HIDRÁULICA: Rama de la física, que tiene que ver con las propiedades mecánicas del agua y otros líquidos en movimiento.

Principios de Hidráulica

Introducción

La hidráulica es una rama de la física que estudia las propiedades mecánicas de los líquidos y su aplicación en ingeniería. Es fundamental para entender el funcionamiento de diversos tipos de bombas y sistemas hidráulicos. Aunque esta disciplina ha cobrado mayor relevancia en el último siglo, sus principios básicos fueron establecidos en el siglo XVII por Blaise Pascal, quien formuló la ley fundamental de la hidráulica.

Figura 1. El principio hidráulico de que la presión ejercida por un líquido sobre una superficie es proporcional al área de la superficie.

Figura 2 El principio de que una menor cantidad de agua puede ser usada para equilibrar un peso mucho mayor.

Sin embargo, su aplicación práctica estuvo limitada durante mucho tiempo debido a la falta de materiales de sellado adecuados, acabados mecanizados precisos y piezas con tolerancias exactas. Fue a partir del siglo XX cuando la hidráulica experimentó un gran desarrollo gracias a los avances en la manufactura y los materiales.

El agua es un líquido con propiedades únicas. Puede existir en tres estados (sólido, líquido y gaseoso) dependiendo de la temperatura y la presión. En su máxima densidad (39,1 °F o 4 °C), el agua se expande tanto al aumentar como al disminuir la temperatura desde ese punto.

La presión ejercida por un líquido sobre una superficie es proporcional al área de dicha superficie. Este principio se ilustra en la Figura 1, donde dos cilindros con diámetros distintos están conectados mediante un tubo y llenos de agua. Si el área del pistón grande es 30 veces mayor que la del pistón pequeño, y se coloca un peso de 2 libras sobre el pistón menor, la presión se transmitirá al agua y al pistón mayor, resultando en una fuerza ascendente equivalente a 60 libras.

Además, este principio permite equilibrar grandes cargas con pequeñas cantidades de agua. La Figura 2 muestra cómo una locomotora de 101,790 libras puede equilibrarse en un elevador hidráulico con una cantidad reducida de agua, siempre que no haya fugas ni fricción.

Figura 3. El principio de que la presión en cualquier porción de un líquido que tenga densidad uniforme es proporcional a su profundidad por debajo de la superficie.

Figura 4. El principio de que la presión de agua en cualquier punto por debajo la superficie es proporcional a la profundidad del punto debajo de la superficie. Se ilustra la presión en psi (izquierda), y se muestra la relación entre la presión del agua en cualquier punto por debajo de la superficie y la profundidad en pies (derecha).

Figura 5. Los fluidos suben hasta el mismo nivel en cada brazo de un tubo en U cuando la temperatura del líquido es la misma en cada brazo (izquierda), y se elevan a niveles diferentes cuando la temperatura es diferente en cada brazo (derecha).

La presión en un fluido de densidad uniforme es proporcional a su profundidad bajo la superficie (Figura 3). Por ejemplo, una columna de agua de 2,31 pies de altura y 1 pulgada cuadrada de sección transversal ejerce una presión de 1 psi en su base. Si la columna tiene 4,62 pies de altura, la presión en su base será de 2 psi (Figura 4).

Asimismo, los fluidos en un tubo en "U" alcanzan el mismo nivel en ambos brazos cuando la temperatura es uniforme. Sin embargo, cuando la temperatura varía, los niveles pueden diferir debido a la expansión térmica del líquido (Figura 5).

En hidráulica, los conceptos de altura de carga y elevación son esenciales para el diseño de sistemas de bombeo:

• Altura de carga (Head): Es la diferencia de nivel de agua entre dos puntos y se expresa en pies. Puede ser:

  • Carga estática: Diferencia de nivel en un sistema sin flujo de agua.
  • Carga dinámica: Diferencia de nivel considerando pérdidas por fricción y flujo en movimiento (Figura 6).
• Elevación estática: Es la altura a la que la presión atmosférica eleva el agua por encima de su fuente de suministro. En una bomba, la elevación estática se mide desde la superficie del suministro hasta el centro de la abertura de entrada de la bomba (Figura 7 y 8).

