NEUMATICA E HIDRAULICA
Historia de la neumática e hidráulica
neumatica
Día a día el Ingenio y la creatividad del ser humano han hecho que hagamos automatismos para facilitarnos las cosas.
Desde el principio, siempre hemos desarrollado herramientas, mecanismos que nos ayuden a realizar una tarea, aprendimos a hacer fuego para calentarnos, hacíamos cuchillos a partir de rocas para tajar la carne, descubrimos la rueda y nos facilitó trasportar las cosas, las escritura nos da otra forma de comunicación, de conocer la historia y de preservar el conocimiento adquirido, siempre hemos estado en continua evolución.
En esta escala evolutiva de la tecnología y desarrollo de los sistemas de automatización solo me enfocare en dos ramas la neumática y la hidráulica
El fluido que utiliza la neumática es el aire comprimido, y es una de las formas de energía más antiguas utilizadas por el hombre.
Su utilización se remonta al Neolítico, cuando aparecieron los primeros fuelles de mano, para avivar el fuego de fundiciones o para airear minas de extracción de minerales.
Muchos de sus principios ya eran utilizados por el hombre primitivo. Por ejemplo, la primera aplicación del aire comprimido consistió en el soplado de las cenizas para reavivar el fuego.
El aire empleado había sido “comprimido” en los pulmones, a los que podemos considerar como un compresor natural. Produce cierta impresión conocer la capacidad y el rendimiento de este compresor
Los pulmones son capaces de tratar 100 L/min o 6 m3/h; ejercen una presión de 0,02~0,08 bar. Además, en estado de salud normal, este compresor posee una seguridad insuperable.
Quizás nuestra cultura fuese muy diferente si nuestros pulmones no hubiesen sido capaces de producir fuego. Pero el compresor humano resultó inadecuado por completo cuando el hombre comenzó a fundir metales (~3.000 a.C.).
Para alcanzar temperaturas entorno a 1.000ºC se necesitaba un compresor más potente; este también lo suministraba la naturaleza en el viento que se comprimía contra una colina y ascendía por sus laderas.
Los orfebres egipcios y sumerios inventaron un método más conveniente y seguro para la producción del aire comprimido que necesitaban para fundir metales nobles. Empleaban un tubo-soplete, al igual que hacen sus colegas de hoy.
Este resulta adecuado para pequeñas cantidades, pero no para grandes volúmenes. 2500 a.c Primeras aplicaciones en forma de fuelles de soplado
Construcción de órganos musicales Posteriormente se utilizó para: Minería –Siderurgia.
El primer compresor mecánico, el fuelle manual, fue inventado hacia la mitad del tercer milenio a.c. y el fuelle de pie no se empleó hasta 1.500 años a.C.
Esto ocurrió cuando la fundición de la aleación de Cobre y Estaño (Bronce) se convirtió en un proceso estable de producción, como quedó registrado en algunas tumbas egipcias
En la antigüedad, el aire, uno de los cuatro elementos por los que los griegos fueron cautivados, parecía por su naturaleza volátil y transparente, la más fina expresión de la materia, que en otras “densidades” o “estados” constituía el resto de “elementos”.
Era considerado por ellos algo similar a lo que entendían por alma. Como se ha indicado antes, en griego, la palabra “pneuma” significa “alma” y en consecuencia la técnica que utiliza el aire como medio de transmisión de energía se llamó Pneumática.
Hace aprox. más de 20 siglos un griego construyó un cañón neumático, que actuado manualmente se comprimía aire en los cilindros, y que al realizarse el disparo la expansión del aire aumentaba el alcance del cañón.
El primero del que sabemos con seguridad que se ocupó de la neumática y su estudio, es decir, de la utilización del aire comprimido como elemento para realizar trabajo, fue el matemático e inventor griego Ktesibios (285 A.C.– 222 A.C.), que escribió los primeros tratados acerca de este tema y es considerado el padre de la Neumática.
Hace más de dos mil años, construyó una catapulta de aire comprimido, basada en un cañón neumático que, rearmado manualmente comprimía aire en los cilindros. Al efectuar el disparo, la expansión restituía la energía almacenada, aumentando de esta forma el alcance del mismo.
