NEUMÁTICA Y ELECTRONEUMÁTICA

HISTORIA

La primera aplicación del aire comprimido consistió en el soplado de cenizas para reavivar el fuego. El aire empleado había sido comprimido en los pulmones a los que podemos considerar como un compresor natural. Los pulmones son capaces de tratar  y ejercen una presión entre . Pero el compresor humano se volvió insuficiente cuando el hombre comenzó a fundir metales (3000 a.C.) donde las temperaturas son superiores a los .

El primer compresor mecánico fue el fuelle manual inventado en la mitad del tercer milenio a.C. Luego vendría el fuelle de pie que se usó en los años 1500 a.C. Esto ocurrió cuando la fundición del bronce (aleación de cobre estaño) y de oro se convirtieron en un proceso estable de producción como quedó registrado en algunas de la tumbas egipcias.

La primera persona que se ocupó de la neumática y su estudio, es decir, de la utilización del aire comprimido como fuente de energía para realizar trabajo fue el matemático e inventor griego Ktsibios (282 a.C hasta 222 a.C.), quien escribió los primeros tratados acerca de este tema y hoy se le recuerda como el padre de la neumática. Hace más de 2000 años construyó una catapulta de aire comprimido basada en un cañón neumático que rearmado manualmente comprimía aire en los cilindros. Gran parte de los historiadores hablan de él pero lamentablemente todos sus trabajos se han perdido.

Los fuelles de pie que se usaron hasta el año 1762 fueron reemplazados por el cilindro soplante de John Smeaton accionado por una 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.

 

El primer prototipo de todos los compresores mecánicos fue la máquina sopladora de vapor construida por John Wilkinson e instalada en su fábrica de Wilby en Shropsirs en 1776. Funcionaba a una presión entorno de 1 bar

En el siglo XIX se comenzó a utilizar el aire comprimido en la industria de forma sistemática con herramientas neumáticas. Fue en 1857 durante la construcción del túnel de Mont-Cenis de 13.6 kilómetros de longitud cuando los ingenieros constataron que por medios manuales tardarían en terminal 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 por medios tradicionales.

 

Con la construcción del túnel, muchos otros proyectos neumáticos fueron abordados tales como por ejemplo el primer martillo neumático inventado en 1880.

Westinghouse inventa los frenos de aire comprimido y los patenta en 1869

En 1886, el doctor J. G. Poblet inventa el ascensor neumático.

El proyecto de mayor impacto hasta la fecha fue realizado en 1888 en Francia donde el ingeniero austriaco Victor Popp obtuvo permiso para utilizar el sistema de alcantarillado y montar una red de aire comprimido en toda la ciudad de Paris. Popp había instalado una planta de 1500 kw que suministraba aire comprimido a más de 7 kilómetros de tuberías al que se unían otros 50 kilómetros de líneas secundarias. La planta suministraba aire a 6 bares.

En 1934, el profesor Lysholm presenta en Suecia su patente del compresor de tornillo con dos rotores circulares.

En la actualidad las aplicaciones de la neumática son innumerables. A continuación se muestran algunas de ellas a modo de ejemplo.

Neumática. La palabra neumática proviene del griego “pneuma” que significa respiración, viento y desde el punto de vista filosófico significa alma. Se refiere al estudio del aire, como fuente de energía, aplicado a los sistemas de movimiento y control.

Los sistemas de aire comprimido se utilizan para controlar el movimiento de  actuadores y su aplicación se manifiesta en herramientas, válvulas de control y posicionadores, martillos neumáticos, pistolas para pintar, sistemas de empaquetado, elevadores, herramientas de impacto, prensas neumáticas, robots industriales, vibradores, frenos neumáticos, etc.

Las ventajas que presenta el uso de la neumática son el bajo costo de sus componentes, su facilidad de diseño e implementación y el bajo par o la fuerza escasa que puede desarrollar a bajas presiones (6 bar) lo que constituye un factor de seguridad. Otras características favorables son el bajo riesgo de explosión, su conversión fácil  al movimiento giratorio así como al lineal, la posibilidad de transmitir energía a largas distancias, una construcción y mantenimiento fáciles y la economía en las aplicaciones.

Las desventajas son la imposibilidad de obtener velocidades estables debido a la compresibilidad del aire, las posibles fugas y en algunos casos los altos costos de la energía neumática.

Los sistemas neumáticos se complementan con los eléctricos y electrónicos lo que les permite obtener un alto grado de sofisticación y flexibilidad. Utilizan válvulas solenoide, señales de realimentación de interruptores magnéticos, sensores e interruptores eléctricos de final de carrera. El PLC (Programable Logic Controller) les permite programar la lógica de funcionamiento de un cilindro o de un conjunto de cilindros realizando una tarea específica.

En determinadas aplicaciones, tales como en movimientos de aproximación rápido y avance lento, típicos de las fresadoras y rectificadoras, en las sujeción de piezas utilizadas en los cortes a alta velocidad sobre materiales duros y en la automatización de procesos de producción, se combinan la neumática con la hidráulica en un circuito oleoneumático, utilizando la parte neumática para el accionamiento y control y la parte hidráulica para el actuador (potencia).

Comparación entre neumática e hidráulica. En la tabla 1 se muestran las características comparativas entre los sistemas neumáticos e hidráulicos.

