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1 Universidad Politcnica de Victoria | Mecnica de Fluidos |
Proyecto Final
Universidad Politcnica de Victoria
Materia: Mecnica de fluidos
Unidad 4
Reporte: Proyecto final
Brazo Excavador Hidrulico
Equipo #1
Integrantes:
Luis Humberto Alans Ortega
Jesus Alberto Perez Rincn
Hctor Miguel Grimaldo Castillo
Jorge Manuel Torres Reyes
Josu Cruz Ramos
Maestro: Ing. Pablo Cesar Carbo Vela
Fecha: 08/04/2015 Lugar: Cd. Victoria, Tamps.
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Proyecto Final
ndice
Objetivo
.............................................................................................................................
3
Introduccin
......................................................................................................................
3
Marco Terico
...................................................................................................................
4
Pistn.
...........................................................................................................................
5
Transformacin de potencia
.........................................................................................
6
Aplicacin de potencia en jeringas
...............................................................................
6
Aplicacin de las palancas al brazo
hidrulico.............................................................
6
Movimientos del brazo hidrulico.
................................................................................
7
Resumen...........................................................................................................................
8
Material Utilizado
..............................................................................................................
8
Desarrollo..........................................................................................................................
9
Resultados
......................................................................................................................
11
Anlisis e interpretacin de resultados
..........................................................................
11
Clculos
..........................................................................................................................
12
Conclusiones
..................................................................................................................
13
Bibliografas
....................................................................................................................
14
ANEXOS
.........................................................................................................................
15
Material Utilizado
........................................................................................................
15
Ensamble de
piezas....................................................................................................
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Objetivo Construccin y operacin de un brazo mediante un sistema
hidrulico.
Construir un brazo hidrulico mediante fluidos, utilizando
movimiento de rotacin, presin hidrosttica, energa cintica,
tensiones, trabajo-energa.
Demostrar que en base al principio de Pascal se puede formar un
Brazo
Hidrulico que funcione como una herramienta de construccin, que
nos facilite
el acceso a objetos a distancia, comprendiendo las aplicaciones
del principio de
Pascal.
Introduccin
La prensa hidrulica depende del principio de Pascal, que la
presin a lo largo de un
sistema cerrado es constante. La prensa tiene dos cilindros y
pistones de diferentes
zonas de la seccin transversal. Si se ejerce una fuerza sobre el
pistn ms pequeo,
esto se traduzca en un mayor vigor en la ms grande del pistn. La
diferencia de las dos
fuerzas ser proporcional a la diferencia en el rea de los dos
pistones.
En efecto, el acto de los cilindros de la misma manera que una
palanca se utiliza para
aumentar la fuerza ejercida. Bramah se concedi una patente por
su prensa hidrulica
de 1795. Bramah la prensa hidrulica se han convertido en muchas
aplicaciones
industriales y sigue hasta el da de hoy. En el momento de
ingeniera hidrulica fue un
casi desconocida ciencia, y Bramah (con William George
Armstrong) es uno de los dos
pioneros en este campo.
Joseph Bramah (13-Abril-1748 9-Diciembre-1814), nacido
Stainborough Lane Farm
Wentworth, Yorkshire, Inglaterra. Fue un inventor y cerrajero. l
es mejor conocido por
haber inventado la prensa hidrulica. Junto con William George
Armstrong, puede ser
considerado uno de los dos padres de la ingeniera hidrulica.
En fsica, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley
enunciada por el fsico y matemtico francs Blaise Pascal
(1623-1662) que se resume en la frase: el incremento de
presin aplicado a una superficie de un fluido incompresible
(lquido), contenido en un recipiente indeformable, se
transmite
con el mismo valor a cada una de las partes del mismo. Es
decir
que si en el interior de un lquido se origina una presin, estas
se
transmiten con igual intensidad en todas direcciones y
sentidos.
En el sistema internacional, la unidad de presin es 1 Pascal
(Pa), que se define como la fuerza ejercida por 1 newton
sobre
la superficie de 1 metro cuadrado.
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Marco Terico
Un fluido es una sustancia que se deforma permanente y
continuamente cuando se le aplica un esfuerzo cortante. Todos los
fluidos son compresibles (los cuerpos disminuyen de volumen al
someterlos a una presin) en cierto grado. No obstante, los lquidos
son mucho menos compresibles que los gases.
Si consideramos que la densidad del fluido permanece constante,
la presin en el
interior del fluido dependera nicamente de la profundidad.
En esta clase de fluidos la densidad es prcticamente constante,
de modo que de
acuerdo con la ecuacin:
Donde:
Presin total a la profundidad medida en Pascales (Pa). Densidad
del fluido.
