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HIDRÁULICA - Definición - Significado

17/11/2010

 

Dentro de la rama de la física encontramos la hidráulica, que es la ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos en función de sus propiedades específicas. Es decir, estudia las propiedades mecánicas de los líquidos dependiendo de las fuerzas a que pueden ser sometidos. 

Las propiedades específicas de los fluídos son:

- Carencia de forma propia; lo mismo que los gases, los líquidos adquieren la forma del recipiente que los contiene y el trabajo exigido para tal menester es muy pequeño.

- Incompresibilidad; contrariamente a los gases, los líquidos son prácticamente incompresibles, por lo que una pequeña variación de volumen produce un notable salto de presión.

El principio de Pascal o ley de Pascal es una de las leyes básicas de la hidráulica. Según este principio tenemos que:

"La presión ejercida por un fluido incomprensible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido."

La prensa hidráulica constituye una aplicación del principio de Pascal: la presión ejercida por el peso de 1 kg sobre una superficie está en condiciones, por ejemplo, de equilibrar la acción de un peso de 10 kg que actúa en una superficie 10 veces mayor. El trabajo realizado por los 2 émbolos permanece constante.
 
Principio de Pascal

Las primeras nociones de hidráulica se remontan a los tiempos de la construcción de los primeros acueductos romanos, siendo Arquímedes quien primero estableció las bases para un estudio sistemático del tema. Las ramas fundamentales de la hidráulica son dos:

- La hidrostática, que estudia el comportamiento de los líquidos en reposo o prescindiendo del paso (transitorio) de un estado de reposo a otro, y
- La hidrodinámica, que por el contrario estudia el movimiento de los líquidos y los fenómenos de rozamiento interno inherentes a su viscosidad.

Las leyes fundamentales de la hidrostática quedaron enunciadas en el siglo XVII por Pascal y Stevin. El principio de Pascal afirma que, «las variaciones de presión ejercidas en cualquier punto de una masa líquida se transmiten con igual intensidad en toda la masa». La fuerza que un líquido ejerce sobre una superficie está dirigida perpendicularmente a ella y su valor es igual al producto de la presión del líquido por dicha superficie. 

Pero para entender mejor todo esto habremos de saber primero qué es la presión y también qué es la fuerza. Así, la presión es la fuerza ejercida perpendicularmente sobre un objeto. Según el Sistema Internacional de Unidades la fuerza está medida en Newtons y es la capacidad de modificar el movimiento o la forma de los materiales. Aunque es habitual que se confundan masa (medida en kilogramos) y peso, hablando con propiedad el peso se refiere a la fuerza de la gravedad (suponiendo que se mide en la Tierra), de tal modo que, por ejemplo, el peso de una masa de 10 kilogramos son 98 Newtons, y dicho peso es la fuerza con la que la gravedad atrae al cuerpo hacia el suelo.

Así tenemos que:

P = m * g

Donde:

P = Peso o fuerza vertical del cuerpo, se mide en Newton.

m = Masa del cuerpo medida en kilogramos.

g = constante gravitacional que en la tierra es 9,8 y se mide en kg*m/s


De este modo el peso en física no viene determinado por los kilogramos, que es la masa, sino por los Newton, que dependen de la masa y de la fuerza ejercida sobre la misma que, en el caso de la tierra, es la constante gravitacional de 9,8 kg*m/s.

Bien, pues ahora sólo quedaría saber qué es la presión, y aquí es donde volvemos a encontrarnos con la fuerza, puesto que la presión es igual a la fuerza dividida por la superficie.

