Resumen

Realice una investigación de cómo funciona una grúa real, pero solo tenían en ese momento una retro excavadora, esta funciona con el mismo sistema que la grúa ya que tiene unos pistones que le ayudan a hacer fuerza cuando levantan la tierra, los pistones están fabricados con aceite, no logre hacer otra investigación de campo ya que por mi edad no me permiten acceder a los lugares de trabajo de construcción, por seguridad.

La retroexcavadora es una máquina que se utiliza para realizar excavaciones en terrenos. Consiste en un balde de excavación en el extremo de un brazo articulado de dos partes. Se montan normalmente en la parte posterior de un tractor o cargador frontal, no debe ser confundido con una excavadora.

La retroexcavadora (Fig. 19) se utiliza habitualmente en obras para el movimiento de tierras, para realizar rampas en solares o para abrir surcos destinados al pasaje de tuberías, cables, drenajes, etc., así como también para preparar los sitios donde se asientan los cimientos de los edificios.

La máquina hunde sobre el terreno una cuchara con la que arranca los materiales que arrastra y deposita en su interior.

El chasis puede estar montado sobre cadenas o bien sobre neumáticos. En este último caso están provistas de gatos hidráulicos para fijar la máquina al suelo.

Fig. 19 Retroexcavadora

Fig. 19 Retroexcavadora

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

En todo el mundo existe la curiosidad de lograr cosas sorprendentes a través de máquinas y tecnologías para satisfacer distintas necesidades en la construcción, las leyes físicas pueden dar a conocer un proyecto tan interesante como lo es una grúa hidráulica principalmente con esto damos a conocer como esto influye en varias áreas de la vida cotidiana.

Antecedentes

un brazo hidráulico es una estructura o aparato mecánico que se divide en tres partes unidas entre sí y que se pueden mover independiente mente una de la otra y dichos movimientos son realizados por aumento o disminución de la presión ejercida por un medio líquido y un medio gaseoso, su nombre se deriva porque es parecido a un brazo donde las tres partes serian la mano con sus dedos, el brazo y el antebrazo y las partes donde se unen serian la muñeca y el codo, ahora hidráulico es porque como ya te dije que los movimientos son por medio de presión de un líquido que es su caso es aceite mecánico y un gas que están bajo presión, entonces si unimos los términos nos queda Brazo Hidráulico

PRECURSOR DE LA PRENSA HIDRAULICA:

Joseph Bramah (13-Abril-1748 – 9-Diciembre-1814), nacido Stainborough Lane Farm Wentworth, Yorkshire, Inglaterra. Fue un inventor y cerrajero. Él es mejor conocido por haber inventado la prensa hidráulica. Junto con William George Armstrong, puede ser considerado uno de los dos padres de la ingeniería hidráulica.

La prensa hidráulica depende del principio de Pascal, que la presión a lo largo de un sistema cerrado es constante. La prensa tiene dos cilindros y pistones de diferentes zonas de la sección transversal. Si se ejerce una fuerza sobre el pistón más pequeños, esto se traduzca en un mayor vigor en la más grande del pistón. La diferencia de las dos fuerzas será proporcional a la diferencia en el área 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 concedió una patente por su prensa hidráulica de 1795. Bramah la prensa hidráulica se han convertido en muchas aplicaciones industriales y sigue hasta el día de hoy. En el momento de ingeniería hidráulica fue una casi desconocida ciencia, y Bramah (con William George Armstrong) es uno de los dos pioneros en este campo.

Fig. 1 Prensa hidráulica

EVOLUCION DE LA PRENSA Y GATA HIDRAULICA:

En el inicio se utilizaban prensas manuales, las cuales poseían un sistema de tornillo o perno el cual giraba gracias a la fuerza humana. La prensa hidráulica, desarrollada hacia 1770 por el industrial inglés Joseph Bramah (1749-1814), es una aplicación directa del principio de Pascal. Consiste, en esencia, en dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un líquido que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo que estén en contacto con el líquido.

La fuerza que actúa en la superficie del émbolo menor se transmite a través del fluido hacia el otro émbolo, dando lugar a una fuerza mayor que la primera (en la misma proporción que la superficie de ambos émbolos). Esta primera prensa hidráulica (Fig. 1) conseguía presiones relativamente pequeñas y no era utilizable para la deformación de metales. Fueron los hermanos Perier quienes, algunos años más tarde, desarrollaron la máquina de Bramah permitiendo alcanzar presiones más altas (sobre 70 kg/cm2), haciéndola apta para trabajos más duros, como el acuñado de monedas o la deformación de plomo.

