Capítulo 1: El mundo físico de las máquinas

Las máquinas están diseñadas para sustituir la mano de obra humana. Sin embargo, muchas personas se sienten incómodas cerca de ellas porque no entienden cómo funcionan. Este capítulo define los conceptos físicos fundamentales —fuerza, energía, trabajo, potencia y presión— que aparecen en cada uno de los capítulos posteriores de este curso.

Figura 1-1 Una unidad típica de potencia hidráulica industrial. La bomba, el motor, el depósito y las válvulas suelen integrarse en una sola carcasa como esta.

Fuerza

Una fuerza es cualquier acción que cambia —o intenta cambiar— el estado de movimiento de un objeto.

Newton (N)

La unidad SI de fuerza es el newton (N). En el sistema de unidades estadounidense habitual, la fuerza se mide en libras (lbs).

Tres formas en que la fuerza cambia el movimiento

Una fuerza puede realizar tres acciones sobre un objeto:

1. Poner en movimiento al objeto.
2. Reducir su velocidad o detenerlo.
3. Cambiar la dirección de su movimiento.

Resistencia

Cualquier fuerza que ralentiza o detiene el movimiento se denomina resistencia. Las dos resistencias más comunes en las máquinas hidráulicas son la fricción y la inercia.

Fricción

La fricción es la resistencia que existe en la superficie de contacto entre dos objetos cualesquiera que se están moviendo —o tienden a moverse— uno respecto al otro.

Figura 1-3: La fricción actúa siempre que dos superficies están en contacto y se deslizan una contra otra.

Inercia

La inercia es la tendencia de un objeto a mantener su estado actual de movimiento. Un objeto en reposo permanece en reposo; un objeto en movimiento sigue moviéndose. La inercia está directamente relacionada con la masa: un objeto más pesado es más difícil de poner en movimiento o de detener.

Ejemplo: Una bola de plomo tiene más inercia que una bola de madera. Patee ambas con la misma fuerza y la bola de madera viajará más rápido y más lejos, lo que demuestra que la bola de plomo resiste más el cambio de movimiento.

Energía

La energía es lo que posee una fuerza cuando es capaz de hacer que algo se mueva. En términos sencillos: la energía es la capacidad de realizar trabajo.

Energía cinética

La energía cinética es la energía del movimiento. Cualquier objeto en movimiento posee energía cinética porque puede empujar otros objetos y hacerlos moverse. Cuanto más pesado y más rápido se mueva, mayor será su energía cinética.

Formas de energía

La energía existe en muchas formas: mecánica, térmica (calor), eléctrica, luminosa, química y sonora.

Ley de conservación de la energía

La energía nunca se crea ni se destruye; únicamente puede transformarse de una forma a otra. Esta es una de las leyes más importantes de la física.

Figura 1-6 La ley de conservación de la energía: la energía nunca se destruye, solo se transforma en otra forma.

Conversión de Energía

La energía eléctrica procedente de una toma de corriente puede convertirse en luz (en una bombilla), calor (en un calefactor), movimiento mecánico (en un motor) o sonido (en un altavoz), según el dispositivo. La energía siempre se conserva; simplemente cambia de forma.

Otro ejemplo: deslizarse por una cuerda convierte la energía cinética del cuerpo en calor en la cuerda y en las manos, razón por la cual la fricción lo frena y calienta la cuerda.

Estados de la energía

Energía cinética — energía en movimiento

La energía cinética representa un trabajo que ya se ha realizado: es la energía que posee un objeto debido a su movimiento. La mayoría de las formas de energía deben estar en estado cinético antes de poder realizar un trabajo útil.

Energía potencial — energía almacenada

La energía potencial es energía almacenada. Cuando se cumplen las condiciones adecuadas, la energía potencial se convierte en energía cinética y provoca movimiento. La energía potencial proviene de la naturaleza física de un objeto o de su posición por encima de un punto de referencia.

Ejemplos: el agua almacenada en un tanque elevado tiene energía potencial debido a su altura; puede fluir hacia abajo y realizar trabajo a un nivel inferior. Una batería no conectada a un circuito almacena energía potencial química.

Figura 1-8: Dos ejemplos conocidos de energía potencial: una torre de agua elevada y una batería cargada.

Conversión del estado energético

La energía potencial y la energía cinética se convierten libremente una en otra. El agua en una torre representa energía potencial; al fluir cuesta abajo se convierte en energía cinética; cuando llena un recipiente y se eleva nuevamente, vuelve a ser energía potencial.

Trabajo

Se realiza trabajo cuando una fuerza actúa sobre un objeto y lo desplaza una cierta distancia. Si no ocurre ningún desplazamiento, no se realiza trabajo.

Julio, J = N·m

La unidad SI de trabajo es el julio (J). En el sistema de unidades estadounidense habitual, el trabajo se mide en libras-pie (ft·lbs).

Fórmula del trabajo

(J) = (m) × (N) o (ft·lbs) = (ft) × (lbs)

Ejemplo: Una carretilla elevadora levanta cada paleta 5 pies (1,524 m) con una fuerza de 2000 libras (8880 N). El trabajo realizado por paleta es:

Figura 1-9 Trabajo = fuerza × distancia. La carretilla elevadora realiza trabajo cada vez que levanta una paleta.

