Ciencias de la Ingeniería

Pandilla Petit, (preescolar y 1ro. y 2do. año de primaria)

PP-33-CI Mano Hidráulica

Asesor: Myrna Veronica Fernandez Mendez

Autor: Ian Alexander Olivares Torres

Resumen

Investigación documental.

Asistí a la biblioteca Jose Maria Morelos y Pavón, ubicada en Av. Zarzaparrillas s/n, Los Héroes Coacalco, San Francisco Coacalco, México, aquí consulte varios libros de física que me ayudaron para el desarrollo de este proyecto.

Investigación de campo.

El día 25 de enero del presente año asistí al MUSEO TEZOZOMOC, CENTRO DE DIFUSIÓN DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA del INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL, en el que abarcan temas relacionados con la física, la energía, tecnología, la robótica, matemáticas, como su obtención, generación, transformación y uso de las cosas o la materia, así como de otras áreas del conocimiento, como la óptica, mediante experimentos interactivos y vídeos alusivos.

Lo que mas me gusto fue el brazo robotico, como funciona a través de sus sistemas de control, sensores, fuentes de energía, software y como fue todo diseñado para trabajar de forma conjunta en la ejecución de las tareas del robot.

Y esto lo relaciono con mi proyecto de investigación de mano hidráulica ya que considero que esto nos ayudaría para saber como funciona de una forma básica este tipo de inventos; como este brazo robotico y otros proyectos mas avanzados.

Pregunta de Investigación

¿Cómo construir una mano hidráulica usándola teoría de Pascal?

Planteamiento del Problema

En el día a día podemos observar diversos escenarios que van desde el frenado de un vehículo a través de un pedal, levantar un automóvil usando un gato hidráulico, hasta compactar cartón o papel y todos utilizan un sistema que usa un líquido para poder transmitir una presión y así aumentar su fuerza y movimiento.

Antecedentes

La palabra “Hidráulica” proviene del griego “hydor” que significa “agua”. Hoy el término se emplea para referirse a la transmisión y control de fuerzas y movimientos por medio de líquidos, es decir, se utilizan los líquidos para la transmisión de energía, en la mayoría de los casos se trata de aceites minerales pero también pueden emplearse otros fluidos, como líquidos sintéticos, agua o una emulsión de agua-aceite.
La hidráulica nace de la necesidad del hombre por aprovechar las fuerzas de los elementos naturales que tiene en su entorno.

Las primeras aplicaciones que tuvo la Hidráulica en la sociedad fueron la Rueda Nonia y el molino de viento; que son artefactos impulsados por palancas con ayuda de fuerzas como las del viento y el agua. Estos mecanismos facilitaron el modo de vida de la época y además familiarizaron al hombre con las posibilidades de los fluidos para generar y transmitir energía de una forma empírica
La primera bomba construida por el hombre fue la jeringa y se debe a los antiguos egipcios, quienes la utilizaron para embalsamar las momias. en el siglo II A.C., la convirtió en una bomba de doble efecto.
En la segunda mitad del siglo XV, LEONARDO DA VINCI en su escrito sobre flujo de agua y estructuras para ríos, estableció sus experiencias y observaciones en la construcción de instalaciones hidráulicas ejecutadas principalmente en Milán y Florencia .Este tipo de experiencias u observaciones eran los acueductos utilizados por ellos .

Posteriormente en 1612 Galileo crea un sistema para medir el movimiento del agua en el cual un líquido sube a través de un agujero. Ya en 1643 Torriceli, alumno de Galileo enuncia la ley del flujo libre de líquidos a través de orificios. Además, creo el Barómetro el cual tiene como objetivo la medición de la presión atmosférica.

PRINCIPIO DE PASCAL:

En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) que se resume en la frase: “el incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible (líquido), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo”. Es decir que, si en el interior de un líquido se origina una presión, estas se transmiten con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. En pocas palabras, se podría resumir aún más, afirmando que toda presión ejercida hacia un fluido, se esparcirá sobre toda la sustancia de manera uniforme.

El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma velocidad y por lo tanto con la misma presión, como se muestra en la figura 1.

 

 Figura 1. Esfera hueca con presión de agua.

 La aplicación más frecuente de la ley de Pascal es la prensa hidráulica, consta esencialmente de dos cilindros de diferente diámetro, cada uno con su respectivo embolo, unidos por medio de un tubo de comunicación. Se llena de líquido el tubo y los cilindros y al aplicar una fuerza en el embolo de menor tamaño la presión que genera se transmite íntegramente al embolo mayor. Al penetrar el líquido en el cilindro mayor, que está unido a una plataforma, empuja el embolo hacia arriba. Con este dispositivo, si una fuerza pequeña actúa sobre el embolo menor produce una gran fuerza sobre el embolo mayor.

La presión en el embolo menor está dada por la relación f/a y en el embolo mayor F/A, de acuerdo con el principio de pascal ambas presiones son iguales, por tanto, la fórmula para la prensa hidráulica es:

F/A=f/a

Dónde:
F= fuerza obtenida en el embolo mayor en Newtons (N)
A= área en el embolo mayor en metros cuadrados (m2)
f= fuerza obtenida en el embolo menor en Newtons (N)
a= área en el embolo menor en metros cuadrados (m2)

 

 Fig 2 Prensa hidraulica

La presión ejercida en el émbolo 1 se transmitirá al émbolo 2, así pues, p= p2 y por tanto que constituye la fórmula de la prensa hidráulica, siendo F y S fuerza y superficie respectivamente. Como S2 es grande, la fuerza obtenida en ese émbolo F2 también lo será.