Sin embargo, la aplicación de la prensa hidráulica para el trabajo del hierro no se produce hasta mediados del siglo XIX, especialmente tras la aparición del modelo desarrollado por el austriaco Haswell, de mucho mayor tamaño y capacidad de presión. A partir de entonces la prensa hidráulica, gracias a la altísima fuerza resultante conseguida, se generaliza para operaciones de elevadas solicitaciones, como el embutido profundo.

Luego esta fue evolucionando hasta llegar a utilizar un sistema de palancas ejercidas por la fuerza humana las cuales utilizaban válvulas que reemplazaron al tornillo o perno.

Fig. 2 Prensa hidráulica

Luego con el avance tecnológico fueron evolucionando el sistema de palancas hasta llegar a obtener las actuales (Fig. 3) que siguen funcionando a base de la fuerza humana ejercida, pero han reducido su tamaño y la capacidad de levantar un objeto ha aumentado.

Fig. 3 Prensa hidráulica

ORIGEN DEL BRAZO HIDRAULICO:

Apareció basándose en el descubrimiento de la prensa hidráulica de Pascal la cual permite levantar grandes masas con pequeñas fuerzas que se aplica en el brazo hidráulico. En la antigüedad por la necesidad de construir grandes edificaciones crearon una herramienta para levantar y transportar grandes masas que utilizaban para la construcción; esta herramienta era un brazo de madera (Fig. 4) que giraba sobre un eje para poder levantar y llevar el material de un lugar a otro.

Fig. 4 Palancas de madera
El brazo constaba de un sistema de poleas que por la fuerza de los trabajadores que jalaban las cuerdas le permitía levantar al material y luego bajarlo cuando se disminuía la fuerza. Con el transcurso de los años este brazo fue adquiriendo mejorías tanto en materiales como en su funcionamiento. Cuando Pascal descubre la prensa hidráulica estos brazos cambiaron radicalmente ya que se comenzaron a utilizar un sistema parecido a la prensa hidráulica, las cuales permitían levantar grandes pesos con menos esfuerzo.

En nuestra época estos brazos hidráulicos (Fig. 5) son utilizados para diferentes objetivos como son: para las construcciones, para el transporte de carga, para la simulación del funcionamiento de las partes del cuerpo humano como dedos, antebrazos, brazos, piernas, etc.
Fig. 5 Brazos hidráulicos

EJEMPLOS DE APLICACION DEL PRINCIPIO DE PASCAL:

Fig. 6 Principio Pascal

FLUIDOS

CONCEPTO:

Es la parte de la física que estudia la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, tanto como sus aplicaciones y mecanismos que se aplican en los fluidos. Es la parte de la mecánica que estudia el comportamiento de los fluidos en equilibrio (Hidrostática) y en movimiento (Hidrodinámica). Esta es una ciencia básica de la Ingeniería la cual tomó sus principios de las Leyes de Newton y estudia la estática, la cinemática y la dinámica de los fluidos.
Se clasifica en:
– Estática: De los líquidos llamada Hidrostática. De los gases llamada Aerostática.
– Cinemática: De los líquidos llamada Hidrodinámica. De los gases llamada Aerodinámica.

HIDROSTATICA:

La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos o de la hidráulica, que estudia los fluidos en estado de equilibrio, (Fig. 7) es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.

Fig. 7 Hidrostática

PRINCIPIO DE PASCAL:

El principio de Pascal fundamenta el funcionamiento de las genéricamente llamadas máquinas hidráulicas: la prensa, el gato, el freno, el ascensor y la grúa, entre otras.
Hay dos conceptos que tenemos que tener claros El de fuerza y el de presión. Fuerza es toda acción capaz de cambiar de posición un objeto, por ejemplo, el peso de un cuerpo es la fuerza que ejerce, sobre el suelo, ese objeto. La presión es el resultado de dividir esa fuerza por la superficie que dicho objeto tiene en contacto con el suelo. De esto sale la fórmula de Presión = Fuerza/Superficie.     P=F/S De aquí podemos deducir que la Fuerza= Presión X Superficie; y   Superficie=Fuerza/Presión. La presión se mide generalmente en Kilogramos/Cm 2. La hidráulica consiste en utilizar un líquido para transmitir una fuerza de un punto a otro. Generalmente la fuerza Hidráulica se consigue empujando el aceite por medio de una bomba conectada a un motor, se transmite a través de tuberías metálicas, conductos, latiguillos, etc. y se proyecta en cilindros hidráulicos, motores, etc.

Un circuito hidráulico básico podría constar de un depósito de aceite, una bomba que lo impulsa, una tubería que lo transmite y un cilindro que actúa

En física, se resume en la frase: “el incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible (líquido), 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 líquido se origina una presión, estas se transmiten con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. En el sistema internacional, la unidad de presión es 1 Pascal (Pa), que se define como la fuerza ejercida por 1 newton sobre la superficie de 1 metro cuadrado.

PRESION HIDROSTATICA:

Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes, sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión

DENSIDAD DE LOS FLUIDOS:

La densidad de una sustancia se define como el cociente de su masa entre el volumen que ocupa. La unidad de medida en el S.I. de Unidades es kg/m3, también se utiliza la unidad g/cm3.

PISTONES

CONCEPTO DE PISTON:

Se denomina pistón Se trata de un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos. Efectúa un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presión y volumen o transformando en movimiento el cambio de presión y volumen del fluido. (Fig. 8) En todas las aplicaciones en que se emplea, el pistón recibe o transmite fuerzas en forma de presión de a un líquido o de a un gas.

TRANSMISION DE POTENCIA:

Una fuerza mecánica, trabajo o potencia es aplicada en el pistón A. La presión interna desarrollada en el fluido por su la densidad ejerciendo una fuerza de empuje en el pistón B. Según la ley de Pascal la presión desarrollada en el fluido es igual en todos los puntos por la que la fuerza desarrollada en el pistón B es igual a la fuerza ejercida en el fluido por el pistón A, asumiendo que los diámetros de A y B son iguales y sin importar el ancho o largo de la distancia entre los pistones, es decir por donde transitará el fluido desde el pistón A hasta llegar al pistón B.

Fig. 8 Pistón

APLICACION DE POTENCIA EN JERINGAS:

El largo cilindro de la figura puede ser dividido en dos cilindros individuales del mismo diámetro y colocados a distancia uno de otro conectados entre sí por una cañería. El mismo principio de transmisión de la fuerza puede ser aplicado, y la fuerza desarrollada en el pistón B va ser igual a la fuerza ejercida por el pistón A. En el siguiente gráfico (Fig. 9) podemos observar la versatilidad de los sistemas hidráulicos y/o neumáticos al poder ubicarse los componentes aislantes no de otro, y transmitir las fuerzas en forma inmediata a través de distancias considerables con escasas perdidas. Las transmisiones pueden llevarse a cualquier posición. Aun doblando esquinas, pueden transmitirse a través de tuberías relativamente pequeñas con pequeñas perdidas de potencia.

Fig. 9 Transmisión de la fuerza

PALANCAS

CONCEPTO DE PALANCA:

Fig. 10 Palanca simple

La palanca es una máquina simple que se emplea en una gran variedad de aplicaciones. Probablemente, incluso, las palancas sean uno de los primeros mecanismos ingeniados para multiplicar fuerzas. Es cosa de imaginarse el colocar una gran roca como puerta a una caverna o al revés, sacar grandes rocas para habilitar una caverna. Con una buena palanca es posible mover los más grandes pesos y también aquellos que por ser tan pequeños también representan dificultad para tratarlos.

Básicamente está constituida por una barra rígida, un punto de apoyo o Fulcro y dos o más fuerzas presentes: una fuerza a la que hay que vencer, normalmente es un peso a sostener o a levantar o a mover, y la fuerza que se aplica para realizar la acción que se menciona. La distancia que hay entre el punto de apoyo y el lugar donde está aplicada cada fuerza, en la barra rígida, se denomina brazo. Así, a cada fuerza le corresponde un cierto brazo. Como en casi todos los casos de máquinas simples, con la palanca se trata de vencer una resistencia, situada en un extremo de la barra, aplicando una fuerza de valor más pequeño que se denomina potencia,

en el otro extremo de la barra.

