1. FESTO DIDACTIC Fundamentos físicos de la hidráulica
Hidráulica Industrial H-511 4
2. FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA HIDRÁULICA.
Hidromecánica.
La hidráulica es parte de la hidromecánica, esta estudia las fuerzas y los
movimientos transmitidos por medio de fluidos líquidos.
Figura 3 - Clasificación de la hidromecánica
Presión.
La presión hidrostática (pS) es la presión que surge en un líquido por efecto de la
masa líquida: densidad (ρ), aceleración de la gravedad (g) y su altura (h):
p h gS = ⋅ ⋅ρ
Figura 4 - Presión hidrostática

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Todo cuerpo ejerce una determinada presión (p) sobre la superficie en la que se
apoya. La magnitud de la presión depende de la fuerza del peso (F) del cuerpo y
de la superficie (A) en la que actúa dicha fuerza.
p
F
A
=
Figura 5 - Fuerza, superficie
Propagación de la presión.
Figura 6 - Propagación de la presión
Si una fuerza (F) actúa sobre una superficie (A) de un líquido contenido en un
recipiente cerrado, surge una presión (p) que se extiende en todo el líquido (ley de
Pascal). En todos los puntos del sistema la presión es la misma.

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Multiplicación de fuerzas.
Figura 7 - Multiplicación de la fuerza
Haciendo uso de la ley de Pascal se tiene:
p
F
A
F
A
1
1
1
2
2
2
= =y p
el sistema se encuentra en equilibrio, entonces:
p p1 2=
aplicando las dos ecuaciones, se obtiene:
F
A
F
A
F
F
A
A
1
1
2
2
1
2
1
2
= =o

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Multiplicación de distancias.
Figura 8 - Multiplicación de la distancia
Para desplazar una carga es necesario que se desplace una cantidad de fluido.
El volumen desplazado se calcula de la siguiente manera:
V s A s A1 1 1 2 2 2= ⋅ = ⋅y V
Tratándose del mismo volumen desplazado, se obtiene:
s A s A
s
s
A
A
1 1 2 2
2
1
1
2
⋅ = ⋅ =o
Multiplicador de presión.
Figura 9 - Multiplicador de presión

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Se deducen las siguientes ecuaciones:
F p A p A1 1 1 2 2 2= ⋅ = ⋅y F
la fuerza se transmite mediante el vástago sólido, haciendo iguales las fuerzas,
entonces:
p A p A
p
p
A
A
1 1 2 2
1
2
2
1
⋅ = ⋅ =o
En el caso de un cilindro de doble efecto surgen presiones demasiado elevadas
por efecto de la multiplicación, si está bloqueada la salida en la cámara del lado
del vástago.
Figura 10 - Multiplicación de la presión con un cilindro de doble efecto
Caudal.
Es el volumen de líquido (V) que fluye a través de una sección en una unidad de
tiempo definida (t). En la hidráulica se emplea el símbolo Q para denominar el
caudal.
Q
V
t
=
Ecuación de continuidad.
Tomamos como base la fórmula de caudal y sustituimos la siguiente ecuación:
V A s= ⋅

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siendo s la longitud del tubo y A el área transversal, tenemos:
Q
A s
t
=
⋅
como la velocidad (v) está definida como distancia (s) sobre tiempo (t), entonces:
Q A v= ⋅
El caudal de un líquido fluye por un tubo de diferentes secciones transversales es
igual en cualquier parte del tubo.
Q A v A v A v A vn n= ⋅ = ⋅ = ⋅ = = ⋅1 1 2 2 3 3 K
Figura 11 - Caudal volumétrico
Tipos de caudal.
El caudal puede ser laminar o turbulento.
Figura 12 - Caudal laminar y turbulento