Blaise Pascal formula la ley de distribución de la presión de un líquido; en donde dice que al encajar un líquido en un tubo con una fuerza está de podría duplicar hasta 10 veces más según su medida cilíndrica. Igualmente descubre la comprobación de que la potencia del vació se debe al peso de la atmósfera y no a un “error natural” como se creía anteriormente.

El empleo de la hidráulica proporcionada por el aire y aceite a presión, puede aplicarse para transportar excavar, perforar, manipular materiales, controlar e impulsar vehículos móviles tales como:

  • Tractores
  • Grúas
  • Retroexcavadoras
  • Camiones recolectores de basura
  • Cargadores frontales
  • Frenos y suspensiones de camiones
  • Vehículos para la construcción y manutención de carreteras
  • Aplicaciones en sistemas automotores, aeroespaciales, navales y en medicina.
  • Aplicación automotriz: suspensión, frenos, dirección, refrigeración, etc.
  • Aplicación Aeronáutica: timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos, simuladores, equipos de mantenimiento aeronáutico, etc.
  • Aplicación naval: timón, mecanismos de transmisión, sistemas de mandos, sistemas especializados de embarcaciones o buques militares
  • Medicina: instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de hospital, sillas e instrumental odontológico, etc.

Un sistema hidráulico tiene dos conceptos que tienen claros fuerza y presión. Fuerza: toda acción capaz de cambiar la posición de un objeto. Presión: es el resultado de dividir esas fuerzas por la superficie de dicho objeto que tiene en contacto sobre el suelo. La prensa hidráulica se consigue, empujando por medio del agua dentro de una jeringa se trasmite a través de mangueras llamados conductores y se proyecta como cilindró hidráulico, los líquidos tienen algunas características que los hacen ideales para la función como son: el movimiento es libre de sus moléculas, los líquidos se adaptan a la superficie.

Para entender los contenidos del tema de hidráulica, vamos a construir una mano hidráulica, poniendo en juego los principios físicos en los que se basan los circuitos hidráulicos utilizados por numerosas máquinas y herramientas.

Presión: Es una magnitud física vectorial que mide la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie.

Presión hidrostática: Es un tipo de presión debida al peso de un fluido en reposo, en este la única presión existente es la presión hidrostática, en un fluido en movimiento además puede aparecer una presión hidrodinámica relacionada con la velocidad del fluido.

Fuerza: Es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales.

Energía: Se define como la capacidad para realizar un trabajo.

Energía cinética: Es una energía que surge en el fenómeno del movimiento.

Energía Potencial: Es energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración.

Hidráulica: Es una rama de la física y la ingeniería que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos.

 

Objetivo

Construcción y operación de una mano mediante un sistema hidráulico tomando como base la teoría de Pascal.

Justificación

Elegí este tema porque a través del desarrollo de esto me ayudara a comprender las aplicaciones que tiene la hidráulica en diversas actividades tanto de la vida diaria y actividades industriales.

Hipótesis

Si logramos construir una mano hidráulica entonces se podrá comprobar el teorema de Pascal.

Método (materiales y procedimiento)

Materiales.

Plantilla de mano impresa

-1 cartón

-5 jeringas de 3 ml

-5 jeringas de 5 ml

-5 ligas

-Pegamento en barra

-Cinta de papel

-Manguera para pecera de 2 m

-Pistola de silicón caliente

-Tijeras y plumón

-Agua

Procedimiento.

Paso 1. Lo primero es pegar la plantilla impresa en el cartón.

Paso 2. Posteriormente recortaremos cada una de las partes que conformaran la mano.

Paso 3. Tomando la estructura tenemos que pegar todos los dedos con cinta de papel.

Paso 4. Tenemos que poner las ligas en los dedos pasándola desde la parte superior del dedo así hasta el final y pegaremos los dedos a la base.

      Armado de la hidráulica:

  • -Tenemos que cortar las mangueras de 40 cm así hasta que queden 5 pedazos, por cada tubo tenemos que colocar 1 jeringa de 5 ml y de 3 ml.
  • Luego tenemos que retirar el embolo para meter el agua, primero tenemos que llenar las 2 jeringas igual después meter el embolo del de 5 ml haciendo presión hasta llegar a un cuarto de jeringa después meter el embolo del de 3 ml.
  • Posteriormente tenemos que meter el tronco del embolo por dentro de los dedos colocando la liga y fijar la jeringa a la base de la mano.
  • Así sucesivamente armaremos cada uno de los dedos con cada jeringa.

 

 

Galería Método

Resultados

Al momento del armado proyecto este no hacia la función que esperaba; el movimiento de cada uno de los dedos era mínimo o casi nulo, al realizarlo nuevamente logramos percibir el error, que eran las ligas ya que estas necesitaban más tensión por lo que optamos por cambiarlas por unas más pequeñas y de misma forma tuvimos que ajustar la posición de cada una de las jeringas hasta que hizo la función que esperábamos, las ligas simulan  los ligamentos de la mano los cuales deben de tener cierta tensión para realizar su función al final quede complacido con el resultado y pude entender de mejor manera cómo funciona la hidráulica.

https://youtu.be/7MUsE76u4PI

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

Quedé complacido por el resultado del armado de la mano hidráulica y a través de este comprendí de una mejor manera cómo funciona la hidráulica aplicando el teorema de Pascal, y las aplicaciones que hoy en día se le puede dar a la hidráulica.

Bibliografía

Física General 

Héctor Pérez Montiel

Editorial Publicaciones Cultural (2012)

Física conceptos y aplicaciones

Paul E. Tippens

Séptima Edición

Editorial Mc Graw Hill (2014)

 Física

Resnick, Halliday, Krane

Cuarta Edicion Volumen 1

Editorial CECSA

Blaise Pascal: Biografía, Frases, Inventos, y más

http://manohidraulicafq.blogspot.com/

 

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography