Ejercicios: Principios físicos

Define presión y caudal con su fórmula y sus unidades en el Sistema Internacional, y explica con un ejemplo cotidiano por qué una presión alta no implica necesariamente un caudal grande.

Enuncia el principio de Pascal y explica por qué en una prensa hidráulica la presión es la misma en ambos émbolos aunque las fuerzas sean muy diferentes. Escribe la relación $\frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2}$ indicando qué significa cada símbolo.

Sobre el émbolo pequeño de la prensa hidráulica de la figura se aplica una fuerza $F_1 = 200\ \text{N}$ sobre una sección $S_1 = 20\ \text{cm}^2$; el émbolo grande tiene una sección $S_2 = 400\ \text{cm}^2$. Calcula la presión del fluido, la fuerza $F_2$ disponible en el émbolo grande y el factor de multiplicación de la fuerza.

Expresa en pascales estas presiones habituales: $1\ \text{bar}$, $6\ \text{bar}$ (taller neumático típico) y $210\ \text{bar}$ (hidráulica industrial típica). Explica por qué en oleohidráulica se usa el bar o el MPa en lugar del pascal en la práctica.

Explica por qué la neumática aprovecha que el aire es compresible (acumuladores, amortiguación) mientras que la hidráulica se basa en que el aceite es prácticamente incompresible (rigidez y precisión del movimiento). Pon una aplicación donde la compresibilidad del aire es una ventaja y otra donde es un problema.

Distingue entre presión absoluta y presión manométrica (relativa): qué referencia toma cada una y qué marca un manómetro de taller cuando el circuito está despresurizado. ¿Cuánto vale aproximadamente la presión atmosférica en bares?

Un émbolo de $50\ \text{cm}^2$ soporta una fuerza de $3\,000\ \text{N}$. Calcula la presión del fluido en $\text{N/cm}^2$ y conviértela a $\text{MPa}$ ($1\ \text{MPa} = 100\ \text{N/cm}^2$) y a bar ($1\ \text{MPa} = 10\ \text{bar}$).

Explica qué mide un manómetro y qué mide un caudalímetro, dónde se instala cada uno en un circuito y por qué ningún circuito hidráulico debería funcionar sin al menos un manómetro visible en la salida de la bomba.

En una prensa hidráulica, el émbolo pequeño tiene una sección $S_1 = 20\ \text{cm}^2$ y el grande una sección $S_2 = 400\ \text{cm}^2$. Si el émbolo pequeño desciende $10\ \text{cm}$, aplicando la conservación del volumen de aceite, calcula cuánto asciende el émbolo grande y explica qué relación guarda este resultado con la multiplicación de la fuerza: ¿de dónde sale la energía?

Por una tubería de $2\ \text{cm}^2$ de sección circula un caudal de $30\ \text{L/min}$. a) Expresa el caudal en $\text{m}^3/\text{s}$. b) Calcula la velocidad media del fluido aplicando $Q = S \cdot v$. c) Si la tubería se estrecha a la mitad de sección, razona qué le ocurre a la velocidad.

Compara neumática e hidráulica como tecnologías de transmisión de potencia: qué fluido usa cada una, qué ocurre con la compresibilidad del aire frente a la del aceite, qué presiones de trabajo son típicas y una aplicación donde cada una es claramente mejor.

Una prensa hidráulica tiene un émbolo de mando de $200\ \text{mm}^2$ y un émbolo de trabajo de $20\,000\ \text{mm}^2$. a) Calcula el factor de multiplicación de fuerza. b) ¿Qué fuerza hay que aplicar para estampar con $60\ \text{kN}$? c) Si el émbolo pequeño recorre $300\ \text{mm}$ por golpe, ¿cuántos golpes hacen falta para que el grande suba $12\ \text{mm}$?

Un multiplicador de presión (intensificador) usa un émbolo grande empujado por aire a $6\ \text{bar}$ para mover un émbolo pequeño de aceite. Si la relación de secciones es $25:1$, calcula la presión máxima de aceite teórica y explica una aplicación de estos equipos (ensayos de presión, inyección a alta presión).

