CONCEPTOS NEUMATICA Y LEYES PRINCIPALES – NIVEL INICIAL

Neumática.

Iniciamos con los conceptos básicos y leyes físicas fundamentales. Aunque luego se tendrán en cuenta otras partes de la física referentes a la automatización de procesos. Estos conceptos son muy básicos pero nos sirve para ubicarnos en el mundo neumático, lo mismo es válido para el estudio de hidráulica.

Podemos definir la neumática como una tecnología capaz de hacer uso del aire comprimido para automatizar procesos. Por regla general, dichos procesos suelen ser industriales, pero muy bien podrían ser de otra naturaleza si lo reflexionamos detenidamente.
Hay que entender el aire comprimido como el aire que está bajo una influencia superior al aire atmosférico, es decir, su presión es superior.
Asimismo, la composición química del aire es de oxigeno, anhídrido carbónico, vapor de agua y nitrógeno. Esta composisición química resulta de gran importancia para nosotros porque:
1. Nos indica su nula volatidad, deflagación o explosividad.
2. El vapor de agua oxida los elementos mecánicos que componen cualquier circuito neumático.
3. La baja sensibilidad que tiene el aire al aumento de la temperatura.
4. La viscosidad del aire se incrementa cuando aumentamos su presión, lo cual incide directamente en el rozamiento de los elementos mecánicos, disminuyendo el rendimiento óptimo de toda la instalación neumática. Existen unos límites óptimos para trabajar con aire, por así decir, que son entre 6 y 8 bar.
5. La neumática al necesitar forzosamente un aire con una presión superior a la atmosférica, resulta significativamente más cara que la tecnología eléctrica para producir trabajo efectivo.
6. El aire comprimido además de transmitir vapor de agua, puede transmitir otro tipo de sustancias también perjudiciales para el equipo neumático. Asimismo, si dotamos al aire de partículas de aceite en suspensión, estaremos engrasando los elementos mecánicos del circuito neumático. Para acabar de invertir el problema de la transmisión, podemos dotar al circuito neumático de filtros para recoger la suciedad del aire.
7. El hecho de poder limpiar el aire comprimido convierte a la neumática en una tecnología ideal para sectores como la alimentación o la farmacológica, frente a otra tecnología como puede ser la hidráulica, ésta es bastante más sucia en todos los sentidos. El aire se puede extraer al exterior, mientras que el aceite hay que recogerlo, por citar un ejemplo.
8. El circuito principal de suministro de aire comprimido, no debe sobrepasar los 1000 metros, porque aumentaría considerablemente las pérdidas de aire comprimido, haciendo que la tecnología neumática no resulte práctica.
9. Resulta provechoso y aconsejable hacer uso de un sistema de almacenamiento de aire comprimido, sobre todo, en largas distancias, de esta forma se elimina las posibles fluctuaciones que podamos tener en el circuito neumático a consecuencia de la distancia, de pequeños vaivenes del compresor, etc.

La neumática, más allá del aire comprimido.

La neumática como tecnología es relativamente joven. Está en constante expansión, de hecho algunas de las empresas que se dedican a la fabricación de elementos neumáticos hacen algunos de éstos elementos por encargo, es decir, el cliente se presenta en la empresa con un problema de automatismo neumático y la empresa, después de un riguroso estudio del problema planteado le da una posible solución al cliente.
Esto hace que se incremente el número de elementos o dispositivos en neumática.
Aún así, no es ni mucho menos preocupante, pues los principios físicos son los mismos.
Hablando de principios físicos en neumática, desde aquí tendréis acceso a las páginas del formulario, los conceptos y las distintas leyes que se usan en esta tecnología, como pueden ser:

1. Las diferentes presiones, atmosférica, relativa y absoluta.
2. El teorema de hidrostática.
3. Las diferentes leyes de los gases ideales.

Presión.

Existen varios tipos de presión. Las podemos clasificar de la siguiente manera:

1. Presión atmosférica.
2. Presión absoluta.
3. Presión relativa.

Pero antes de tratar sobre las diferencias entre estas presiones, vamos a definir qué es la presión en si misma.
La presión es el cociente entre la fuerza normal que incide sobre una superficie o cuerpo y el valor del cuerpo o la superficie. De esta forma obtenemos esta fórmula:

Presión atmosférica.

