Ejercicios: Circuitos hidráulicos

Explica qué es la hidráulica y qué fluido emplea, y nombra dos máquinas que funcionen con ella indicando qué trabajo realiza cada una.

Enuncia con tus palabras el principio de Pascal y explícalo con el ejemplo de una jeringa llena de agua con la salida tapada: qué ocurre con la presión en cualquier punto del líquido al empujar el émbolo.

Un émbolo ejerce una fuerza de $300\ \text{N}$ sobre una superficie de $0{,}01\ \text{m}^2$. Aplicando $p = \frac{F}{S}$, calcula la presión que soporta el aceite, expresada en pascales.

La figura muestra una prensa hidráulica con sus datos: una fuerza sobre el émbolo pequeño y las dos superficies. Calcula la presión del circuito y la fuerza $F_2$ que empuja el émbolo grande, y explica por qué se multiplica la fuerza.

Relaciona cada elemento de un circuito hidráulico con su función: (a) bomba, (b) depósito de aceite, (c) cilindro hidráulico, (d) válvula distribuidora. Funciones: (1) impulsar el aceite y darle presión, (2) almacenar el aceite del circuito, (3) transformar la presión en movimiento, (4) dirigir el aceite hacia uno u otro lado del cilindro.

Explica, usando la idea de la fuerza multiplicada, por qué un gato hidráulico permite levantar un carro accionando una palanca con una sola mano.

Imagina dos jeringas cerradas, una llena de aire y otra llena de agua. Explica qué ocurre al apretar cada émbolo y razona por qué la hidráulica aprovecha que los líquidos apenas se comprimen.

Distingue entre presión y caudal usando la analogía de una manguera de riego: qué representa cada magnitud y en qué unidades se mide cada una (bares, litros por minuto).

En una prensa hidráulica, el émbolo pequeño tiene una superficie $S_1 = 10\ \text{cm}^2$ y el grande, $S_2 = 100\ \text{cm}^2$. Si se aplica una fuerza $F_1 = 50\ \text{N}$, calcula la presión del aceite y la fuerza $F_2$ que empuja el émbolo grande, y razona cuántas veces se ha multiplicado la fuerza.

Un gato hidráulico tiene émbolos de $5\ \text{cm}^2$ y $50\ \text{cm}^2$ y debe levantar una carga de $1.000\ \text{N}$. Calcula qué presión necesita el aceite y qué fuerza hay que aplicar en el émbolo pequeño. (Dato: $10\ \text{N}/\text{cm}^2$ equivalen a $1\ \text{bar}$.)

Haz una tabla comparativa entre la neumática y la hidráulica con estas filas: fluido empleado, presión de trabajo típica (unos $6\ \text{bar}$ frente a más de $100\ \text{bar}$), fuerza que puede dar, efecto de una fuga y una aplicación típica.

El freno de un carro es hidráulico. Describe el camino que sigue la presión desde el pedal hasta las pinzas de freno de las ruedas y razona por qué no sería buena idea hacerlo neumático, pensando en la compresibilidad del aire y en la precisión.

La figura muestra un circuito hidráulico con sus símbolos: depósito, bomba, una válvula y un cilindro de doble efecto, con un elemento marcado con ?. Indica qué elemento es, qué función cumple y qué le ocurre al vástago al accionar la palanca en un sentido y en el otro.

Una misma bomba alimenta dos cilindros de distinto diámetro. Razona, usando la idea de caudal (los litros por minuto que llegan al cilindro), cuál de los dos vástagos se moverá más rápido y por qué.

Explica qué hace la bomba dentro de un circuito hidráulico, en qué se diferencia de un compresor y qué le ocurre al circuito si el tanque se queda sin aceite mientras la bomba funciona.

Una excavadora usa hidráulica y la puerta de un bus, neumática. Razona por qué cada aplicación eligió su tecnología pensando en la fuerza necesaria, la velocidad de respuesta y el entorno de trabajo.

La figura muestra un gato hidráulico con sus datos. Calcula la fuerza $F_2$ que levanta la carga y la presión del aceite, y razona cuántos bombeos hacen falta para que la carga suba $2\ \text{cm}$ si en cada bombeo el émbolo pequeño baja $4\ \text{cm}$.

Durante la prueba de frenado de un vehículo tras una intervención en el taller, el conductor nota que el pedal se hunde casi hasta el fondo con un tacto «esponjoso» y las pinzas de freno apenas ejercen fuerza sobre los discos. Tras inspeccionar las tuberías, se confirma que no hay fugas externas de líquido.\n\na) Interpreta este fallo a nivel físico: compara el comportamiento de un líquido y de un gas bajo presión. ¿Por qué la presencia de una burbuja de aire impide aplicar con eficacia el principio de Pascal en el circuito?\nb) Analiza qué ocurre con el trabajo mecánico que ejerce el pie del conductor durante el recorrido muerto del pedal: ¿en qué se invierte esa energía si no llega a los frenos?\nc) Explica el procedimiento técnico de purgado necesario para subsanar el fallo y justifica por qué ningún fabricante diseña sistemas de freno para carros particulares que utilicen aire a presión en lugar de líquido hidráulico.

