Antes de hablar sobre la transmisión de energía mediante líquidos, debemos comprender algunas propiedades de los líquidos y cómo se transmite la fuerza a través de ellos. Esto nos ayudará a entender por qué la transmisión hidráulica funciona tal como lo hace.

El fluido

Un fluido es cualquier sustancia que no tiene forma fija. Los fluidos incluyen tanto líquidos como gases.

Líquido

Un líquido, al igual que un gas, está formado por moléculas. Sin embargo, a diferencia de un gas, las moléculas de un líquido están fuertemente atraídas entre sí, pero no tan estrechamente unidas como para quedar fijas en posiciones determinadas, como ocurre en un sólido. Por esta razón, un líquido fluye libremente y adopta la forma de su recipiente.

Figura 2-1 Las moléculas de líquido (abajo) están empaquetadas estrechamente y en movimiento constante, mientras que las moléculas de gas (arriba) están muy separadas.

Energía cinética molecular

Las moléculas dentro de un líquido siempre están en movimiento, incluso cuando el líquido parece perfectamente inmóvil. Se deslizan y se deslizan constantemente unas sobre otras. Este movimiento molecular se denomina energía interna del líquido.

Los líquidos adoptan la forma de su recipiente

Debido a este deslizamiento molecular constante, un líquido fluye y llena cualquier recipiente que lo contenga. Ya sea que haya una gran cantidad de líquido o una pequeña, siempre ocupa la forma del recipiente. Esta capacidad está estrechamente relacionada con la viscosidad, tema que se aborda en capítulos posteriores.

Los líquidos son relativamente incompresibles

Como las moléculas de los líquidos están empaquetadas estrechamente, los líquidos se comportan como los sólidos en un aspecto importante: son relativamente incompresibles; es decir, no pueden comprimirse hasta ocupar un volumen significativamente menor.

Por esta razón, los buceadores entran en el agua de pies o de manos (la «entrada en cuchillo») en lugar de lanzarse de bruces. El agua no puede desplazarse lo suficientemente rápido cuando choca contra una superficie plana y amplia, y el impacto es similar al de golpear un sólido. Los pies o las manos dividen el agua con una superficie pequeña, y dicha superficie reducida implica una fuerza de impacto mucho menor.

Dado que un líquido es relativamente incompresible y adopta la forma de cualquier recipiente que lo contenga, presenta una ventaja real a la hora de transmitir fuerza.

Transmisión de fuerza

Los cuatro métodos de transmisión de energía (mecánico, eléctrico, hidráulico y neumático) pueden transmitir tanto fuerza estática (energía potencial) como fuerza dinámica (energía cinética). Cuando se transmite una fuerza estática en un líquido, ocurre algo especial.

Fuerza transmitida a través de un líquido

A diferencia de la fuerza que actúa sobre un sólido, la fuerza aplicada a un líquido confinado se transmite íntegramente por todo el líquido como presión, y dicha presión es igual en todos los puntos del líquido.

Si empujamos un pistón móvil que se encuentra sobre la parte superior de un recipiente lleno de líquido, la fuerza que aplicamos genera presión, y dicha presión se transmite por igual en todas las direcciones a través del líquido.

Independientemente de cómo se haya generado la presión —mediante un pistón, una mano, la gravedad, un resorte, aire comprimido o cualquier combinación de estos—, una vez dentro de un líquido confinado, la fuerza se convierte en presión y se transmite uniformemente en todo su volumen.

Dado que un líquido adopta la forma de cualquier recipiente que lo contenga, la presión puede transmitirse independientemente de la forma del recipiente.

Figura 2-4: La fuerza ejercida sobre el pistón se convierte en presión dentro del líquido. Esa presión se distribuye por igual en todas las direcciones; este es el principio fundamental de la hidráulica.

Ley de Pascal

La propiedad de un líquido de transmitir la presión por igual en todas las direcciones se denomina Ley de Pascal, en honor a su descubridor, Blaise Pascal.

La expresión matemática de la Ley de Pascal es la misma que la fórmula de presión presentada en el Capítulo 1:

Medidores de presión

Un manómetro mide la presión que actúa sobre un líquido en el sistema. Los dos tipos más comunes en los sistemas hidráulicos son el manómetro de tubo Bourdon y el manómetro de pistón.

Manómetro de tubo Bourdon

Un manómetro de tubo Bourdon consta de una esfera graduada y una aguja indicadora. La aguja está conectada a un tubo metálico curvo y flexible denominado tubo Bourdon. La presión del sistema entra en el tubo a través de la entrada. La escala suele estar marcada en psi, bar o Pa.

