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 jeringuilla 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 coche accionando una palanca con una sola mano.

Imagina dos jeringuillas 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 coche 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 depósito se queda sin aceite mientras la bomba funciona.

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

En una prensa hidráulica con $S_1 = 5\ \text{cm}^2$ y $S_2 = 100\ \text{cm}^2$ se aplica $F_1 = 40\ \text{N}$ y el émbolo pequeño baja $10\ \text{cm}$. Calcula la presión del aceite y la fuerza del émbolo grande y, razonando con el volumen de aceite desplazado, cuánto sube el émbolo grande. ¿Qué se multiplica y qué se divide en esta máquina?

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 $4\ \text{cm}$.

Tras una reparación de frenos queda aire dentro del circuito hidráulico y el pedal se siente «esponjoso». Explica por qué el aire estropea la transmisión de la presión (relaciónalo con el principio de Pascal y con la compresibilidad) y qué operación de taller lo soluciona.

Se quiere diseñar una prensa de taller que ejerza $5.000\ \text{N}$ aplicando a mano $250\ \text{N}$. Calcula la relación de superficies necesaria entre los dos émbolos y propón un par de radios razonables (recuerda que $S = \pi \cdot r^2$), justificando la elección.

Compara el mantenimiento de un circuito hidráulico con el de uno neumático: fugas de aceite frente a fugas de aire, filtros, efecto de la temperatura y del polvo, y coste de los fluidos. Concluye cuál de los dos exige más cuidados y por qué.

Un elevador hidráulico de taller sube coches con un cilindro y los baja abriendo una válvula de descarga que deja volver el aceite al depósito. Explica por qué el coche baja sin que la bomba funcione (qué fuerza lo empuja) y qué elemento de seguridad exigirías antes de trabajar debajo.

El principio de Pascal afirma que la presión es la misma en todos los puntos del fluido. Razona qué implica eso para las tuberías del circuito: ¿influye su grosor en la presión? ¿Y en el caudal y en la velocidad a la que circula el aceite?

Un cilindro hidráulico de doble efecto tiene un émbolo de $20\ \text{cm}^2$ y un vástago de $5\ \text{cm}^2$ de sección, y trabaja a $10\ \text{bar}$ (es decir, $10\ \text{N}/\text{cm}^2$). Calcula la fuerza al salir el vástago y, razonando qué superficie útil queda en la cámara del lado del vástago, la fuerza al entrar. Explica por qué no son iguales.