Neumática

Neumática (pronunciado nueva-MATE-IX ) es un aspecto de la física y la ingeniería que se ocupa con el uso de la energía en el gas comprimido para hacer que algo se mueva o el trabajo. Los orígenes de la neumática se remontan al siglo I, cuando el matemático griego Héroe de Alejandría creó sistemas mecánicos alimentados por viento y vapor y documentó sus procesos. Hoy en día, la neumática juega un papel importante en la fabricación y la mecatrónica.

Con la neumática, las válvulas  controlan el flujo de energía del gas presurizado, que a menudo es simplemente aire comprimido. El dispositivo que convierte la energía del gas presurizado en movimiento se llama actuador neumático.

Los actuadores neumáticos a menudo funcionan con compresores eléctricos y son capaces de producir movimiento lineal o rotativo. Una pistola de clavos es un ejemplo de actuador neumático lineal. Cuando el usuario aprieta el gatillo de la pistola de clavos, se abre una válvula y se libera aire comprimido con suficiente fuerza para clavar el clavo en una superficie sólida. Veamos en que consiste la neumática y para que se utiliza.

 En la fabricación, la tecnología neumática y las  válvulas de solenoide automatizadas se pueden utilizar en una línea de ensamblaje para mover, procesar y empaquetar el producto.

Los sistemas neumáticos son similares a los hidráulicos en función, pero los sistemas hidráulicos usan líquido para impulsar el movimiento y trabajar en lugar de aire. Los sistemas neumáticos son más simples de diseñar y de administrar que los sistemas hidráulicos, pero los sistemas hidráulicos son capaces de soportar presiones mayores: hasta 10,000 PSI (libras por pulgada cuadrada) con sistema hidráulico, en comparación con aproximadamente 100 PSI con neumático. En general, los sistemas neumáticos son más sostenibles  que los sistemas hidráulicos porque el aire se puede expulsar a la atmósfera, mientras que el fluido hidráulico se debe expulsar a un depósito de fluido y, finalmente, desecharlo.

Neumática qué es

¿Qué es la neumática?

Entonces, un taladro neumático (o martillo neumático) puede destrozar el pavimento con un cincel de metal bombeado hacia arriba y hacia abajo con aire comprimido que ingresa desde una manguera, mientras que una máquina de pintura robot usa aire comprimido para rociar uniformemente algo como la carrocería de un automóvil. Como veremos en breve, la neumática es similar a la hidráulica, donde usamos agua (u otro líquido) para transmitir fuerza y energía en algo como una excavadora o una grúa; Ambos son ejemplos de potencia fluida, pero donde la hidráulica usa líquido , la neumática usa aire.

Piense en ese globo que hizo estallar y soltó. Usó sus pulmones para soplar aire en su interior. Cada respiración que forzabas hacia adentro inflaba el globo un poco más, empujando hacia afuera con algo de fuerza contra la presión del aire y la elasticidad (elasticidad) de la goma que empujaba hacia adentro desde afuera. Entonces, en términos de física, usaste una fuerza (tu respiración) a distancia (la cantidad que inflaste el globo): hiciste lo que los científicos llaman trabajo en el globo. Comprimiste el aire y lo introdujiste en el globo bajo presión.

 Ahora, comprimir el aire almacena energía en él. Se necesita energía para hacer el trabajo que exprime un gas, y la energía que usa no se desperdicia, se almacena en el gas comprimido como energía potencial puede usar más tarde.

En otras palabras, inflar un globo es como llenar un pequeño tanque de energía (o depósito) hecho de goma. Cuando sueltas el globo, el aire atrapado se libera: se expande, por lo que su energía potencial almacenada se convierte rápidamente en energía cinética, generando un chorro de aire que impulsa el globo alrededor de la habitación, un tipo de motor a reacción muy simple.

Ejemplo básico de neumática

Foto: Neumática? Una cafetera Aeropress es como una gran jeringa de plástico que usa presión de aire para empujar el agua caliente a través del café. Tiene algunos de los componentes de una máquina neumática, pero no todos.

Algunas personas prefieren definir la neumática de manera más amplia, por lo que cubre prácticamente cualquier tecnología que utilice aire en movimiento. Una definición tan amplia puede abarcar todo, desde aspiradoras (que usan succión) hasta motores a reacción, incluso máquinas de café Aeropress, pero la encuentro más vaga y menos útil.

 Con un motor a reacción, por ejemplo, al igual que con un globo, la ráfaga de gas que se dispara hacia atrás a través de la boquilla de escape impulsa el avión hacia adelante, pero otra parte de cómo funciona un motor a reacción es la combustión.(obtener energía de la combustión del combustible) y el «aire» que fluye a través de él no hace realmente el mismo trabajo, de la misma manera. Un avión verdaderamente neumático tendría algo así como un tanque gigante lleno de aire comprimido en el ala (un reservorio en forma de globo) alimentando a través de una manguera a una turbina o una hélice , y conduciendo el avión hacia adelante de esa manera; no habría ninguna combustión en marcha.