Funcionamiento del tubo Bourdon

A medida que la presión del sistema aumenta, la diferencia de área entre el interior y el exterior del tubo curvado tiende a enderezarlo. Este movimiento de enderezamiento acciona la aguja sobre la esfera para indicar la presión. Los manómetros de tubo Bourdon son instrumentos de precisión con una exactitud del 0,1 % al 3,0 % de la escala completa; se utilizan en ensayos de laboratorio o siempre que la precisión en la medición de la presión sea crítica.

Manómetro de pistón

Un manómetro de pistón consta de un pistón, un resorte de equilibrio, una aguja y una escala. La presión del sistema actúa sobre la cara del pistón, empujándolo contra el resorte. El desplazamiento del pistón acciona la aguja sobre la esfera. La escala está calibrada en psi (bar). Los manómetros de pistón son duraderos y económicos, siendo una opción habitual para la supervisión diaria de sistemas.

Figura 2-6 Manómetro de pistón: la presión del sistema empuja el pistón contra un resorte. El desplazamiento del pistón mueve la aguja.

Conversión de la presión en fuerza mecánica

Transmitir presión mediante un líquido sellado solo es útil si dicha presión puede convertirse nuevamente en fuerza mecánica en algún lugar. Esa es la función del actuador (elemento de ejecución): recibe presión hidráulica y la convierte en fuerza mecánica.

Un cilindro hidráulico es un tipo de actuador.

Cilindro hidráulico

Un cilindro hidráulico recibe presión hidráulica y la convierte en fuerza mecánica de desplazamiento rectilíneo (lineal). Mediante conexiones mecánicas adecuadas, también puede convertirse en movimiento rotacional.

Construcción del cilindro

Las partes básicas de un cilindro son: el cuerpo (tubo), las tapas extremas, el pistón, la varilla del pistón y los orificios de entrada/salida. Cada extremo dispone de una tapa. El pistón puede deslizarse dentro del cuerpo. La varilla está conectada al pistón. Los orificios de entrada y salida situados en cada extremo del cuerpo permiten que el aceite de trabajo entre y salga.

Figura 2-8: Sección transversal de un cilindro hidráulico. El aceite entra por un orificio, empuja el pistón y la varilla se extiende. El aceite que sale por el otro orificio regresa al depósito.

Funcionamiento de un cilindro

Cuando el puerto de entrada del cilindro está conectado al sistema, el cilindro se convierte en parte del sistema. La presión desde el punto A se transmite a través del sistema hasta el pistón dentro del cilindro. Esa presión actuando sobre el área del pistón genera una fuerza mecánica en el punto B — en el extremo de la varilla.

Aplicando presión

Cuando la presión se transmite a través de un líquido sellado, alguna pieza móvil genera dicha presión. En todos los ejemplos vistos hasta ahora, la pieza móvil es un pistón. Al dividir la fuerza por el área del pistón se obtiene la presión en el sistema (P = F/A).

Multiplicación de la fuerza mecánica

La hidráulica puede amplificar (multiplicar) la fuerza mecánica. El factor de multiplicación depende del área del pistón del cilindro hidráulico (en² o cm²). Dado que la presión se transmite de forma uniforme a través de un líquido sellado, si el pistón del cilindro de salida es mayor que el pistón de entrada, la fuerza de salida será mayor que la fuerza de entrada.

Ejemplo: Una fuerza de 5.000 libras (22.200 N) actúa sobre un pistón con un área de 10 pulgadas² (64,52 cm²), generando una presión de:

Esa misma presión de 500 psi actúa sobre un pistón de salida de 15 in² (96,78 cm²):

Figura 2-9 Multiplicación mecánica de la fuerza. La misma presión actúa sobre ambos pistones, pero el pistón mayor genera una fuerza mayor. F = P × A.

Intensificador de presión

Un intensificador de presión (también denominado amplificador) puede amplificar la presión hidráulica. Utiliza dos pistones conectados mediante una varilla dentro de una única carcasa con puertos de entrada, salida y drenaje. El pistón grande detecta la presión del sistema; la fuerza que genera se aplica al pistón pequeño, que produce una presión de salida mayor debido a su menor superficie.

Cómo funciona un intensificador de presión

El pistón grande detecta la presión del sistema y transmite dicha fuerza a través de la varilla al pistón pequeño. Como el pistón pequeño tiene una superficie menor, la presión de salida en el extremo del pistón pequeño es mayor: la presión se intensifica.

Ejemplo: Una fuerza de 5.000 libras (22.200 N) actúa sobre el pistón grande (superficie: 15 in² / 96,78 cm²). Presión = 333 psi (22,9 bar). Dicha fuerza se transfiere al pistón pequeño (superficie: 0,76 cm²). Presión de salida = 5.000 libras / 0,76 cm² × (1/10.000) = 2.000 psi (137,9 bar). Fuerza de salida = 30.000 libras (133.200 N).