Tabla 1. Características comparativas entre los sistemas hidráulicos  y neumáticos

	Neumático/Hidráulico	Eléctrico/Electrónico
Elementos de trabajo	CilindrosMotores	Motores eléctricosVálvulas de solenoide
Elementos de control	Válvulas distribuidorasDireccionales	Contactores de potencia, transistores y tiristores
Elementos de entrada	Interruptores, pulsadores, finales de carrera, sensores	Interruptores, pulsadores, finales de carrera, módulos programadores, sensores

PATENTE ALF LYSHOLM COMPRESOR DE TORNILLO

FRENOS DE AIRE

CONCEPTOS Y PRINCIPIOS

Unidades de Fuerza, Masa, Longitud y Tiempo. Las unidades congruentes de fuerza, masa, longitud y tiempo simplifican mucho la solución de problemas en mecánica, igualmente mediante unidades congruentes se pueden hacer derivaciones sin referencia a ningún sistema en particular. Un sistema de unidades mecánicas es congruente cuando una unidad de fuerza causa que una unidad de masa sufra una unidad de aceleración. En el sistema internacional se tiene al Newton (N) como unidad de fuerza, al kilogramo (kg) como unidad de masa, al metro (m) como unidad de longitud y al segundo (s) como unidad de tiempo. Con el kilogramo, metro y segundo como unidades definidas, el Newton se deriva para satisfacer la segunda ley del movimiento de Newton.

1N=1Kg(1m/s^2)

En los Estados Unidos de Norte América el sistema de unidades incluye la libra (lb) como unidad de fuerza, para la masa el slug, el pie (ft) como unidad de longitud y el segundo (s) como unidad de tiempo. El slug es la unidad de masa que una libra fuerza acelera un pie por segundo cuadrado, es decir,

1Lb=1Slug(1ft/s^2)

Existe un sistema inconsecuente de unidades usado por algunos grupos de profesionales de ingeniería en los Estados Unidos de Norte América donde se usa la libra fuerza (lb), libra masa (Lbm), pie (ft) como unidad de longitud y segundo (s) como unidad de tiempo. Con las unidades inconsecuentes se requiere de una constante de proporcionalidad en la segunda ley de Newton, generalmente escrita como

 

Al sustituir el conjunto de unidades dentro de la situación de una libra fuerza que actúa sobre una libra masa a gravedad estándar en el vacío, se sabe que la masa se acelera  es decir,

 

Del cual se puede determinar :

 

La masa M de un cuerpo no cambia con la posición pero el peso W se determina por el producto de la masa por la aceleración de la gravedad local g:

 

Por ejemplo, donde , un cuerpo que pesa 10lb, tiene una masa de . En una localidad donde  el peso del cuerpo es

 

Cambio de unidades. Es posible cambiar de un sistema de unidades a otro conociendo la equivalencia de las unidades fundamentales del nuevo sistema con relación al antiguo.

En el sistema técnico ST la unidad de masa es  la U.T.M. Factor de conversión,

 

Las unidades de longitud y tiempo no cambian, siguen siendo m y s respectivamente.

El factor de conversión de las unidades de fuerza para el SI y para el ST es:

 

En el sistema inglés las unidades de masa y longitud son el slug y el pie. Factores de conversión:

 

 

 

Mientras que la unidad de tiempo es la misma para todos los sistemas.

Nota: Aunque la masa y la fuerza son cosas entre sí tan distintas, al momento de resolver un problema numérico se presentan confusiones en algunos casos.

La raíz de esta confusión está en que se ha utilizado el mismo estándar para definir la unidad de masa en el sistema Giorgi, hoy conocido como SI y la unidad de fuerza en el ST: La unidad de masa en el sistema internacional es la masa del patrón parisino y la unidad de fuerza del sistema técnico es el peso de ese mismo patrón. La elección del patrón de fuerza fue desafortunada, porque la fuerza de la gravedad es variable en todos los puntos de la tierra y del espacio. Fue necesario especificar el peso del patrón de Paris en un lugar donde la aceleración de la gravedad es estándar, es decir, la gravedad al nivel del mar y a una latitud de 45°. Según la norma DIN 1305  . Dependiendo de la ubicación respecto al nivel del mar donde la latitud  y la altitud sobre el nivel del mar  están variando, puede utilizarse la siguiente fórmula:

 

Siendo estrictos, al sustituir en esta ecuación las condiciones indicadas  se obtiene  valor un poco más bajo que .

La confusión aumentó al utilizar el mismo nombre  a las unidades de dos magnitudes totalmente diferentes, aunque a una unidad se le llamara  y a la otra . Por eso es recomendable utilizar en vez de  el de  y en vez de  el .

Ecuación de dimensiones. La ecuación de dimensiones es una ecuación simbólica mediante la cual se expresan todas las magnitudes de la física en función de tres magnitudes fundamentales cualesquiera elevadas a los respectivos exponentes. Aquí se emplearán como magnitudes fundamentales la masa M, la longitud L y el tiempo T  cuyas dimensiones son [M], [L] y [T] respectivamente. La ecuación de dimensiones se obtiene a partir de cualquier ecuación física (dimensionalmente homogénea), en que figure la magnitud respectiva como por se verá en el siguiente ejemplo

 

Ecuación física: peso específico que se define como el peso de un cuerpo W dividido sobre el volumen que ocupa V.

 

Explicación: el peso es una fuerza que según la tercera ley de Newton es igual a la masa por la aceleración, la masa es una magnitud fundamental [M] y la aceleración es igual a una longitud [L] dividida por [T]², así mismo el volumen es una magnitud derivada que equivale a [L]³.

Ejercicio. Según la siguiente ecuación dimensional, determinar la magnitud física.