En una palanca podemos distinguir entonces los siguientes elementos:
-El punto de apoyo o fulcro.
-Potencia: la fuerza (en la figura de abajo: esfuerzo) que se ha de aplicar.
-Resistencia: el peso (en la figura de abajo: carga) que se ha de mover. (Fig. 11)

Fig. 11 Palanca

PRINCIPIO DE GALILEO GALILEI:

Fig. 12 Principio Galileo Galilei

Se cuenta que el propio Galileo Galilei habría dicho: “Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo”. En realidad, obtenido ese punto de apoyo y usando una palanca suficientemente larga, eso es posible. En nuestro diario vivir son muchas las veces que “estamos haciendo palanca”. Desde mover un dedo o un brazo o un pie hasta tomar la cuchara para beber la sopa involucra el hacer palanca de una u otra forma. Ni hablar de cosas más evidentes como jugar al balancín, hacer funcionar una balanza, usar un cortaúñas, una tijera, un sacaclavos, etc. Casi siempre que se pregunta respecto a la utilidad de una palanca, la respuesta va por el lado de que “sirve para multiplicar una fuerza”, y eso es cierto, pero prevalece el sentido que multiplicar es aumentar, y no es así siempre, a veces el multiplicar es disminuir al multiplicar por un número decimal, por ejemplo.

TIPOS DE PALANCAS:

La ubicación del fulcro respecto a la carga y a la potencia o esfuerzo, definen el tipo de palanca:

-Palanca de primer tipo o primera clase: (Fig. 13) Se caracteriza por tener el fulcro entre la fuerza a vencer y la fuerza a aplicar. Esta palanca amplifica la fuerza que se aplica; es decir, consigue fuerzas más grandes a partir de otras más pequeñas. (Fig. 13) Algunos ejemplos de este tipo de palanca son: el alicates, la balanza, la tijera, las tenazas y el balancín. Algo que desde ya debe destacarse es que al accionar una palanca se producirá un movimiento rotatorio respecto al fulcro, que en ese caso sería el eje de rotación.

Fig. 13 Palancas de primer tipo
-Palanca de segundo tipo o segunda clase: Se caracteriza porque la fuerza a vencer se encuentra entre el fulcro y la fuerza a aplicar. Este tipo de palanca también es bastante común, se tiene en los siguientes casos: carretilla, destapador de botellas, rompenueces. También se observa, como en el caso anterior, que el uso de esta palanca involucra un movimiento rotatorio respecto al fulcro que nuevamente pasa a llamarse eje de rotación. (Fig. 14)
Fig. 14 Palancas de segundo tipo
-Palanca de tercer tipo o tercera clase: Se caracteriza por ejercerse la fuerza “a aplicar” entre el fulcro y la fuerza a vencer. Este tipo de palanca parece difícil de encontrar como ejemplo concreto, sin embargo, el brazo humano es un buen ejemplo de este caso, y cualquier articulación es de este tipo, también otro ejemplo lo tenemos al levantar una cuchara con sopa o el tenedor con los tallarines, un tenedor funciona también aplicando una palanca de este tipo. Este tipo de palanca es ideal para situaciones de precisión, donde la fuerza aplicada suele ser mayor que la fuerza a vencer. Y, nuevamente, su uso involucra un movimiento rotatorio. (Fig. 15)

Fig. 15 Palancas de tercer tipo

-Palancas múltiples: Varias palancas combinadas. Por ejemplo: el cortaúñas es una combinación de dos palancas, el mango es una combinación de 2º género que presiona las hojas de corte hasta unirlas. Las hojas de corte no son otra cosa que las bocas o extremos de una pinza y, constituyen, por tanto, una palanca de tercer género. Otro tipo de palancas múltiples se tiene en el caso de una máquina retroexcavadora, que tiene movimientos giratorios (un tipo de palanca), de ascenso y descenso (otra palanca) y de avanzar o retroceder (otra palanca). (Fig. 16)

Fig. 16 Palancas múltiples

APLICACION DE LAS PALANCAS AL BRAZO HIDRAULICO:

En la figura se puede apreciar que las palancas que vamos a utilizar en nuestro proyecto serán 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. Además, se utilizarán palancas múltiples ya que es brazo que construiremos constará de dos hasta cuatro palancas para poder lograr el cometido. Las palancas que utilizaremos serán hechas de un material resistente preferiblemente de madera y sostenidas en sus ejes por piezas metálicas, que permitirán 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. 17)

Fig. 17 Palancas

MOVIMIENTOS DEL BRAZO HIDRAULICO

El movimiento vertical consiste en desplazar arriba o abajo nuestro centro de masas mediante una extensión o una flexión de las articulaciones.