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Si el caudal es laminar, el líquido fluye en forma de capas cilíndricas y ordenadas.
Las capas interiores fluyen a velocidades mayores que las capas exteriores. A
partir de determinada velocidad del fluido ya no avanzan en capas ordenadas ya
que las partículas que fluyen en el centro del tubo se desvían lateralmente, con lo
que se provoca una perturbación formándose remolinos. En consecuencia, el
caudal se vuelve turbulento, por lo que pierde energía.
El coeficiente de Reynolds (Re) permite determinar el tipo de caudal, dicho
coeficiente está en función de la velocidad del fluido (v), del diámetro de la tubería
(d) y de la viscosidad cinemática (ν).
Re =
⋅v d
ν
• Si Re < 2300, es flujo laminar.
• Si Re > 2300, es flujo turbulento.
El valor de 2300 es denominado coeficiente crítico de Reynolds (Recrit), el caudal
turbulento no vuelve a ser laminar sino hasta ½ Recrit.
Es recomendable no rebasar Recrit con el fin de evitar pérdidas por fricción en los
sistemas hidráulicos.
La velocidad crítica es la velocidad a partir de la cual el caudal pasa de laminar a
turbulento y se calcula como sigue:
v
d
crit
crit
=
⋅Re ν
Se utilizan los siguientes valores empíricos en la práctica:
• Tuberías de impulsión: 4 a 6 m/s.
• Tuberías de aspiración: 1,5 m/s.
• Tuberías de retorno: 2 m/s.
Fricción.
Existe fricción en todos los elementos y conductos por los que fluye el líquido en
un sistema hidráulico. Se trata principalmente de la fricción que surge en las
paredes de los conductos (fricción externa) y entre las capas del fluido (fricción
interna).

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La fricción provoca un calentamiento del fluido, el cual genera una reducción de la
presión efectiva del sistema.
En términos generales, la velocidad del fluido es el factor que determina en mayor
medida las resistencias internas, ya que la resistencia aumenta al cuadrado en
relación con la velocidad.
Energía.
El contenido energético de un sistema hidráulico está compuesto de varias
energías parciales:
• Energía potencial.
W m g h= ⋅ ⋅
• Energía de presión.
W p V= ⋅ ∆
• Energía cinética.
W m v= ⋅
1
2
2
• Energía térmica.
W p V= ⋅∆
Potencia.
La potencia está definida como el cambio de energía por unidad de tiempo.
En los sistemas hidráulicos se desarrolla una transmisión de potencia eléctrica a
potencia mecánica luego a potencia hidráulica y por último a potencia mecánica.
• Potencia eléctrica:
P V I= ⋅ ⋅ cosφ

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• Potencia mecánica de entrada:
P n M= ⋅ ⋅2π
• Potencia hidráulica:
P p Q= ⋅
• Potencia mecánica de salida (cilindro):
P F v= ⋅
• Potencia mecánica de salida (motor):
P n M= ⋅ ⋅2π
Grado de eficiencia.
La relación que existe entre la potencia de entrada y la potencia de salida es
denominada grado de eficiencia (η).
En el trabajo práctico se diferencia entre la pérdida de potencia volumétrica
provocada por fugas y la pérdida de potencia hidráulica y mecánica ocasionada
por la fricción.
• Grado de eficiencia volumétrica: ηv.
• Grado de eficiencia hidráulica y mecánica: ηhm.
η η ηtotal v hm= ⋅
La eficiencia total de un sistema hidráulico según datos empíricos está entre el 70
y 75%.

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Segmentos de estrangulamiento.
Figura 13 - Segmento de estrangulamiento
En los segmentos de estrangulamiento, el coeficiente de Reynolds tiene un valor
muy superior a 2300 a causa de la disminución del diámetro de la sección
transversal, la que provoca un aumento de la velocidad, ya que el caudal
permanece constante. Se produce una transformación de energía cinética en
energía térmica debido al aumento en la fricción. Una parte del calor es cedido
hacia el exterior, al final del segmento de estrangulamiento, el caudal volumétrico
vuelve a tener la misma velocidad que antes, sin embargo, la energía de presión
ha disminuido en una cantidad equivalente a la energía térmica cedida, lo que
tiene como consecuencia una disminución de la presión detrás del segmento de
estrangulamiento.
Figura 14 - Caída de presión

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Si en los segmentos de estrangulamiento la presión baja a valores de depresión,
el aceite segrega el aire formándose burbujas, si después del segmento de
estrangulamiento, vuelve a subir la presión, las burbujas se rompen. De este modo
se forma la cavitación y posiblemente combustiones espontáneas del aceite
hidráulico.