Neumática – Principios Físicos Fundamentales
Hidráulica y Neumática es la tecnología asociada con la generación, control y transmisión de potencia empleando fluidos presurizados. La diversidad de campos de aplicación de la hidráulica y neumática incluyendo por ejemplo direcciones y frenos de automóviles, accionado en máquinas industriales, control de aeronaves, alimentación de procesos, lanzamiento de vehículos espaciales, máquinas cosechadoras, mineración, equipos odontológicos, etc. demuestra que es casi imposible encontrar un producto manufacturado que no haya sido afectado por esta tecnología en algún paso de su proceso de producción o distribución.
Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente bajo la aplicación de una tensión de corte, no importando cuan pequeña sea esta. Una fuerza de corte es el componente tangencial de la fuerza que actúa sobre la superficie y dividida por el área de la superficie, da origen a la tensión de corte medio sobre el área.
De acuerdo con los estados físicos de la materia, los fluidos comprenden las fases líquida y gaseosa. La distinción de un fluido y los demás estados posibles de la materia se vuelve clara cuando comparamos un fluido, según la definición que acabamos de dar, con el comportamiento de un sólido.
Un sólido es una sustancia que se deforma cuando la tensión de corte es aplicada, pero no continua a deformarse. La figura 3.1 ilustra la deformación sufrida por un bloque sólido cuando es sometido a una fuerza tangencial constante (F) y la deformación continuada que ocurre en un fluido en función de una fuerza tangencial, inclusive que sea infinitamente reducida.
Una sustancia plástica (por ejemplo parafina) no puede cumplir la definición de fluido porque la misma tiene una tensión de corte inicial que debe ser superada para luego tenerse una deformación continua. Una sustancia elástica colocada entre dos placas sufriría una determinada deformación proporcional a la fuerza, pero no continuamente en velocidad infinita.
Colocando arena entre dos placas el rozamiento seco requeriría de una fuerza finita para causar un movimiento continuo; entonces la arena no satisface la definición de fluido.
La experiencia muestra que la tensión de corte para un fluido puede ser expresada como:
la cual establece la relación entre la tensión de corte y la tasa de variación de la velocidad del fluido en relación al eje y para un flujo unidimensional. El factor de proporcionalidad μ se llama viscosidad del fluido, de forma más específica, viscosidad dinámica.
La velocidad del fluido corresponde a la tasa de variación del desplazamiento del fluido en relación al tiempo, o sea, junto a la pared móvil se tiene que:
Los fluidos empleados en circuitos hidráulicos y neumáticos son fluidos newtonianos, esto es que μ es constante en la ecuación 3.2. En la figura 3.2 se adecúa el modelo genérico de la figura 3.1 para los circuitos hidráulicos y neumáticos identificándose el movimiento relativo entre émbolo y camisa de un cilindro y el movimiento del fluido en una tubería (en este último caso las paredes están inmóviles y es el fluido el que se moviliza).
Otra característica importante de los fluidos habla sobre la compresibilidad. Se observa que algunos fluidos sufren pequeña variación de masa específica inclusive bajo grandes variaciones de presión, siendo tratados como incompresibles. Estos fluidos se presentan permanentemente en estado líquido.
Cuando no se puede considerar la masa específica constante como en un gas, el fluido se denomina compresible.
Cuando se estudian los sistemas de neumática, que utilizan aire comprimido, el fluido es tratado como no viscoso, o sea, no es requerido ningún esfuerzo para movilizar una placa en relación a otra independientemente de la velocidad de esta placa. Por su parte es fundamental incluir el efecto de la compresibilidad para el dimensionamiento de las válvulas cilindros y motores.
Por su parte los sistemas hidráulicos emplean líquidos como aceites minerales, fluidos a base de agua y fluidos sintéticos, tratados como viscosos y en la mayoría de las veces, como incompresibles. Es importante destacar que el dimensionamiento estático de sistemas hidráulicos es conducido considerando un flujo incompresible, sin embargo, en las aplicaciones que involucran control proporcional o siervo, el efecto de la variación de la masa específica con la presión es crucial para el proyecto y entendimiento de estos sistemas.