Entonces, para ser claros antes de comenzar, este artículo se basa en una definición más estricta de neumática, con el enfoque en el uso de aire comprimido para transmitir fuerzas y almacenar o transportar energía, y los ejemplos que uso tenderán a reflejar eso. No cubrirá motores a reacción , aspiradoras , aerodeslizadores y otras tecnologías de movimiento de aire que dependen menos directamente del aire comprimido por tuberías (puede encontrar mis artículos sobre esas cosas siguiendo los enlaces).

¿Cómo funcionan las máquinas neumáticas?

Neumática funcionamiento, las máquinas neumáticas necesitan cinco componentes básicos para fabricar, almacenar, controlar, mover y utilizar aire comprimido:

1. Un compresor produce aire.
2. Un depósito (o receptor): almacena aire.
3. Una o más válvulas: controle el aire.
4. Un circuito: mueve aire entre los otros componentes.
5. Un actuador o motor: utiliza aire para hacer algo.

Los dispositivos neumáticos obtienen toda su potencia de la energía en el aire comprimido que utilizan, por lo que probablemente pueda ver de inmediato que necesitan al menos dos componentes clave: algo para comprimir el aire (el compresor ) y algo que use aire comprimido para levantar, mover o sujetar un objeto (el actuador ). También necesitamos una tubería o red de tuberías (el circuito ) para llevar aire del compresor al actuador. Algo para encender o apagar el aire (una válvula ) y tal vez invertir su dirección también sería útil (para que podamos hacer que nuestra máquina baje las cosas y las levante).

Hay una cosa más que necesitamos en un sistema neumático. Dado que el aire es un gas muy compresible, un sistema básico que conecta un compresor a un actuador a través de un circuito y una válvula funcionaría muy lentamente. Cuando lo encendió, el compresor tardaría un tiempo en empujar el aire a través del circuito y acumular suficiente presión para hacer que el actuador se mueva (al igual que se necesita algo de tiempo para que una llanta de bicicleta o un globo comience a inflarse mientras espera para que la presión se acumule). Entonces, una máquina neumática también tiene un depósito (un globo, en efecto) donde se almacena una gran cantidad de aire comprimido a presión, listo para entregar una fuerza casi instantánea tan pronto como se abre la válvula operativa.

Características de la neumática

La ley de Pascal establece que la presión de un gas o líquido ejerce una fuerza igualmente en todas direcciones contra las paredes de su recipiente. La fuerza se mide en términos de fuerza por unidad de área (libras por pulgada cuadrada-psi). Esta ley es para líquidos y gases en reposo y desprecia el peso del gas o líquido. Cabe señalar que el campo de la potencia fluida se divide en dos partes, neumática e hidráulica. Estos dos tienen muchas características en común. La diferencia es que los sistemas hidráulicos usan líquidos y los sistemas neumáticos usan gases, generalmente aire. Los líquidos son solo ligeramente comprimibles y, en los sistemas hidráulicos, esta propiedad a menudo puede pasarse por alto. Los gases, sin embargo, son muy comprimibles.

Se deben comprender bien tres propiedades de los gases para comprender los sistemas de energía neumáticos. Estos son su temperatura, presión y volumen. Los sistemas y compresores de aire comprimido se rigen por una serie de leyes físicas que definen su eficiencia y la dinámica del sistema.

TERMODINÁMICA

Tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica se aplican a todos los compresores y sistemas de aire comprimido.

Primera ley de la termodinámica

Esta ley establece que la energía no se puede crear ni destruir durante un proceso, como la compresión y el suministro de aire o gas, aunque puede cambiar de una forma de energía a otra. En otras palabras, siempre que desaparece una cantidad de un tipo de energía, se debe producir un total exactamente equivalente de otros tipos de energía.

Segunda ley de la termodinámica

Esto es más abstracto y puede expresarse de varias formas:

 El calor no puede, por sí mismo, pasar de un cuerpo más frío a uno más caliente.

 Se puede hacer que el calor pase de un cuerpo a una temperatura más baja a uno a una temperatura más alta solo si se realiza un trabajo externo.

 La energía disponible del sistema aislado disminuye en todos los procesos reales.

 Al igual que el agua, el calor o la energía, por sí mismos, fluirán solo cuesta abajo.

Básicamente, estas declaraciones dicen que la energía existe en varios niveles y está disponible para su uso solo si puede pasar de un nivel superior a uno inferior. En termodinámica se ha ideado una medida de la indisponibilidad de energía que se conoce como entropía. Está definido por la ecuación diferencial

La entropía, como medida de indisponibilidad, aumenta a medida que un sistema pierde calor, pero permanece constante cuando no hay ganancia o pérdida de calor, como en un proceso adiabático.

LEY DE BOYLE Neumática

Si se coloca una cantidad fija de gas en un recipiente de volumen variable (como un cilindro equipado con un pistón), el gas llenará por completo todo el volumen, por grande que sea. Si se cambia el volumen, la presión ejercida por el gas también cambiará. A medida que disminuye el volumen, aumenta la presión. Esta propiedad se llama ley de Boyle y se puede escribir como

Según la ley de Boyle, la presión de un gas es inversamente proporcional al volumen, si la temperatura se mantiene constante. Por ejemplo, 2 pies cúbicos a 4 psi ejercerían solo 1 psi si se les permitiera expandirse a 8 pies cúbicos.