Aceleracin de la gravedad.
Si se aumenta la presin sobre la superficie libre, por ejemplo,
la presin total en el fondo ha de aumentar en la misma medida, ya
que el trmino gh no vara al no hacerlo la presin total. Principio
de Pascal: Una presin externa aplicada a un fluido confinado se
transmite uniformemente a travs del volumen del lquido.
De acuerdo a esta ley, si una fuerza de entrada (F1) acta sobre
un mbolo de rea
(A1), causar una fuerza de salida (F2) que actuar sobre un
segundo mbolo (A2). Con
esto tenemos que la presin de entrada es igual a la presin de
salida.
Transmisin de presin: Una fuerza mecnica es aplicada en el pistn
A. La presin
interna desarrollada en el fluido por su la densidad ejerciendo
una presin de empuje en
el pistn B.
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Segn la ley de Pascal la presin desarrollada en el fluido es
igual en todos los puntos
por la que la presin desarrollada en el pistn B es igual a la
presin ejercida en el fluido
por el pistn A, asumiendo que los dimetros de A y B son iguales
y sin importar el
ancho o largo de la distancia entre los pistones, es decir por
donde transitar el fluido
desde el pistn A hasta llegar al pistn B.
Fig. 1 Prensa Hidraulica.
Aplicacin de presin en jeringas: El largo cilindro de la figura
puede ser dividido en
dos cilindros individuales del mismo dimetro y colocados a
distancia uno de otro
conectados entre s por una caera. El mismo principio de
transmisin de la presin
puede ser aplicado, y la presin desarrollada en el pistn B va
ser igual a la presin
ejercida por el pistn A.
Fig. 1.1 Aplicacin en jeringas.
En esta aplicacin de presin en las jeringas hacemos una
transferencia de energa en el fluido.
El brazo hidrulico es tambin una maquina simple (un artefacto
mecnico que
transforma una fuerza aplicada en otra resultante, modificando
la magnitud de la fuerza,
su direccin, la longitud de desplazamiento o una combinacin de
ellas) funciona como
palanca.
Pistn.
Se denomina pistn Se trata de un mbolo que se ajusta al interior
de las paredes del
cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos. Efecta un
movimiento alternativo,
obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presin
y volumen o
transformando en movimiento el cambio de presin y volumen del
fluido.
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En todas las aplicaciones en que se emplea, el pistn recibe o
transmite fuerzas en
forma de presin de a un lquido o de a un gas.
Transformacin de potencia
Una fuerza mecnica, trabajo o potencia es aplicada en el pistn
A. La presin interna
desarrollada en el fluido por su la densidad ejerciendo una
fuerza de empuje en el pistn
B. Segn la ley de Pascal la presin desarrollada en el fluido es
igual en todos los puntos
por la que la fuerza desarrollada en el pistn B es igual a la
fuerza ejercida en el fluido
por el pistn A, asumiendo que los dimetros de A y B son iguales
y sin importar el
ancho o largo de la distancia entre los pistones, es decir por
donde transitar el fluido
desde el pistn A hasta llegar al pistn B.
Fig. 1.2 Transformacin de potencia.
Aplicacin de potencia en jeringas
El largo cilindro de la figura puede ser dividido en dos
cilindros individuales del mismo
dimetro y colocados a distancia uno de otro conectados entre si
por una caera. El
mismo principio de transmisin de la fuerza puede ser aplicado, y
la fuerza desarrollada
en el pistn B va ser igual a la fuerza ejercida por el pistn A.
En el siguiente grfico
podemos observar la versatilidad de los sistemas hidrulicos y/o
neumticos al poder
ubicarse los componentes aislantes no de otro, y transmitir las
fuerzas en forma
inmediata a travs de distancias considerables con escasas
perdidas. Las transmisiones
pueden llevarse a cualquier posicin. Aun doblando esquinas,
pueden transmitirse a
travs de tuberas relativamente pequeas con pequeas perdidas de
potencia.
Fig. 1.3 Aplicacin en jeringas.
Aplicacin de las palancas al brazo hidrulico
En la figura se puede apreciar que las palancas que vamos a
utilizar en nuestro proyecto
sern de tercer tipo o de tercer grado ya que en este tipo de
palancas la fuerza aplicada
debe ser mayor a la fuerza a levantar y en nuestro trabajo es de
vital importancia poder
levantar objetos. Adems se utilizarn palancas mltiples ya que es
brazo que
construiremos constar de dos hasta cuatro palancas para poder
lograr el cometido.