Un uso habitual de los intensificadores de presión es en dispositivos de sujeción.

Figura 2-11 Intensificador de presión. El pistón grande transmite su fuerza al pistón pequeño, que tiene una superficie mucho menor, generando así una presión mucho mayor en la salida.

Transmisión de energía hidráulica

El propósito de utilizar la hidráulica (o cualquier otro método de transmisión de energía) en una máquina es realizar un trabajo útil. Para que un cilindro realice trabajo, debe aplicar una fuerza sobre la carga y desplazarla una cierta distancia; por lo tanto, el sistema necesita un componente capaz de utilizar energía para proporcionar un flujo continuo de líquido.

Acumulador hidráulico

Todo lo que hemos analizado hasta ahora para generar presión en un líquido sellado utiliza pistones y cilindros. El pistón aplica la fuerza; el cilindro sella el líquido. Este tipo de dispositivo se denomina acumulador.

Un acumulador puede almacenar la energía potencial de un líquido bajo presión. Esa energía potencial almacenada puede convertirse en energía útil (flujo y presión).

Ejemplo: Un acumulador de 500 psi (34,5 bar) suministra presión para empujar una carga. De los 500 psi almacenados, 400 psi (27,6 bar) se utilizan para superar la resistencia de la carga, y la presión restante se convierte en flujo para desplazar la carga.

Los acumuladores sí tienen una limitación: si la carga es muy grande, puede que no haya suficiente presión para vencerla, por lo que no se puede realizar ningún trabajo. Además, una vez que el líquido almacenado se ha liberado por completo, ya no hay más caudal.

Para aplicar suficiente presión como para vencer una carga y seguir suministrando caudal de forma continua, se necesita un dispositivo distinto: la bomba hidráulica de desplazamiento positivo.

Figura 2-12 Funcionamiento de un acumulador. La presión almacenada puede desplazar una carga, pero una vez que el fluido se agota, el caudal cesa: el acumulador no puede sostener por sí solo un trabajo continuo.

Bomba Hidráulica de Desplazamiento Positivo

Una bomba de desplazamiento positivo genera un caudal continuo de líquido mediante un movimiento interno alternativo o rotativo repetido. Proporciona tanto energía cinética (caudal) como energía de presión: la energía de trabajo necesaria para realizar un trabajo hidráulico continuo.

Bomba de pistón alternativo

Una bomba de pistón alternativo tiene un pistón conectado a un motor primario (motor de combustión o motor eléctrico) mediante una manivela o una leva. La entrada y la salida cuentan cada una con una válvula de retención de bola. Cuando el pistón se extrae, el volumen interno aumenta, la válvula de bola de entrada se abre y el líquido entra. Cuando el pistón se empuja hacia dentro, el volumen disminuye, la presión aumenta, la válvula de bola de entrada se cierra y la válvula de bola de salida se abre, impulsando así el líquido hacia el sistema. El movimiento continuo de ida y vuelta produce un caudal pulsante; la presión puede ser la que el sistema requiera.

Figura 2-13: Bomba de pistón alternativo. El pistón se mueve hacia dentro y hacia fuera, aspirando aceite a través de la válvula de retención de entrada e impulsándolo hacia fuera a través de la válvula de retención de salida.

Bomba rotativa de desplazamiento positivo

La bomba más común en los sistemas hidráulicos industriales es la bomba rotativa de desplazamiento positivo. Produce un caudal relativamente uniforme y presurizado, y es fácil de accionar con un motor eléctrico o un motor de combustión. Cada revolución del elemento giratorio desplaza un volumen fijo de líquido.

Construcción de bomba rotativa

Una bomba rotativa consta de una carcasa y un conjunto giratorio. La carcasa tiene una entrada y una salida. El conjunto giratorio genera el caudal y la presión. El ejemplo mostrado tiene un rotor y paletas que pueden deslizarse libremente hacia dentro y hacia fuera de las ranuras del rotor.

Cómo funciona una bomba rotativa

El conjunto giratorio está montado excéntricamente (descentrado) dentro de la carcasa y conectado al motor primario mediante el eje de accionamiento: el rotor gira. A medida que el rotor gira, la fuerza centrífuga empuja las paletas hacia afuera contra la pared de la carcasa, formando cámaras estancas. En el lado de entrada, el volumen de la cámara aumenta y se aspira líquido; en el lado de salida, la cámara se reduce, aumenta la presión y el líquido es expulsado del sistema. La bomba genera únicamente la presión equivalente a la resistencia mínima del sistema, y nada más.

Figura 2-15: Bomba de paletas rotativas. Las paletas, que sellan contra la pared de la carcasa, crean cámaras que se expanden (entrada) y se contraen (salida) a medida que el rotor gira.