Presión = Fuerza / Area

Seguimos por tanto con nuestro ejemplo. supongamos que tenemos la misma masa de 10 kilogramos situada sobre una superficie de 2 metros cuadrados. Para calcular la fuerza vertical de dicho cuerpo tendremos:

P = m * g
P = 10 * 9,8 = 98 Newton de fuerza

Ahora, sustituyendo en la fórmula de presión obtenemos:

Presión = 98 / 2 = 49 

Donde la respuesta está medida en pascales Pa, puesto que la presión se mide en pascales y 1 pascal = 1 Newton/(metro cuadrado)

Con todo lo anterior podemos por tanto explicar porqué un émbolo de un metro cuadrado puede ser capaz de proporcionar una fuerza mayor a otro émbolo cuya superficie es también mayor, siendo el aumento de fuerza proporcional al aumento del área.

Comencemos de nuevo por el principio de nuestro ejemplo. Supongamos que tenemos un cuerpo cuya masa es de un kilogramo y que está situado en una superficie de un metro cuadrado. Al colocar esta superficie sobre un líquido podremos por tanto calcular la presión que ejercería sobre él:

1º) Calculamos el peso en Newton

P = m * g
P = 1 * 9,8
P = 9,8 Newtons

Es decir, la gravedad ejerce una FUERZA de 9,8 Newtons sobre ese cuerpo.
 
2º) Calculamos la presión que ejerce dicho peso ubicado en una superficie de un metro cuadrado

Presión = Fuerza/Área
Presión = 9,8/1
Presión = 9,8 Pascales

Y ahora es cuando entra en juego la ley de Pascal que dice que: "La presión ejercida por un fluido incomprensible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido."

Se trata por tanto de crear un recipiente capaz de transmitir a un área determinada, multiplicada (o no), la presión ejercida en otra área. 

Este principio aconseja hablar, en el caso de líquidos, de presión sobre una superficie más que de fuerza, ya que aquella es independiente del área en cuestión. En la prensa hidráulica, por ejemplo, la uniformidad de la presión en el seno del líquido hace que sea posible, en condiciones de equilibrio, obtener fuerzas distintas en 2 émbolos de distinto diámetro.

El principio de la prensa hidráulica se ha aprovechado en el automóvil para obtener fácilmente fuerzas elevadas sin gran esfuerzo por parte del conductor. En los frenos, por ejemplo, el mando hidráulico permite obtener varias ventajas:

- Frenado simultáneo;
- Posibilidad de ampliar la fuerza de frenado;
- Simplicidad de la conexión entre carrocería y ruedas.

El mismo principio es empleado en la dirección hidráulica, en la que el volante pone a presión un líquido que, a su vez, mueve mediante un pistón, la barra de la dirección.

Los líquidos poseen la notable ventaja de transmitir a distancia grandes fuerzas con sólo conectar el tubo con líquido a presión. El efecto de los campos de fuerzas, por ejemplo el de la gravitación, sobre los líquidos quedó definido por la ley de Stevin:

- La presión sobre el fondo de un recipiente que contiene un líquido en reposo es igual al peso de una columna de líquido comprendida entre la superficie considerada y la superficie libre; este principio se aplica para determinar la presión de alimentación de un depósito que se vacía por gravedad.

El principio fundamental de la hidrodinámica está constituido por el teorema de Bernoulli, que aplica a los líquidos el principio de la conservación de la energía. Dicho teorema afirma que un líquido en movimiento posee una cantidad de energía que se reparte en tres formas: energía de presión, energía de velocidad y energía de altura: la suma de las tres, es decir la energía total, permanece constante, si se prescinde de las pérdidas por rozamiento.

La velocidad de salida de un líquido de un recipiente constituye una aplicación de la ley de Bernoulli: la velocidad de salida v (despreciando el fenómeno de contracción de la vena líquida) está expresada por la relación
 
V=(2gh)½
 
 y depende de la altura del líquido contenido en el recipiente.

En el automóvil, la aplicación de los principios de la hidrodinámica es muy amplia. Basta pensar en los circuitos de lubricación y de inyección del motor que constituyen verdaderas redes hidráulicas, en cuyo diseño es necesario, teniendo en cuenta las necesidades en los puntos de utilización, dimensionar detalladamente toda la línea, incluidas las bombas de alimentación.

 

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