Todos los grandes historiadores hablan de él pero, lamentablemente, todos sus trabajos se han perdido.
Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido como energía procede del siglo I de nuestra era, y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente. Posteriormente, pasada la Edad Media, fue utilizada en la construcción de órganos musicales, en la minería y en siderurgia.
A partir de entonces el aire se usó de muy variadas maneras, en algunos casos, tal como se presenta en la naturaleza, en movimiento, el viento (energía Eólica) fue transformado en energía mecánica mediante los molinos de viento, permitiendo diversas acciones, como mover moliendas.
Por otra parte, quizás la navegación a vela fue la más antigua forma de aprovechamiento de este tipo de energía.
1688 se crean las máquinas de émbolos (papín)
1762 cilindro soplante
Aunque los rasgos básicos de la neumática están entre los más antiguo conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta finales del siglo XVIII y durante todo el siglo XIX cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas.
Hasta el siglo XVII, la utilización del aire a presión como energía, se realiza en algunas máquinas y mecanismos, como la catapulta de aire comprimido del griego KTESIBIOS, o la descripción en el siglo I de diversos mecanismos que son accionados por aire caliente.
A partir del siglo XVII, se comienza el estudio sistemático de los gases, y con ello, comienza el desarrollo tecnológico de las diferentes aplicaciones del aire comprimido.
Los fuelles de pié fueron usados hasta el año 1.762, en el que empezaron a ser reemplazados por el cilindro suplante de John Smeaton, accionado por la rueda de un molino.
Al aumentar la capacidad de los hornos de fundición, los fuelles convencionales se quedaban cortos, y el cilindro de Smeaton, aunque tosco, resultaba efectivo.
Cuando John Wilkinson inventó una taladradora para hacer cañones y torneados interiores de precisión, se hizo posible la fabricación de máquinas suplantes y de vapor.
La primera máquina suplante de la historia salió de manos del mismo Wilkinson e instalada en su factoría de Wilby, en Shropsire, en 1.776. Este fue el primer prototipo de todos los compresores mecánicos.
Funcionaba a una presión en torno a 1 bar, y elevaba la temperatura hasta el máximo permitido por las articulaciones mecánicas de cuero utilizadas para controlar las válvulas de madera
Las primeras invenciones, que trabajan a base de aire caliente, fueron diseñadas con preferencia para objetivos de culto o para la guerra. La enciclopedia técnica editada en 1774 por Diderot, contiene la vista en sección de un fusil neumático junto con otros aparatos neumáticos.
Hace aproximadamente 100 años se inventaron varios dispositivos neumáticos como el correo neumático, el freno de aire comprimido, el martillo de remachar, el perforador de percusión y otras herramientas neumáticas.
Además de un tranvía de accionamiento neumático, hubo varios sistemas neumáticos para los ferrocarriles. Algunos de estos inventos siguen aún en uso en una ejecución mejorada y el de otros desapareció a causa de dificultades técnicas o de otro tipo.
En el siglo XVIII se construye el primer compresor alternativo, en el XIX, se utiliza como fuente energética para perforadoras de percusión, sistemas de correos, frenos de trenes, ascensores, etc.
Surgieron gran cantidad de barreras técnicas, como pérdidas de carga y fugas debidas a los materiales de los tubos (en algunos casos, de cerámica).
Fue en 1.857, durante la construcción del túnel de Mont-Cenis, de 13,6 km de longitud, cuando los ingenieros constataron que por medios manuales se tardaría en terminar el túnel alrededor de 30 años, y decidieron utilizar una perforadora de aire comprimido con presiones de hasta 6 bares, que permitía alcanzar velocidades de avance de dos metros diarios frente a los 0,6 que se obtenían con los medios tradicionales.
El ingeniero jefe del proyecto, Germain Sommeiller, decidió instalar a cada lado del túnel compresores del tipo de aguade modelos diferentes, debido al miedo a la “barrera del calor” en los materiales.