Resistencia y presión

En un sistema hidráulico, la presión y la resistencia están directamente relacionadas. La bomba impulsa líquido hacia el sistema; el nivel de presión está determinado por el nivel de resistencia. Alta resistencia → alta presión; baja resistencia → baja presión. La resistencia al flujo del fluido determina cuánta presión se genera.

Resistencia sobre una bomba

Una bomba enfrenta dos tipos de resistencia: resistencia de carga y resistencia al flujo. Si ignoramos la resistencia al flujo, la única resistencia es la de carga. Si se necesitan 200 psi (13,8 bar) para superar la resistencia de carga, la bomba genera 200 psi y transfiere energía hidráulica de trabajo al actuador, que a su vez mueve la carga.

La resistencia al flujo siempre está presente. Obliga a la bomba a extraer más energía del motor primario y generar una presión mayor para superarla.

Figura 2-16 Resistencia y presión. La presión de la bomba aumenta para superar la resistencia total a la que se enfrenta: resistencia de carga más resistencia al flujo (por fricción).

Conversión adicional de energía

La energía adicional que la bomba aporta al líquido para superar la resistencia al flujo no se convierte en energía hidráulica útil de trabajo en el actuador; se consume por la fricción del flujo. Esta energía "consumida" no se pierde en el sentido de la conservación de la energía; se transforma en calor, lo que eleva la temperatura del fluido. Este calor representa la ineficiencia del sistema.

Velocidad y caudal

En un sistema hidráulico dinámico (en flujo), el líquido se desplaza por las tuberías a cierta velocidad (rapidez). La velocidad se mide en pies por segundo (ft/s) o en metros por segundo (m/s).

El volumen de líquido que pasa por un punto determinado por unidad de tiempo se denomina caudal. En los sistemas hidráulicos, la unidad habitual es galones por minuto (gpm, Estados Unidos) o litros por minuto (Lpm).

La velocidad y el caudal están relacionados: para llenar un recipiente de 5 galones (18,95 L) en un minuto mediante una tubería grande, el líquido se desplaza a 10 ft/s (3,04 m/s). A través de una tubería con la mitad del diámetro, el líquido debe desplazarse a 20 ft/s (6,10 m/s) para suministrar el mismo caudal de 5 gpm. El caudal es el mismo; la velocidad es distinta.

Figura 2-17 Mismo caudal, distinta velocidad. En una tubería más pequeña, el fluido debe moverse más rápido para transportar el mismo volumen por minuto.

La fricción genera calor

El líquido que fluye a través de tuberías hidráulicas genera calor debido a la fricción: cuanto más rápido fluya, más calor se produce. En aplicaciones industriales, la velocidad recomendada del fluido dentro de las líneas entre la bomba y el actuador es de 15 pies/s (4,572 m/s).

Las curvas generan calor

El líquido que fluye por una tubería recta y llega a una curva debe cambiar de dirección de forma brusca. Las moléculas del fluido chocan entre sí y contra la pared de la tubería, lo que también genera calor. Dependiendo del diámetro de la tubería, un solo codo de 90° puede generar tanto calor como varios pies de tubería recta.

Diferencial de presión

Una diferencia de presión es la diferencia entre las presiones en dos puntos cualesquiera de un sistema. Una diferencia de presión indica dos cosas:

1. Muestra que existe energía de trabajo hidráulica (líquido presurizado y en flujo) entre esos dos puntos.
2. Mide cuánta energía hidráulica se convierte en calor entre esos dos puntos.

Ejemplo: el manómetro 1 indica 200 psi (13,79 bar); el manómetro 2 indica 180 psi (12,41 bar). La diferencia es de 20 psi (1,38 bar). Esto significa:

3. El líquido fluye desde el manómetro 1 hacia el manómetro 2.
4. se convirtieron 20 psi de energía hidráulica en calor debido a la fricción del flujo entre los dos manómetros.

Figura 2-19. Diferencial de presión. La caída de 20 psi en este tramo de tubería indica que hay flujo y cuantifica la energía hidráulica perdida por calor de fricción.

Diseño para reducir el calor en los sistemas hidráulicos

Convertir energía hidráulica en calor significa que el sistema está desperdiciando energía. Para mejorar la eficiencia, los diseñadores deben seleccionar la viscosidad adecuada del aceite, dimensionar correctamente las tuberías y minimizar el número de curvas y accesorios. Todos estos factores reducen la resistencia al flujo y, por ende, disminuyen la energía perdida como calor.

Figura 2-20. Generación de calor en un circuito real. Cada tubo, accesorio, curva y válvula contribuye a la caída de presión y a la pérdida de energía.