En los cálculos que involucran presión y volumen de gas , se debe usar la presión absoluta o libras por pulgada cuadrada absoluta (psia).

Ley de Charles

Si una cantidad fija de gas se mantiene a una presión constante y se calienta o enfría, su volumen cambiará. Según la ley de Charles, el volumen de un gas a presión constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta. Esto se muestra mediante la siguiente ecuación:

Es importante recordar que se debe considerar la temperatura absoluta , no la temperatura según las escalas normales de Fahrenheit o Celsius. La escala absoluta de Fahrenheit se llama Rankin y el centígrado absoluto se llama Kelvin. Para conversión:

0 ″ Fahrenheit = 4,600 Rankin

0 ° Celsius = 2730 Kelvin Por lo tanto, el gas a 700 ° F sería 5300 en la escala de Rankin.

EFECTO COMBINADO DE PRESIÓN, VOLUMEN Y TEMPERATURA

La presión, la temperatura y el volumen son propiedades de los gases que están completamente interrelacionados. La ley de Boyle y la ley de Charles se pueden combinar en la siguiente ley de gas ideal, que es cierta para cualquier gas:

De acuerdo con esta ley, si se conocen las tres condiciones de un gas en una situación, entonces si se cambia alguna condición, se puede predecir el efecto sobre las otras.

Aplicaciones neumáticas ejemplos

Para que se utiliza la neumática, aunque la mayoría de nosotros no nos damos cuenta, estamos rodeados de sistemas basados ​​en la neumática. A continuación se muestran algunos ejemplos.

• Los frenos de aire en autobuses y camiones se conocen formalmente como sistemas de frenos de aire comprimido. Estos sistemas utilizan un tipo de freno de fricción en el que el aire comprimido presiona un pistón y luego aplica la presión a la pastilla de freno que detiene el vehículo.
• Las máquinas de ejercicio se pueden construir sobre sistemas neumáticos. Un cilindro neumático crea una resistencia que se puede ajustar con presión de aire.
• Los motores de aire comprimido, también llamados motores neumáticos, realizan un trabajo mecánico al expandir el aire comprimido. Por lo general, el aire comprimido se convierte en acción mecánica mediante un movimiento rotatorio o lineal.
• Los reguladores de presión son válvulas diseñadas para detener automáticamente el flujo de un líquido o gas cuando alcanza cierta presión.
• Los sensores de presión se utilizan para medir la presión de gases o líquidos.
• Los órganos de tubos producen sonido empujando aire presurizado a través de tubos que se eligen presionando teclas en un teclado.
• Las estructuras inflables, como globos, castillos hinchables o figuras inflables, se inflan con un gas: aire, helio, nitrógeno o hidrógeno. La presión del gas mantiene la estructura inflada.
• El chorro de cables es una técnica que se utiliza para colocar cables en conductos. El aire comprimido se inserta y fluye a través del conducto y a lo largo del cable.
• Los sistemas de correo neumático envían cartas a través de tubos de aire presurizados. Esto fue inventado por un ingeniero escocés en el siglo XIX.
• Los compresores de gas son dispositivos que aumentan la presión de un gas al reducir su volumen.
• Una vejiga neumática es una tecnología de bolsa inflable que se puede utilizar para sellar desagües y conductos para contener gases químicos o derrames, para estabilizar la carga dentro de un contenedor o para hacer flotar un arrecife de coral artificial. Se pueden utilizar en la investigación médica y también tienen otras aplicaciones.
• Los cilindros neumáticos utilizan el poder del gas comprimido para producir una fuerza.
• Una bomba de vacío elimina las moléculas de gas de un recipiente sellado, dejando un vacío parcial. Este concepto fue inventado en 1650.
• Los interruptores de presión cierran un contacto eléctrico cuando se alcanza una cierta cantidad de presión. El interruptor se puede configurar para hacer contacto cuando la presión aumenta o cuando la presión cae.
• Las pistolas de aire neumáticas utilizan aire precomprimido como fuente de energía para poner en movimiento un proyectil.
• Los sistemas de barostato mantienen una presión constante en una cámara cerrada. Pueden utilizarse con fines médicos.
• La recarga a gas proporciona energía para ejecutar armas de fuego.
• Las llantas neumáticas se crean con aire comprimido para inflar y formar el cuerpo de una llanta en una bicicleta, automóvil u otro vehículo.
• Un martillo neumático de mano es una herramienta que combina un martillo y un cincel, y generalmente funciona con aire comprimido.
• ¡Incluso los Legos pueden usar neumáticos! Existe una especie de ladrillo de Lego que utiliza la presión del aire para realizar diversas acciones utilizando conceptos neumáticos.

Como puede ver, es probable que encuentre algún tipo de sistema neumático de forma regular en el transcurso de su vida diaria.