Fundamentos de Neumática e Hidráulica

La palabra «neumática» proviene del término griego pneuma, que significa ‘aire’. El aire es un fluido que se comprime al aplicarle una fuerza, acumulando energía; mantiene esa compresión y devuelve la energía acumulada cuando se le permite expandirse. Los circuitos neumáticos emplean aire sometido a presión como medio para transmitir fuerza. Este aire se obtiene directamente de la atmósfera, se comprime y se prepara para poder ser utilizado, generalmente para aquellas tareas que requieren de cierta precisión y velocidad.

La hidráulica es la tecnología que emplea un líquido, bien sea agua o aceite (normalmente aceites especiales), como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar los mecanismos. Aunque el término «hidráulica» proviene de la palabra griega hydro, que significa ‘agua’, en estos sistemas se utiliza aceite, por lo que lo correcto sería llamar a esta tecnología oleohidráulica. En la práctica, cuando hablamos de sistemas por aceite, agua o cualquier fluido líquido, siempre usamos la palabra hidráulica.

Propiedades Físicas de los Fluidos

• Viscosidad: Es la resistencia de un fluido a fluir. Cuanto mayor es la viscosidad, más «espeso» es el fluido y más lento fluye. Un ejemplo es la miel, que tiene mucha viscosidad, frente al agua, que tiene poca. En los líquidos, al aumentar la temperatura, disminuye la viscosidad; en los gases, al aumentar la temperatura, aumenta la viscosidad.
• Densidad: Es la cantidad de masa por unidad de volumen. La unidad de densidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el kg/m³. Los gases son menos densos que los líquidos y su densidad varía con la presión y la temperatura a la que está sometido el gas; mientras que en el caso de los líquidos, esta variación es menor.
• Compresibilidad: Es la capacidad de un cuerpo para reducir su volumen al aplicarle presión. Los sólidos y líquidos casi no se comprimen. Los gases son muy compresibles porque tienen mucho espacio entre partículas; con alta presión o baja temperatura, un gas puede convertirse en líquido.
• Expansibilidad: Es la tendencia de los gases a aumentar su volumen y ocupar todo el espacio disponible. Los gases se expanden porque sus partículas están muy separadas y siempre llenan completamente el recipiente.
• Presión: La presión se debe a los choques de las moléculas del fluido contra la pared del recipiente. Aunque la fuerza ejercida por una molécula es pequeña, el número de choques en una determinada área es grande. Además, las moléculas se mueven en todas direcciones, ejerciendo la misma presión en todas partes del recipiente.

Actuadores en Sistemas de Fluidos

Los actuadores son los elementos que transforman la energía que el generador ha aportado al fluido (aire o aceite) en la energía mecánica necesaria para realizar un trabajo útil.

• Cilindros: En ellos se producen movimientos lineales de extensión y compresión. En los cilindros, el fluido a presión hace que se mueva un pistón o émbolo, unido a una barra llamada vástago, que acciona el elemento que queremos mover.
  • Cilindros de simple efecto: Se utilizan para múltiples funciones, como sujetar, expulsar, levantar o apretar. Tienen una sola conexión para la entrada del fluido y el vástago vuelve a su posición inicial por el efecto de un muelle incorporado o de otra fuerza del exterior.
  • Cilindros de doble efecto: Se utilizan especialmente cuando el émbolo también tiene que realizar alguna función al volver a su posición inicial. Tienen dos conexiones para el flujo de aire o aceite, que producen una fuerza útil sobre el vástago en ambos sentidos.
• Motores: Transforman la energía del fluido en un movimiento de giro. Los motores neumáticos se emplean especialmente en aquellas situaciones donde resulta difícil el uso de otro tipo de motores, como en ambientes explosivos, corrosivos o de elevada temperatura. Por estos motivos, se suelen utilizar en minería, en las industrias del petróleo, química, siderurgia, etc. El más habitual es el motor de paletas.

Desarrollo Sostenible y Eficiencia Tecnológica

El desarrollo sostenible busca la compatibilidad entre la calidad de vida que nos proporciona la tecnología y el respeto al medioambiente, minimizando el impacto ambiental a través del ahorro energético, el reciclaje de residuos y el uso de energías renovables. Se basa en tres aspectos principales:

• Aspecto económico: Las actividades económicas deben ser financieramente rentables y viables y, a la vez, ser respetuosas con el medioambiente.
• Aspecto social: Toda actividad debe estar dirigida al mantenimiento de la cohesión social y beneficiar a las comunidades locales, trabajadores, proveedores, clientes y a la sociedad en general.
• Aspecto ecológico: Se debe evitar la degradación ambiental, reduciendo o evitando el consumo de recursos no renovables y disminuyendo el impacto de los residuos de la actividad.

Tecnologías Sostenibles

Las tecnologías sostenibles son aquellas que resultan energéticamente más eficientes, consumen menos materias primas por medio de la reutilización y el reciclado de materiales, reducen los desechos y vertidos contaminantes, y empleen energías renovables para minimizar el impacto ambiental.

Por ejemplo, la industria aeronáutica ha conseguido nuevos diseños de motores que reducen en un 20 % el consumo de combustible. Asimismo, la informática y la robótica han permitido automatizar procesos, como el corte de tejidos en la industria textil, para disminuir la cantidad de tela desperdiciada. El ahorro energético también debe estar presente en los hogares, considerando la reducción del consumo y el empleo de fuentes renovables. Para ello, la arquitectura bioclimática ofrece múltiples soluciones para reducir la generación de residuos a través de su recuperación y aprovechamiento, ya sea para su uso directo o mediante sistemas de transformación.

Técnicas Bioclimáticas para la Edificación

• Orientación adecuada del edificio: En los países del hemisferio norte, las partes de la vivienda más cálidas serán las que se orienten al sur, mientras que en el hemisferio sur serán las que se orienten al norte.
• Aislamiento térmico: Evita que el calor se escape en invierno y que penetre en verano. Puede conseguirse utilizando materiales adecuados o construyendo muros gruesos. Se debe prestar especial atención a ventanas y puertas de cristal, donde el intercambio de calor es más directo.
• Protección solar: Tiene en cuenta el recorrido del Sol para generar zonas de insolación y áreas de sombra. En verano, se busca que el edificio se caliente lo mínimo (reduciendo el gasto en refrigeración) y, por otro lado, que se insolen lo máximo posible los elementos generadores de energía, como colectores o células fotovoltaicas.
• Ventilación natural: Se consigue disponiendo los muros y tabiques de manera que el aire circule naturalmente, repartiendo uniformemente el calor o logrando corrientes que refresquen la casa. Incluye sistemas como la calefacción por efecto invernadero o climatización por aire forzado.
• Aprovechamiento climático del suelo: En invierno, la temperatura del suelo suele ser más elevada que la del aire exterior, mientras que en verano ocurre lo contrario. Este efecto se aprovecha enterrando parte de la fachada más fría o instalando tubos de aire a profundidad para aprovechar las corrientes térmicas.
• Utilización de energías renovables: Instalación de paneles solares térmicos o fotovoltaicos, aerogeneradores domésticos, calefacción por biomasa o aerotermia.
• Reciclado del agua: Ahorro de recursos hídricos mediante la recogida de aguas de lluvia o el tratamiento de aguas residuales por procesos de fitodepuración sin productos químicos.
• Uso de materiales naturales locales: Empleo de adobe, madera o arcilla, que aportan aislamiento térmico y reducen el impacto sobre el terreno.
• Vegetación autóctona: Uso de plantas locales en jardines para el control natural de la temperatura.