Historia de la neumática e hidráulica - ingeniería mecánica

Historia de la  neumática e hidráulica 

neumatica

Día a día el Ingenio y la creatividad del ser humano han hecho que hagamos automatismos para facilitarnos las cosas. Desde el principio, siempre hemos desarrollado herramientas, mecanismos que nos ayuden a realizar una tarea, aprendimos a hacer fuego para calentarnos, hacíamos cuchillos a partir de rocas para tajar la carne, descubrimos la rueda y nos facilitó trasportar las cosas, las escritura nos da otra forma de comunicación, de conocer la historia y de preservar el conocimiento adquirido, siempre hemos estado en continua evolución. En esta escala evolutiva de la tecnología y desarrollo de los sistemas de automatización solo me enfocare en dos ramas la neumática y la hidráulica

El fluido que utiliza la neumática es el aire comprimido, y es una de las formas de energía más antiguas utilizadas por el hombre. Su utilización se remonta al Neolítico, cuando aparecieron los primeros fuelles de mano, para avivar el fuego de fundiciones o para airear minas de extracción de minerales. Muchos de sus principios ya eran utilizados por el hombre primitivo. Por ejemplo, la primera aplicación del aire comprimido consistió en el soplado de las cenizas para reavivar el fuego. El aire empleado había sido “comprimido” en los pulmones, a los que podemos considerar como un compresor natural. Produce cierta impresión conocer la capacidad y el rendimiento de este compresor

Los pulmones son capaces de tratar 100 L/min o 6 m3/h; ejercen una presión de 0,02~0,08 bar. Además, en estado de salud normal, este compresor posee una seguridad insuperable. Quizás nuestra cultura fuese muy diferente si nuestros pulmones no hubiesen sido capaces de producir fuego. Pero el compresor humano resultó inadecuado por completo cuando el hombre comenzó a fundir metales (~3.000 a.C.). Para alcanzar temperaturas entorno a 1.000ºC se necesitaba un compresor más potente; este también lo suministraba la naturaleza en el viento que se comprimía contra una colina y ascendía por sus laderas.

Los orfebres egipcios y sumerios inventaron un método más conveniente y seguro para la producción del aire comprimido que necesitaban para fundir metales nobles. Empleaban un tubo-soplete, al igual que hacen sus colegas de hoy. Este resulta adecuado para pequeñas cantidades, pero no para grandes volúmenes. 2500 a.c Primeras aplicaciones en forma de fuelles de soplado

• Construcción de órganos musicales Posteriormente se utilizó para: Minería –Siderurgia.

El primer compresor mecánico, el fuelle manual, fue inventado hacia la mitad del tercer milenio a.c. y el fuelle de pie no se empleó hasta 1.500 años a.C. Esto ocurrió cuando la fundición de la aleación de Cobre y Estaño (Bronce) se convirtió en un proceso estable de producción, como quedó registrado en algunas tumbas egipcias

En la antigüedad, el aire, uno de los cuatro elementos por los que los griegos fueron cautivados, parecía por su naturaleza volátil y transparente, la más fina expresión de la materia, que en otras “densidades” o “estados” constituía el resto de “elementos”. Era considerado por ellos algo similar a lo que entendían por alma. Como se ha indicado antes, en griego, la palabra “pneuma” significa “alma” y en consecuencia la técnica que utiliza el aire como medio de transmisión de energía se llamó Pneumática.

Hace aprox. más de 20 siglos un griego construyó un cañón neumático, que actuado manualmente se comprimía aire en los cilindros, y que al realizarse el disparo la expansión del aire aumentaba el alcance del cañón.

El primero del que sabemos con seguridad que se ocupó de la neumática y su estudio, es decir, de la utilización del aire comprimido como elemento para realizar trabajo, fue el matemático e inventor griego Ktesibios (285 A.C.– 222 A.C.), que escribió los primeros tratados acerca de este tema y es considerado el padre de la Neumática. Hace más de dos mil años, construyó una catapulta de aire comprimido, basada en un cañón neumático que, rearmado manualmente comprimía aire en los cilindros. Al efectuar el disparo, la expansión restituía la energía almacenada, aumentando de esta forma el alcance del mismo. Todos los grandes historiadores hablan de él pero, lamentablemente, todos sus trabajos se han perdido.

Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido como energía procede del siglo I de nuestra era, y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente.  Posteriormente, pasada la Edad Media, fue utilizada en la construcción de órganos musicales, en la minería y en siderurgia.

A partir de entonces el aire se usó de muy variadas maneras, en algunos casos, tal como se presenta en la naturaleza, en movimiento, el viento (energía Eólica) fue transformado en energía mecánica mediante los molinos de viento, permitiendo diversas acciones, como mover moliendas. Por otra parte, quizás la navegación a vela fue la más antigua forma de aprovechamiento de este tipo de energía.

1688 se crean las máquinas de émbolos (papín)

1762 cilindro soplante

Aunque los rasgos básicos de la neumática están entre los más antiguo conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta finales del siglo XVIII y durante todo el siglo XIX cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas.

Hasta el siglo XVII, la utilización del aire a presión como energía, se realiza en algunas máquinas y mecanismos, como la catapulta de aire comprimido del griego KTESIBIOS, o la descripción en el siglo I de diversos mecanismos que son accionados por aire caliente.

A partir del siglo XVII, se comienza el estudio sistemático de los gases, y con ello, comienza el desarrollo tecnológico de las diferentes aplicaciones del aire comprimido.

Los fuelles de pié fueron usados hasta el año 1.762, en el que empezaron a ser reemplazados por el cilindro suplante de John Smeaton, accionado por la 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. Cuando John Wilkinson inventó una taladradora para hacer cañones y torneados interiores de precisión, se hizo posible la fabricación de máquinas suplantes y de vapor. La primera máquina suplante de la historia salió de manos del mismo Wilkinson e instalada en su factoría de Wilby, en Shropsire, en 1.776. Este fue el primer prototipo de todos los compresores mecánicos. Funcionaba a una presión en torno a 1 bar, y elevaba la temperatura hasta el máximo permitido por las articulaciones mecánicas de cuero utilizadas para controlar las válvulas de madera

Las primeras invenciones, que trabajan a base de aire caliente, fueron diseñadas con preferencia para objetivos de culto o para la guerra. La enciclopedia técnica editada en 1774 por Diderot, contiene la vista en sección de un fusil neumático junto con otros aparatos neumáticos.

Hace aproximadamente 100 años se inventaron varios dispositivos neumáticos como el correo neumático, el freno de aire comprimido, el martillo de remachar, el perforador de percusión y otras herramientas neumáticas.

Además de un tranvía de accionamiento neumático, hubo varios sistemas neumáticos para los ferrocarriles. Algunos de estos inventos siguen aún en uso en una ejecución mejorada y el de otros desapareció a causa de dificultades técnicas o de otro tipo.

En el siglo XVIII se construye el primer compresor alternativo, en el XIX, se utiliza como fuente energética para perforadoras de percusión, sistemas de correos, frenos de trenes, ascensores, etc.

Surgieron gran cantidad de barreras técnicas, como pérdidas de carga y fugas debidas a los materiales de los tubos (en algunos casos, de cerámica). Fue en 1.857, durante la construcción del túnel de Mont-Cenis, de 13,6 km de longitud, cuando los ingenieros constataron que por medios manuales se tardaría en terminar 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 con los medios tradicionales. El ingeniero jefe del proyecto, Germain Sommeiller, decidió instalar a cada lado del túnel compresores del tipo de aguade modelos diferentes, debido al miedo a la “barrera del calor” en los materiales. Es importante hacer notar que por cada 9 perforadoras de roca en servicio, había 54 en reparación, debido a las tremendas tensiones. Cuando se terminó el túnel, más de 7 km de conducción neumática habían sido instalados desde una de las bocas, con lo que quedó demostrado que se podían salvar grandes distancias utilizando aire comprimido.

Mitad del S. XIII (1869), freno de aire para FFCC

Dada la repercusión que tuvo el túnel de Mont-Cenis, muchos otros proyectos neumáticos fueron abordados, por ejemplo, en 1.880 se inventó el primer martillo neumático. Pero el proyecto de mayor envergadura hasta la fecha fue realizado en 1.888, en Francia, donde el ingeniero austriaco Víctor Popp, obtuvo permiso para utilizar el sistema de alcantarillado y montar una red de aire comprimido en toda la ciudad de París. Popp había instalado una planta de 1.500 kW, que suministraba aire comprimido a más de 7 km de tuberías al que se unían otros 50 km de líneas secundarias. La planta suministraba aire a 6 bares. En 1.891, la potencia instalada era de 18.000 Kw

En el siglo XIX se comenzó a utilizar el aire comprimido en la industria de forma sistemática. Herramientas neumáticas, como martillos y correo neumáticos, son un ejemplo de estas aplicaciones.

A finales del siglo XIX, se deja de desarrollar debido a la competencia de otros tipos de energía (máquinas de vapor, motores y electricidad). A finales de la Segunda Guerra Mundial, reaparece de nuevo la utilización a gran escala del aire comprimido como fuente de energía, debido, sobre todo, a las nuevas exigencias de automatización y racionalización del trabajo en las industrias. Estando hoy en día ampliamente implantado en todo tipo de industrias. En este mismo siglo Se empieza a usar en la industria (Herramientas neumáticas, tubos de correo neumáticos, locomotoras, otros sistemas auxiliares.

Primer martillo neumático S. XX La utilización de la neumática en mecanismos y la automatización comienza en la mitad de este siglo.

Hoy en día en la actualidad, se utiliza en prácticamente todas las aplicaciones industriales (automoción, industria, ferrocarriles, navegación, medicina… etc.), debido a las excelentes cualidades con las que presenta como: (su bajo coste, baja peligrosidad, abundancia en la naturaleza…etc.)

Desde entonces, los industriales europeos trabajaron incansablemente en toda clase de inventos y patentes relacionadas con el aire comprimido.

La incorporación de la neumática en mecanismos y la automatización comienza a mediados del siglo XX. Sólo desde aproximadamente 1.950 podemos hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en procesos de fabricación. Es cierto que ya existían algunas aplicaciones y ramos de explotación (en la minería, en la industria de la construcción y en los ferrocarriles -uso en frenos de aire comprimido-), pero la irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició, sin embargo, hasta que llegó a hacerse más acuciante la exigencia de una automatización y racionalización en los procesos de trabajo. A pesar de que esta técnica fue rechazada en principio, debido en la mayoría de los casos a falta de conocimiento y de formación, fueron ampliándose los diversos sectores de aplicación. En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el aire comprimido, dada su versatilidad y facilidad de manejo y control. Este es el motivo de que en prácticamente todas las ramas industriales el uso de aparatos neumáticos sea imprescindible.

En 1961, Centralsug AB instaló el primer sistema neumático del mundo en el hospital de Sollefteå, que hoy sigue funcionando con piezas originales de principios de los sesenta.

hidráulica

Por otra parte el fluido que se utiliza en la hidráulica es el agua. La hidráulica es una rama de la física y la ingeniería que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa (fuerza) y empuje de la misma. La palabra hidráulica viene del griego ὑδϱαυλικός (hydraulikós) que, a su vez, viene de tubo de agua", palabra compuesta por ὕδωϱ (agua) y αὐλός (tubo). Aplicación de la mecánica de fluidos en ingeniería, usan dispositivos que funcionan con líquidos, por lo general agua y aceite como las maquinas ejemplo: caladora, carros, etc.

La utilización del agua data de muy antiguo. Se conocen obras riego que ya existían en la antigua Mesopotámica. En Nipur (Babilonia) existían colectores de agua negras, desde 510 AC. Primeras civilizaciones egipcios, griegos y romanos, comenzaron a utilizar construcciones para defensa, drenaje o abastecimiento de agua.
Posteriormente se comenzó a utilizar la hidráulica como elemento de fuerza, surgiendo el molino, que tras el paso del tiempo fue mejorándose y surgiendo en su uso gran número de utilidades.

La principal fuente no viviente de energía de la antigüedad fue el llamado “molino” griego, constituido por un eje de madera vertical, en cuya parte inferior había una serie de paletas sumergidas en el agua. Este tipo de molino fue usado principalmente para moler los granos, el eje pasaba a través de la máquina inferior y hacía girar la máquina superior, a la cual estaba unida. Molinos de este tipo requerían una corriente veloz, y seguramente se originaron en las regiones colinares del Medio Oriente, a pesar de que Plinio el Viejo atribuye la creación de los molinos de agua para moler granos al norte de Italia. Estos molinos generalmente eran pequeños y más bien lentos, la piedra de moler giraba a la misma velocidad que la rueda, tenían por lo tanto una pequeña capacidad de molienda, y su uso era puramente local. Sin embargo pueden ser considerados los precursores de la turbina hidráulica, y su uso se extendió por más de tres mil años.

casión del ataque asirio del año 701 a.C., el rey Ezequías de Judá hizo abrir un túnel desde la fuente de Guijón a través de la roca, que trasladaba la salida del agua dentro del espacio protegido por las murallas. Ese canal subterráneo, o túnel, el nuevo pozo y el estanque se llamaron Siloé, es decir “el agua enviada.”

En Egipto también se realizaron grandes obras de riego, 25 siglos AC. El primer sistema de abastecimiento de agua estaba en Asiría año 691 AC. El tratado sobre el cuerpo flotante de Arquímedes y algunos principios de Hidrostática datan de 250 AC. La bomba de Pitón fue concebida 200 AC. 

Los grandes acueductos romanos empiezan a construirse por todo el imperio a partir del 312 AC.

1ª Bomba, fue una jeringa utilizada por los griegos que posteriormente en el S. II fue convertida a un bomba de doble efecto.

El tipo de molino hidráulico con eje horizontal y rueda vertical se comenzó a construir en el siglo I a. C. por el ingeniero militar Marco Vitruvio Polione. Su inspiración puede haber sido la rueda persa o “saqíya”, un dispositivo para elevar el agua, que estaba formado por una serie de recipientes dispuestos en la circunferencia de la rueda que se hace girar con fuerza humana o animal. Esta rueda fue usada en Egipto (Siglo IV a. C.). La rueda hidráulica vitruviana, o rueda de tazas, es básicamente una rueda que funciona en el sentido contrario. Diseñada para moler grano, las ruedas estaban conectadas a la máquina móvil por medio de engranajes de madera que daban una reducción de aproximadamente 5:1. Los primeros molinos de este tipo eran del tipo en los que el agua pasa por debajo.

Más tarde se observó que una rueda alimentada desde arriba era más eficiente, al aprovechar también la diferencia de peso entre las tazas llenas y las vacías. Este tipo de rueda, significativamente más eficiente requieren una instalación adicional considerable para asegurar el suministro de agua: generalmente se represaba un curso de agua, de manera a formar un embalse, desde el cual un canal llevaba un flujo regularizado de agua a la rueda.

Este tipo de molino fue una fuente de energía mayor a la que se disponía anteriormente, y no solo revolucionó la molienda de granos, sino que abrió el camino a la mecanización de muchas otras operaciones industriales. Un molino de la época romana del tipo alimentado por debajo, en Ven afro, con una rueda de 2 m de diámetro podía moler aproximadamente 180 kg de granos en una hora, lo que corresponde aproximadamente a 3 caballos vapor, en comparación, un molino movido por un asno, o por dos hombres podía apenas moler 4,5 kg de grano por hora.

En el siglo XVI, la atención de los filósofos se centra en los proyectos de fuentes de agua monumentales. Contribuyen en este sentido Leonardo Da vinci, Galileo, Torricelles, y Bernoulli.

GALILEO en 1612 elaboro el primer estudio sistemático de los fundamentos de la Hidrostática.

Un alumno de Galileo, TORRICELI, enunció en 1643 la ley del flujo libre de líquidos a través de orificios. Construyo El barómetro para la medición de la presión atmosférica.

Desde la mitad del S. XV hasta finales del S. XVIII, fue una época en la que se desarrollaron todos los principios y teorías actuales de la Hidráulica por científicos como:(Da Vinci, Galileo, Pascal, Isaac Newton) 

El primer modelo físico hidráulico fue construido en el año 1795 por el ingeniero Luís Jerónimo Fargue sobre un tramo del Río Garona. y seguida de la turbina propuesta por euler

A finales del siglo XVIII se empezó a utilizar los principios de los métodos teóricos en la mecánica de los fluidos surgiendo elementos como: (turbinas, ventiladores, bombas centrifugas)

En el año 1885, Reynolds construyó un modelo del río Merssey, cerca de Liverpool. Él anotó que la relación existente entre la fuerza de la inercia y la fuerza de fricción interna era de gran importancia para el diseño de los modelos hidráulicos. Hoy en día, esta relación se denomina número de Reynolds, parámetro adimensional muy significativo en los modelos hidráulicos actuales.

El arquitecto naval William Froude, en 1870, indicó la importancia de tal relación de la fuerza de inercia y de la fuerza de gravedad. En la actualidad ésta relación se denomina número de Froude, parámetro adimensional básico en el análisis de los modelos hidráulicos. El primer laboratorio hidráulico fue fundado en Dresden (Alemania), en 1891, por el Profesor Engels, y después de éste muchos otros aparecieron en casi todos los países del mundo; hoy en día hay más de un centenar.

A Euler se deben las primeras ecuaciones para el movimiento de fluidos. 1850 Se utiliza en Inglaterra grandes suministro de agua para accionar elementos como prensas, grúas, molinos. 

En el periodo siguiente, al final del siglo XIX y principios del XX, se tomó en cuenta la viscosidad y la teoría de la similaridad. Se avanzó con mayor rapidez por la expansión tecnológica y las fuerzas productivas. A este período están asociados los nombres de GEORGE STOKES y de OSBORNE REYNOLDS, 1819-1903 y 1942-1912, respectivamente.

1906 La marina de los EEUU construye el primer barco con sistemas hidráulicos para controlar la velocidad y orientar los cañones.

 

1930 Se comienzan a construir bombas de paletas de alta presión. Diez años después aparecen los servomecanismos electrohidráulicos y ampliaron la aplicación de la hidráulica.

En 1985 se creó la primera prensa hidráulica

 

A lo largo del siglo XX la ingeniería civil ha conseguido poner en funcionamiento las grandes estructuras hidráulicas para el abastecimiento energético de las ciudades y otras necesidades humanas.

Desde los años 60 hasta hoy en día, la investigación de la industria ha llevado esta rama a los circuitos y aplicaciones más sofisticadas que existen en la actualidad.

Hay dos ejemplos paradigmáticos de la significación de la energía hidráulica en nuestros días: el Canal de Panamá como estructura esencial en el comercio internacional y los sistemas de potabilización del agua para el consumo humano.

En el siglo XIX, con el desarrollo de tubos de hierro fundido, capaces de resistir presiones internas elevadas, la hidráulica tuvo un desarrollo rápido y acentuado. Sin embargo hoy en día se utiliza el aceite en buena parte de aplicaciones industriales, ya que produce menor corrosión sobre los conductos y además se puede utilizar como refrigerante. Las aplicaciones son muy variadas. En el transporte: excavadoras, tractores, grúas, en frenos, suspensiones, etc. En la industria, para controlar, impulsar, posicionar, y mecanizar elementos propios de la línea de producción.