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Las palancas que utilizaremos sern hechas de un material
resistente preferiblemente
de madera pero por esttica se us acrlico y sostenidas en sus
ejes por piezas de
acrlico u tornillos de acero, que permitirn obtener un
movimiento circular en cada una
de las palancas y un movimiento rotatorio en su eje para poder
girar el brazo en distintas
direcciones.
Fig. 1.4 Aplicacin de las palancas al brazo hidrulico.
El movimiento vertical consiste en desplazar arriba o abajo
nuestro centro de masas mediante una extensin o una flexin de las
articulaciones.
Movimientos del brazo hidrulico.
El movimiento rotatorio es el que se basa en un eje de giro y
radio constante: la trayectoria ser una circunferencia. Si, adems,
la velocidad de giro es constante, se produce el movimiento
circular uniforme, que es un caso particular de movimiento
circular, con radio fijo y velocidad angular constante.
En el movimiento circular hay que tener en cuenta algunos
conceptos especficos para este tipo de movimiento:
Eje de giro: es la lnea alrededor de la cual se realiza la
rotacin, este eje puede permanecer fijo o variar con el tiempo,
pero para cada instante de tiempo, es el eje de la rotacin.
Arco: partiendo de un eje de giro, es el ngulo o arco de radio
unitario con el que se mide el desplazamiento angular. Su unidad es
el radin.
Velocidad angular: es la variacin de desplazamiento angular por
unidad de tiempo. Aceleracin angular: es la variacin de la
velocidad angular por unidad de tiempo. En dinmica del movimiento
giratorio se tienen en cuenta adems: Momento de inercia: es una
cualidad de los cuerpos que resulta de multiplicar una porcin de
masa por la distancia que la separa al eje de giro.
Momento de fuerza: o par motor es la fuerza aplicada por la
distancia al eje de giro.
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Proyecto Final
Resumen
El proyecto se basa en el principio de Pascal, el cual dice que:
Una presin externa aplicada a un fluido confinado se transmite
uniformemente a travs del volumen del lquido. El proyecto consiste
en una representacin sencilla de un brazo mecnico que sirve para
levantar objetos a distancia, si la comparamos con una maquina como
una gra, podemos apreciar su utilidad. Para realizar el proyecto,
utilizamos principalmente jeringas y las mangueras, para aprovechar
la fuerza que estas pequeas prensas hidrulicas proporcionan y as
darle movimiento a lo que ms tarde conformar el brazo hidrulico.
Utilizamos acrlico, tornillos y las jeringas y tambin con este
material hicimos las partes que conformaran el brazo mecnico. Las
jeringas, las mangueras y la parte que servira como excavadora, las
unimos a las partes del brazo con tornillos y acomodndolas
estratgicamente para que pudieran dar movimiento a las
articulaciones. La razn por la que utilizamos cuatro pares de
jeringas y mangueras, es porque necesitbamos realizar una
transmisin de presin para as lograr que los mbolos de las jeringas
se movieran una cierta distancia, provocando el movimiento del
brazo, al ser acomodadas. Como fluido, utilizamos nicamente agua,
ya que nos pareci de muy fcil acceso. Cada par de jeringas funciona
como una presa hidrulica, tenemos un fluido confinado
y lo transmitimos a la otra jeringa aplicando una fuerza en el
mbolo, esta se transmite
y hace que se mueva el otro mbolo.
Material Utilizado
Material Cantidad
Jeringas 8
Manguera 6 m
Acrlico 50cmX50cm
Tornillos 12
Tuercas 26
Base de madera 30cmX20cm
Silicn frio 1
Cinchos 8
Tabla 1. Material utilizado
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Desarrollo
A continuacin se muestran los pasos con imgenes de la
construccin del brazo
hidrulico.
Primeramente se compraron los materiales necesarios (ver tabla
1). Siguiendo con el
proyecto se procedi a cortar las partes del brazo para as
ensamblarlo.
(a) (b)
Fig. 1.5 Construccion de brazo hidraulico.
Al tener todas las partes del brazo ya cortadas del material de
acrlico se continu con realizarle los agujeros con un taladro.
Estos agujeros son para los unir todas las partes
del brazo con tornillos y tuercas.
En el extremo del brazo se tiene la parte excavadora de este, la
cual calentando el acrlico se logr doblarlo para dar forma a las
partes de este y as poder pegarlo con
pegamento frio.
`
(a) (b)
Fig. 1.6 Construccion de brazo hidraulico (Ensamblaje de
piezas).
Al tener ya toda la estructura del brazo se procedio a colocar
las jeringas en los soportes hechos en la estructura del brazo
sujetandolas con cinchos y alambre delgado.
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Proyecto Final
Luego se llenan las jeringas con agua y se les colocan las
mangueras, hacindolas que embonen perfectamente en la entrada de
cada jeringa, se coloca una en cada extremo y se deja fluir el
agua, procurando que no quede aire.
(a) (b)
(c)
Fig. 1.7 Construccin de brazo hidrulico (colocacin de
jeringas).
Se colocan las jeringas en la estructura de acrlico. Con el
primer par de jeringas, una se coloca en la parte inferior del
brazo, haciendo que levante las otras dos extremidades.
Otra jeringa se coloc en la parte de la extremidad superior la
cual soporta el peso de la tercera extremidad y la parte
excavadora. El otro par de jeringas se acomodan en la base de
haciendo que se mueva, se pegan a la tabla y se asegura, la otra
jeringa se acomoda. Y por ltimo el otros par de jeringas se coloca
a la parte excavadora la cual levanta o la baja.
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Resultados
Los resultados del proyecto fueron satisfactorios ya que el
brazo tiene un buen
funcionamiento mecnico ya que sus movimientos son bien
ejecutados a la hora de
hacer presin en las jeringas tienen una buena respuesta. En la
fig. 1.8 se muestra el
brazo ya terminado.
Fig. 1.8 Brazo Hidrulico terminado
Anlisis e interpretacin de resultados
Se obtuvo el movimiento del brazo gracias a las pequeas prensas
hidrulicas.
Si las mangueras llegan a tener algn obstculo (presionar una
parte de la manguera), si el lquido no fluye y es necesario aplicar
demasiada fuerza y en consecuencia de esto se vota de la otra
manguera desnivelando todo el sistema.
Mientras ms pesado sea el objeto se necesitar aplicar una fuerza
mayor, ya que se crea ms presin.
El movimiento que levanta los pesos se crea en funcin de las
reas, que transmiten la presin, a menor rea mayor presin.
Podemos mover el brazo la misma distancia que las alturas de las
jeringas ya que estn miden 7 cm, puede rotar 7 cm, las dems
jeringas tienen la misma altura 9 cm.
Ya que las jeringas tienen la misma altura ejercemos la misma
presin en ambas.
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Clculos
La ventaja mecnica ideal es de 5, ya que las reas son A1= 2cm y
A2= 0.4 cm. El volumen de agua utilizado es de: Jeringa 1: 0.00003
m Jeringa 2: 0.000035 m Jeringa 3: 0.000025 m Jeringa 4: 0.000015 m
Las masas levantadas son de:
100 gr
50 gr
20 gr
15 gr
10 gr.
Calculamos las fuerzas de salida para cada una de las masas. F=W
F= mg/ Mi
M= masa
g= aceleracin de gravedad
Mi= mecnica ideal
F= (0.1 kg) (9.8 m/s) /5 = 0.196 N F= (0.05 kg) (9.8 m/s) /5 =
0.098 N F= (0.02 kg) (9.8 m/s) /5 = 0.0392 N F= (0.015 kg) (9.8
m/s) /5 = 0.0294 N F= (0.01 kg) (9.8 m/s) /5 = 0.0196 N Calculamos
la presin H1= 7 cm jeringa 4 (parte inferior, rotacin) H2= 9 cm
jeringas 1, 2 y 3 (estructura de acrlico) P= dgh P1= (1000 kg/m)
(0.07 m) (9.8 m/s) = 686 Pa P2= (1000 kg/ m) (0.09m) (9.8 m/s) =
882 Pa
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Conclusiones El movimiento se produce gracias a la fuerza de
empuje de los mbolos. Es una aplicacin fcil y divertida, si se
compara con una mquina de construccin se puede notar la estructura
y la similitud, por consiguiente apreciar sus aplicaciones y su
funcionamiento tan sencillo pero til.
La energa hidrulica es la resultante del aprovechamiento de la
energa cintica y
potencial del agua.
Es posible cargar objetos pesados con poca fuerza. No se debe de
obstruir el paso del fluido porque necesitara ms fuerza el embolo.
Entre ms pesado sea el objeto se necesitara empujar el embolo con
ms fuerza.
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Proyecto Final
Bibliografas
Tippens, Paul, Fsica. Conceptos y Aplicaciones. Mxico, Mc Graw
Hill, 7 edicin, 2007
Sears, Zemansky & Young, Fsica Universitaria, sexta edicin
(64013)
http://trabajofisica.galeon.com/
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/prensa/prensa.html
http://perso.gratisweb.com/grupopascal/FLUIDOS%20Profe/FLUIDOS%20Profe/C
arpeta%20unidad/Phidrostatica/index.html
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Material Utilizado
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