Torricelli realizó un experimento que consistía en verter mercurio en un tubo de vidrio, colocó el tubo de vidrio en una cubeta rellena de mercurio, dejando la parte abierta del tubo dentro de la cubeta y la parte cerrada en el exterior de la cubeta. Realizando dichas operaciones, observó que el mercurio quedaba a determinada altura dentro del tubo. Pero lo curioso del experimento era que la altura en que quedaba el mercurio dentro del tubo, variaba dependiendo de la altitud y de ciertas condiciones climatológicas. Al hacerlo sobre el nivel del mar, la altura del mercurio alcanzaba los 760 mm. A este valor se le denominó 1 atmósfera.

La presión atmosférica es la presión que ejerce la atmósfera sobre todos los cuerpos de la tierra o que están en el interior de la atmósfera.

Peso específico.

Antes de continuar tratando de las presiones, debemos aclarar que es el peso específico de un líquido y de un gas.
Se denomina peso específico de un gas o líquido al peso de la unidad de su volumen.
Tanto la temperatura como la presión influyen en el peso específico, por este motivo se acostumbra a indicar éstos valores cuando se da el valor del peso específico, normalmente en Kg/m³ o en gr/cm³.

Presión absoluta.

Se denomina presión absoluta a la presión que soporta un sistema respecto al cero absoluto. Para poder decir que existe sobrepresión la presión absoluta debe ser superior a la presión atmosférica.
Sin embargo, cuando la presión absoluta es inferior a la presión atmosférica decimos que existe una depresión.
Para complicar un poco el asunto, diremos que la sobrepresión y la depresión son la presión relativa.
Hay que tener en cuenta, que tanto la presión absoluta (P_ab) como la presión relativa (P_r) están en función de la presión atmosférica (P₀).

Leyes.

Existen varias leyes útiles para la tecnología neumática, y las vamos a tratar aquí.

Ley de Boyle-Mariotte.

En el siglo XVII tanto Robert Boyle como Edmé Mariotte enunciaron la siguiente ley:
A una temperatura constante, los volúmenes ocupados por una misma masa gaseosa son inversamente proporcionales a las presiones que soportan.

Los gases son elásticos y se pueden comprimir, los líquidos no. Los gases cuando están encerrados tienden a ocupar el mayor espacio posible y ejercen una presión sobre el recipiente que ocupan. Aumentando la temperatura disminuimos el volumen. Esta ley es fundamental en neumática, pues nos indica el rendimiento que tendrá una instalación.

Ley de Gay-Lussacc.

Con esta ley se demuestra que un gas con presión constante, tiene un volumen directamente relacionado con su temperatura.

Ley de Amonton.

Un gas con un volumen constante, su presión absoluta varía proporcionalmente con su temperatura.

Ley de Poisson.

Aquí tenemos una costante K que cambia con la presión y la temperatura.
La ley nos explica que si no existe intercambio de calor con el entorno, la relación existente entre la presión absoluta y el volumen que ocupa un gas, viene expresado por la fórmula.

Hidrostática.

La hidrostática es una rama de la física donde se estudian los fluidos en estado de reposo. Existen dos principios básicos que tratan la hidrostática:
1. El principio de Arquímedes.
2. El principio de Pascal.

El principio de Arquímedes.

El principio de Arquímedes afirma que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido estático e incompresible, será empujado con una fuerza igual al peso del volumen del líquido desplazado por dicho objeto. Así, cuando un cuerpo se encuentra sumergido en el fluido se efectúa un empuje hidrostático resultante de las presiones sobre la superficie del cuerpo que actúa siempre hacia arriba mediante el centro de la gravedad del cuerpo y de valor igual al peso del fluido desplazado.

El principio de Pascal.

Este principio nos dice que: el incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible, contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo.

Teorema de la Hidrostática.

Observando el dibujo, vemos dos moléculas de cualquier fluido. En la molécula A, la fuerza que ejerce sobre la pared del recipiente es normal a ella, de otra forma el líquido estaría en movimiento.
En cambio, si observamos la molécula B nos daremos cuenta que la fuerza que ejerce sobre el resto de moléculas que la rodean, es nula, si no fuera de esta forma, el líquido se movería.

Gases ideales.

El comportamiento de los gases es bastante más simple que el de los fluidos, por ello podemos predecir fácilmente su comportamiento en el presente y en el futuro de un gas cualquiera. La composición química del aire comprimido, hace que lo podamos tratar como un gas ideal. Si a través de cálculo matemático, llegaremos a la siguiente fórmula:

La fórmula es la general para los gases ideales.