Tienes que diseñar una prensa hidráulica compacta para embutir rodamientos, capaz de alcanzar una fuerza de prensado de al menos $5.000\ \text{N}$ aplicando un esfuerzo manual de $250\ \text{N}$ como máximo.\n\na) Demuestra a partir del principio de Pascal qué relación debe existir entre el radio del émbolo grande ($r_2$) y el del pequeño ($r_1$). Justifica matemáticamente por qué duplicar el radio de un émbolo multiplica la fuerza por cuatro y no por dos.\nb) Un fabricante suministra émbolos cilíndricos comerciales con radios normalizados en centímetros enteros ($r = 1\ \text{cm},\ 2\ \text{cm},\ 3\ \text{cm},\ \dots,\ 10\ \text{cm}$). Si por limitaciones de espacio el émbolo grande no puede tener un radio superior a $7\ \text{cm}$, selecciona la pareja comercial $(r_1, r_2)$ óptima para cumplir el objetivo y calcula la fuerza real exacta que entregará.\nc) Si el émbolo pequeño de tu diseño avanza $6\ \text{cm}$ en cada carrera, calcula cuánto avanzará el émbolo grande. ¿Qué consecuencia práctica tiene este avance para el tiempo total de operación de la prensa?

Una fábrica de galletas y productos de panadería industrial necesita automatizar una estación para colocar tapas sobre cajas de producto terminado (fuerza requerida: $250\ \text{N}$; cadencia: 40 ciclos por minuto). La planta presenta polvo fino de harina en suspensión y normas estrictas de seguridad alimentaria. Como técnico de planta, debes decidir si el accionamiento será neumático o hidráulico.\n\na) Analiza el impacto operativo y sanitario de una fuga de fluido en ambas alternativas (aire comprimido frente a aceite hidráulico) sobre el producto y el piso de trabajo.\nb) Compara las necesidades de mantenimiento en cada tecnología respecto al circuito de retorno del fluido, la lubricación y la protección contra el polvo de harina.\nc) Teniendo en cuenta la fuerza requerida ($250\ \text{N}$) y la cadencia rápida exigida, emite un dictamen técnico justificado recomendando la tecnología más adecuada.

En un elevador hidráulico de taller con cilindro de simple efecto que sostiene un automóvil de $1.600\ \text{kg}$, se abre manualmente la válvula de estrangulación y retorno para descenderlo, con la bomba eléctrica apagada.\n\na) Justifica físicamente de dónde procede la energía para desalojar el aceite de la cámara del cilindro y empujarlo hacia el depósito sin ayuda de un motor. ¿Qué transformación energética tiene lugar durante el descenso?\nb) Con la válvula de retorno cerrada y la bomba parada, el mecánico observa que el vehículo pierde altura a razón de $5\ \text{mm}$ por minuto. Plantea dos hipótesis técnicas sobre qué componente del circuito hidráulico puede estar fallando para causar ese descenso no deseado.\nc) Explica por qué la normativa de seguridad y salud en el trabajo prohíbe trabajar bajo una carga sostenida únicamente por presión hidráulica y describe qué mecanismo de seguridad redundante e independiente del fluido debe accionarse obligatoriamente para proteger al mecánico.

Reto del tema. ¿Neumática o hidráulica para el manejo de residuos de tu colegio? Diseña una propuesta técnica razonada para instalar un compactador de latas en el aula de Tecnología.

1. Toma de datos: Mide con una pesa de baño la fuerza necesaria para aplastar una lata de gaseosa: coloca la lata sobre la pesa, presiona con una tabla de madera hasta deformarla y anota la masa máxima en $\text{kg}$ para calcular la fuerza real requerida ($F = m \cdot 9,8\text{ m/s}^2$).

2. Dimensionado comparativo: En LibreOffice Calc, calcula el diámetro de cilindro necesario ($S = F/p$) para dos alternativas: un circuito neumático estándar ($p = 0,6\text{ MPa}$) y un circuito hidráulico básico ($p = 8,0\text{ MPa}$). Tabula y compara ambos diámetros.

3. Esquema de control: Dibuja el esquema simbólico normalizado del circuito neumático elegido, incluyendo unidad de mantenimiento, válvula $3/2$ accionada por pulsador con retorno por resorte y un cilindro de simple efecto.

4. Propuesta final: Redacta un informe breve recomendando neumática o hidráulica para esta aplicación concreta, justificando tu elección según la fuerza, la velocidad, la limpieza, el costo y la compresibilidad del fluido.

Se valorará:

• Rigor en los cálculos de émbolos y presiones utilizando unidades del SI y coma decimal.

• Corrección técnica en la simbología normalizada del esquema neumático.

• Capacidad crítica para argumentar la elección entre tecnología hidráulica y neumática.