Es importante hacer notar que por cada 9 perforadoras de roca en servicio, había 54 en reparación, debido a las tremendas tensiones. Cuando se terminó el túnel, más de 7 km de conducción neumática habían sido instalados desde una de las bocas, con lo que quedó demostrado que se podían salvar grandes distancias utilizando aire comprimido.
Mitad del S. XIII (1869), freno de aire para FFCC
Dada la repercusión que tuvo el túnel de Mont-Cenis, muchos otros proyectos neumáticos fueron abordados, por ejemplo, en 1.880 se inventó el primer martillo neumático.
Pero el proyecto de mayor envergadura hasta la fecha fue realizado en 1.888, en Francia, donde el ingeniero austriaco Víctor Popp, obtuvo permiso para utilizar el sistema de alcantarillado y montar una red de aire comprimido en toda la ciudad de París. Popp había instalado una planta de 1.500 kW, que suministraba aire comprimido a más de 7 km de tuberías al que se unían otros 50 km de líneas secundarias.
La planta suministraba aire a 6 bares. En 1.891, la potencia instalada era de 18.000 Kw
En el siglo XIX se comenzó a utilizar el aire comprimido en la industria de forma sistemática. Herramientas neumáticas, como martillos y correo neumáticos, son un ejemplo de estas aplicaciones.
A finales del siglo XIX, se deja de desarrollar debido a la competencia de otros tipos de energía (máquinas de vapor, motores y electricidad).
A finales de la Segunda Guerra Mundial, reaparece de nuevo la utilización a gran escala del aire comprimido como fuente de energía, debido, sobre todo, a las nuevas exigencias de automatización y racionalización del trabajo en las industrias.
Estando hoy en día ampliamente implantado en todo tipo de industrias. En este mismo siglo Se empieza a usar en la industria (Herramientas neumáticas, tubos de correo neumáticos, locomotoras, otros sistemas auxiliares.
Primer martillo neumático S. XX La utilización de la neumática en mecanismos y la automatización comienza en la mitad de este siglo.
Hoy en día en la actualidad, se utiliza en prácticamente todas las aplicaciones industriales (automoción, industria, ferrocarriles, navegación, medicina… etc.), debido a las excelentes cualidades con las que presenta como: (su bajo coste, baja peligrosidad, abundancia en la naturaleza…etc.)
Desde entonces, los industriales europeos trabajaron incansablemente en toda clase de inventos y patentes relacionadas con el aire comprimido.
La incorporación de la neumática en mecanismos y la automatización comienza a mediados del siglo XX. Sólo desde aproximadamente 1.950 podemos hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en procesos de fabricación.
Es cierto que ya existían algunas aplicaciones y ramos de explotación (en la minería, en la industria de la construcción y en los ferrocarriles -uso en frenos de aire comprimido-), pero la irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició, sin embargo, hasta que llegó a hacerse más acuciante la exigencia de una automatización y racionalización en los procesos de trabajo.
A pesar de que esta técnica fue rechazada en principio, debido en la mayoría de los casos a falta de conocimiento y de formación, fueron ampliándose los diversos sectores de aplicación.
En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el aire comprimido, dada su versatilidad y facilidad de manejo y control. Este es el motivo de que en prácticamente todas las ramas industriales el uso de aparatos neumáticos sea imprescindible.
En 1961, Centralsug AB instaló el primer sistema neumático del mundo en el hospital de Sollefteå, que hoy sigue funcionando con piezas originales de principios de los sesenta.
hidráulica
Por otra parte el fluido que se utiliza en la hidráulica es el agua. La hidráulica es una rama de la física y la ingeniería que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos.
Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa (fuerza) y empuje de la misma. La palabra hidráulica viene del griego ὑδϱαυλικός (hydraulikós) que, a su vez, viene de tubo de agua", palabra compuesta por ὕδωϱ (agua) y αὐλός (tubo). Aplicación de la mecánica de fluidos en ingeniería, usan dispositivos que funcionan con líquidos, por lo general agua y aceite como las maquinas ejemplo: caladora, carros, etc.