Figura 6. Altura de carga dinámica y estática.

Figura 7. Puntos correctos de medición de altura de carga y elevación.

Figura 8. Medición correcta de la elevación estática con respecto a la operación de la bomba. La elevación estática se mide desde la superficie del suministro de agua al punto central de la abertura de entrada de la bomba.

Figura 9.  Método para hacer que la presión atmosférica esté disponible para la elevación de agua desde la fuente hasta una bomba de elevada.

La hidrostática estudia los líquidos en reposo y la presión que ejercen. En los cálculos hidráulicos, se estima que cada pie de altura de carga equivale a 0,433 psi, aunque comúnmente se redondea a 0,5 psi. Este valor es preciso para agua a 62 °F (16,67 °C).

Cuando una bomba extrae agua desde una fuente, la presión atmosférica ayuda a elevar el líquido eliminando el aire de la tubería de succión. Si la presión atmosférica es de 14,74 psi, la columna de agua teóricamente puede alcanzar hasta 34,04 pies en condiciones ideales (Figura 9). Sin embargo, este valor disminuye cuando el agua está a temperaturas más altas debido al aumento en la presión de vapor.

Por ejemplo, a 153 °F (67,22 °C), la capacidad de elevación se reduce, ya que el agua comienza a hervir dentro de la bomba y genera vapor, afectando su funcionamiento.

La altura máxima a la que el agua puede elevarse depende de la presión barométrica. Como se muestra en la Figura 10:

• A 30 pulgadas de mercurio (76,2 cm), el agua puede elevarse hasta 34,1 pies (1.039 cm).
• A 24 pulgadas de mercurio (60,96 cm), la elevación se reduce a 27,28 pies (831 cm).

Esto se debe a que la presión atmosférica en cada caso ejerce una fuerza diferente sobre la columna de agua.

Figura 10. La elevación máxima de agua a la temperatura estándar (62 ◦ F) cuando la presión barométrica es de 30 pulgadas (izquierda) y 24 pulgadas (derecha).

Términos destacados :

• Principios de Hidráulica (Hydraulics Principles)
• Propiedades mecánicas de los líquidos (Mechanical Properties of Liquids)
• Blaise Pascal (Blaise Pascal)
• Presión de un líquido (Liquid Pressure)
• Pistón hidráulico (Hydraulic Piston)
• Elevador hidráulico (Hydraulic Lift)
• Transmisión de presión (Pressure Transmission)
• Equilibrio hidráulico (Hydraulic Equilibrium)
• Locomotora hidráulica (Hydraulic Locomotive)
• Manómetro (Pressure Gauge)
• Profundidad de presión (Pressure Depth)
• Tubo en U (U-Tube)
• Altura de carga (Head Height)
• Carga estática (Static Head)
• Carga dinámica (Dynamic Head)
• Elevación estática (Static Elevation)
• Elevación dinámica (Dynamic Elevation)
• Fluidos en reposo (Fluids at Rest)
• Presión atmosférica (Atmospheric Pressure)
• Vacío parcial (Partial Vacuum)
• Presión barométrica (Barometric Pressure)
• Columna de agua (Water Column)
• Altura de elevación (Lifting Height)
• Bomba de agua (Water Pump)
• Succión de la bomba (Pump Suction)
• Presión de vapor (Vapor Pressure)
• Fuerza hidrostática (Hydrostatic Force)
• Medición de presión (Pressure Measurement)
• Flujo de líquidos (Liquid Flow)
• Sistemas de bombeo (Pumping Systems)

La hidráulica es un campo esencial para la ingeniería y la tecnología moderna, con aplicaciones en maquinaria industrial, sistemas de bombeo, automoción y generación de energía. Comprender sus principios básicos, como la presión de los fluidos, la altura de carga y la elevación estática, permite optimizar el diseño y funcionamiento de sistemas hidráulicos, mejorando su eficiencia y rendimiento.