Potencia

El trabajo siempre se realiza en un cierto lapso de tiempo. La potencia es la tasa a la que se realiza el trabajo: la cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo.

Fórmula de la potencia

(W) = (m) × (N) ÷ (s) o (ft·lb/s) = (ft) × (lb) ÷ (s)

Usando el ejemplo de la carretilla elevadora: si los 10 000 ft·lb de trabajo se realizan en 5 segundos, la potencia generada es:

Potencia (HP)

La caballo de fuerza (HP) es la unidad imperial de potencia. James Watt, quien inventó la máquina de vapor, la definió comparando su motor con un caballo de trabajo. Descubrió que un caballo podía desplazar 550 lb una distancia de 1 ft en 1 segundo:

Fórmula del caballo de fuerza

kW = HP × 0.746

Para el ejemplo de la carretilla elevadora: 2.000 pies·libras/s ÷ 550 = 3,6 HP (= 2.707 W = 2,71 kW).

Figura 1-11 James Watt definió 1 HP como 550 pies·libras por segundo tras observar caballos trabajando.

Presión

La presión mide la intensidad de una fuerza: es decir, cuán concentrada está dicha fuerza sobre un área determinada. Dos objetos pueden ejercer la misma fuerza total, pero generar presiones muy distintas dependiendo del área de contacto.

Ejemplo cotidiano: zapatos de tacón alto frente a zapatos planos. Ambos soportan el mismo peso corporal, pero el reducido área del tacón concentra dicho peso en una presión muy elevada sobre el suelo, mientras que una suela plana distribuye la misma fuerza sobre un área mayor y produce una presión baja. Cualquiera que haya tenido un tacón sobre su pie entiende este fenómeno.

Fórmula de la presión

(Pa = N/m²) = (N) ÷ (m²) o (psi) = (libras) ÷ (pulg²)

Conversiones de unidades:

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar = aproximadamente 14,5 psi
• Presión atmosférica estándar = 14,7 psia = 1,01 bar = 101 000 Pa

Ejemplo: Un bloque cuya base tiene una superficie de 100 in² (645 cm²) pesa 100 lb (444 N). Presión = 100 lb ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Las mismas 100 lb aplicadas sobre un pasador de acero cuya base tiene una superficie de 0,25 in² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Figura 1-12: Misma fuerza, presión muy distinta. Cuanto menor sea el área, mayor será la presión.

Energía de Trabajo

La forma en que las máquinas utilizan la energía suele ser mediante presión. La presión es lo que se obtiene cuando la energía cinética actúa sobre la superficie de una carga. La energía de trabajo combina la energía cinética con la presión para mover la carga.

Conversión de la energía de trabajo

En todos los sistemas de transmisión, parte de la energía de trabajo se pierde por fricción en el camino hacia la carga. Esta energía perdida no se destruye; se convierte en calor. La fracción de energía que se transforma en calor constituye la pérdida del sistema y es lo que hace que los sistemas sean ineficientes.

La presión en la fuente es mayor que la presión en la carga porque se consume energía para superar la fricción en las tuberías, válvulas y accesorios del recorrido.

Figura 1-13: Flujo de energía útil desde la fuente hasta la carga. La fricción a lo largo del recorrido genera calor, reduciendo la presión que llega a la carga.

Métodos de transmisión de energía

Existen cuatro formas en que las máquinas transmiten energía desde la fuente hasta donde se realiza el trabajo:

Transmisión mecánica

La energía viaja mediante movimiento físico: palancas, cadenas, engranajes, poleas, correas y levas. El medio de transporte es una pieza mecánica móvil directamente conectada a la fuente de energía.

Transmisión eléctrica

La energía viaja a lo largo de conductores eléctricos (cables) y se entrega a un actuador eléctrico —un motor o un solenoide— para realizar trabajo.

Transmisión neumática

La energía viaja a través de tuberías como flujo de aire comprimido y se entrega a un actuador neumático (cilindro neumático o motor neumático) para realizar trabajo.

TRANSMISIÓN HIDRÁULICA

La energía viaja a través de tuberías como flujo de líquido presurizado (aceite) y se entrega a un actuador hidráulico (cilindro o motor) para realizar trabajo mecánico. Este es el tema de todo este curso.

Toda máquina, en última instancia, realiza trabajo mecánico. La energía, en cualquier forma —eléctrica, neumática o hidráulica— debe convertirse nuevamente en energía mecánica mediante un actuador antes de que se pueda mover la carga. Cada método presenta ventajas y desventajas, y muchas máquinas combinan dos o más métodos.

Figura 1-17: La transmisión hidráulica transporta energía como líquido presurizado. El cilindro o motor al final la convierte nuevamente en fuerza mecánica.

Pérdida del sistema

En todo sistema de transmisión real, parte de la energía se convierte en calor por fricción antes de llegar a la carga. La energía útil (energía cinética bajo presión) actúa sobre las superficies de las tuberías y las válvulas, generando resistencia y calor. Esta pérdida se manifiesta como una caída de presión desde la fuente hasta la carga. La energía se conserva: simplemente cambia de forma, lo que hace que el sistema sea menos eficiente.