La figura muestra un estrechamiento en una tubería por la que circula aceite. a) Si el caudal es $12\ \text{L/min}$ y la sección ancha es de $4\ \text{cm}^2$, calcula la velocidad en la zona ancha. b) Calcula la velocidad en el estrechamiento de $1\ \text{cm}^2$. c) Razona, por conservación del caudal, cómo cambia la presión en la zona estrecha.

Una bomba hidráulica impulsa $20\ \text{L/min}$ a $50\ \text{bar}$. a) Expresa el caudal en $\text{m}^3/\text{s}$ y la presión en $\text{Pa}$. b) Calcula la potencia hidráulica entregada, $P = p \cdot Q$, y exprésala en $\text{kW}$. c) Si el rendimiento del grupo es del $80\,\%$, calcula la potencia eléctrica consumida.

Los frenos de los coches son hidráulicos y los de los camiones pesados, neumáticos. Analiza las razones: qué fuerzas hacen falta en cada caso, qué consecuencia tiene la compresibilidad del aire en la dosificación del frenado y qué sistemas de seguridad (doble circuito, ABS) compensan los riesgos de cada tecnología.

Un gato hidráulico de taller debe levantar un coche de $1\,500\ \text{kg}$ accionando una palanca que multiplica por $10$ la fuerza de la mano, de modo que sobre el émbolo pequeño actúan $500\ \text{N}$. a) Calcula la presión necesaria del aceite si el émbolo pequeño tiene $5\ \text{cm}^2$ de sección. b) Calcula la sección mínima del émbolo grande (toma $g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$). c) Comenta qué margen de seguridad aplicarías y por qué.

En un circuito hidráulico real aparecen pérdidas de carga: la presión cae a lo largo de tuberías, codos y válvulas. Explica qué efecto tienen estas pérdidas sobre la fuerza útil disponible y sobre el calentamiento del aceite, y cita tres decisiones de diseño que las reducen.

El freno hidráulico de un coche multiplica la fuerza del pedal hasta las pinzas de las ruedas. Diseña el esquema conceptual del sistema (bomba de pedal, latiguillos, pinzas con sus pistones) y calcula la fuerza en cada pinza si el conductor aplica $300\ \text{N}$ sobre un pistón maestro de $3\ \text{cm}^2$ y el pistón de cada pinza tiene $12\ \text{cm}^2$. Razona por qué una burbuja de aire en el circuito haría el pedal «esponjoso».

Hay que dimensionar el cilindro hidráulico de una plataforma elevadora que levanta $800\ \text{kg}$ con una red a $40\ \text{bar}$. a) Calcula la fuerza necesaria (toma $g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$) y la sección mínima del émbolo. b) Elige el diámetro comercial inmediatamente superior razonable. c) Aplica un coeficiente de seguridad de $1{,}5$ sobre la presión máxima del cilindro y explica qué compruebas además (pandeo del vástago, carrera).

Un circuito pierde $8\ \text{bar}$ en tuberías y válvulas antes de llegar al actuador, con un caudal de $15\ \text{L/min}$. a) Calcula la potencia disipada en calor por esas pérdidas ($P = \Delta p \cdot Q$). b) Calcula la energía desperdiciada en una jornada de $8\ \text{h}$ y exprésala en $\text{kWh}$. c) Propón dos medidas de diseño para reducir esas pérdidas y razona su efecto.

Explica el golpe de ariete: qué ocurre con la presión cuando una válvula corta bruscamente el flujo de una tubería larga, qué daños produce (ruido, vibración, roturas) y qué elementos lo evitan (cierres lentos, acumuladores, tubos de amortiguación). ¿Por qué afecta más en tuberías largas y velocidades altas?

Diseña el esquema conceptual de un gato hidráulico de botella: depósito, bomba de palanca con sus dos válvulas antirretorno (aspiración e impulsión), cilindro de carga y tornillo de descarga para bajar. Explica el ciclo completo (subir, mantener la carga, bajar) y el papel de cada válvula.

Los acumuladores hidráulicos almacenan energía. Explica cómo funcionan los de gas (vejiga con nitrógeno), qué aplicaciones tienen (reserva de potencia, amortiguación, emergencia) y razona por qué el gas debe ser nitrógeno y nunca oxígeno o aire comprimido con aceite.