente. La base, pesada: que no vuelque al levantar.
Entrega: la estructura montada.
⏱ 1 sesión
Llena una jeringuilla con el émbolo a medio camino, conecta el tubo lleno de agua y luego la otra, sin que entre aire. Si ves una burbuja, desconecta y vuelve a llenar.
Entrega: el brazo moviéndose sin «esponja».
⏱ 1 sesión
Levanta el objeto de 100 g y déjalo en otro sitio. Mide lo que se mueve cada jeringuilla de trabajo y compáralo con tus cálculos. Explica las diferencias y mejora lo que falle.
Entrega: el brazo y la hoja de pruebas.
Cuatro preguntas sobre una pareja de jeringuillas de 5 ml (Ø12 mm) y 20 ml (Ø20 mm). Respóndelas después de la fase 2.
1. Si la de 5 ml es la de mando y la de 20 ml mueve el brazo, ¿cuántas veces multiplica la fuerza de tu dedo? (Dos decimales.)
2. Empujas la de mando 30 mm. ¿Cuántos milímetros sale el émbolo de la de trabajo?
3. Al probar el brazo, empujas la jeringuilla de mando y al principio no pasa nada; luego el brazo da un salto. ¿Qué ocurre?
4. El brazo no puede con el objeto de 100 g. Sin empujar más fuerte, ¿qué cambias?
5. Quieres que la pinza del brazo se cierre sola al soltar la jeringuilla de mando y que solo haga falta empujar para abrirla. ¿Qué componente de la unidad imitarías y cómo lo harías con lo que tienes?
Abre «Dos jeringuillas» en el laboratorio y pon los diámetros de tus jeringuillas: comprueba tu tabla de cálculos antes de construir.
▶ Abrir las jeringuillas en el simuladorSi lo haces en 2.º de Bachillerato, añade a la memoria la presión en cada jeringuilla de trabajo con el objeto levantado (mide el brazo de palanca y calcula la fuerza que tiene que hacer) y compárala con la que crees con tu dedo. Y si quieres un reto: un tercer movimiento, el giro de la base, con dos jeringuillas de trabajo enfrentadas.