El movimiento rotatorio es el que se basa en un eje de giro y radio constante: la trayectoria será una circunferencia. Si, además, 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 específicos para este tipo de movimiento:
-Eje de giro: es la línea alrededor de la cual se realiza la rotación, este eje puede permanecer fijo o variar con el tiempo, pero para cada instante de tiempo, es el eje de la rotación.
-Arco: partiendo de un eje de giro, es el ángulo o arco de radio unitario con

el que se mide el desplazamiento angular. Su unidad es el radián.
-Velocidad angular: es la variación de desplazamiento angular por unidad de tiempo.
-Aceleración angular: es la variación de la velocidad angular por unidad de tiempo.

En dinámica del movimiento giratorio se tienen en cuenta, además:
-Momento de inercia: es una cualidad de los cuerpos que resulta de multiplicar una porción 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. (Fig. 18)

Fig. 18 Movimiento giratorio

Fig. 18 Movimiento giratorio

Objetivo

Dar a conocer cómo funciona una grúa hidráulica y porque levanta cosas muy pesadas.

Justificación

Conocer la importancia de la existencia de máquinas que faciliten los trabajos del hombre por medio de la hidráulica.

Hipótesis

Si logro demostrar el funcionamiento de una grúa hidráulica por medio de mi maqueta entenderé mejor como es que se pueden cargar cosas muy pesadas con mucha facilidad.

Método (materiales y procedimiento)

Para comprobar la función de un brazo hidráulico realice una maqueta.

MATERIALES Y PARTES:

JERINGAS: serán utilizadas para hacer funcionar el brazo hidráulico ya que gracias a ellas el brazo tendrá movimiento y es lo más esencial que necesita el brazo para funcionar.

PALITOS DE MADERA: Serán utilizados como pasadores para que el brazo se mueva de arriba hacia abajo y sostenerlos.

CARTON CORRUGADO: es lo esencial para poder elaborar el brazo hidráulico, se podrá dar forma al brazo y construir el carrito para que tenga movilidad horizontal.

MANGUERAS DE SUERO: se utilizará para unir las jeringas para poder darle movimiento al brazo, también se utilizará para que pase el líquido de una jeringa a otra.

AGUA: será utilizado para demostrar que un líquido con poca densidad es necesario aplicar mayor fuerza.

CUTER, TIJERAS, PEGAMENTO, REGLA: será utilizado para cortar y armar la grúa.
PINTURA: se utilizará para darle color al agua dentro de las mangueras.

ARMADO:

1. Dibujar las piezas en el cartón corrugado
2. Realizar todos los cortes necesarios en el papel corrugado, la manguera y los palitos de madera.

3. Una vez cortado comenzamos con el armado de nuestra grúa.

4. Colocamos la pintura dentro de las jeringas y las rellenamos de agua para después colocar la jeringa

5. Cuando tenemos toda la parte de cartón armada y las jeringas con las mangueras comenzamos a colocarlas en nuestra maqueta.

6. Una vez armada la maqueta se ajustan las jeringas y la manguera.

7. Al final revisamos que todo funcione correctamente.

8. Y así queda mi maqueta de una grúa.

Cuando tenemos toda la parte de cartón armada comenzamos a colocar las jeringas para ajustarlas con la manguera

Galería Método

Resultados

Mi maque si funcionó y logre entender cómo funciona una grúa y que gracias a que funciona a través de la hidráulica puede cargar cosas muy pesadas.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

Para concluir se puede decir que unas grúas hidráulicas pueden ayudar al transporte de cosas muy pesadas, la cual la hace una herramienta muy importante en diferentes ramos de trabajo, como la construcción, en almacenes, astilleros, ferrocarriles, aeropuertos, etc.

Bibliografía

http://proyectos11-02.blogspot.mx/2011/06/brazo-hidraulico-con-jeringas_06.html

Hidráulica

Francisco Javier Domínguez

Ed Universitaria

www.ingenieria.unam.mx/~deptohidraulica/publicaciones/pdf_publica…

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography