Estudi per a la primera prova de física elemental del 15 d'octubre del 2024 PDF

UNITAT 1 (FÍSICA ELEMENTAL) ICE-UPC ÍNDEX: UNITAT 1: FÍSICA ELEMENTAL. 1.1. MAGNITUDS I UNITATS FÍSIQUES. a) Cabal. b) Pressió. c) Temperatura. d) Rendiment. 1.2....

UNITAT 1 (FÍSICA ELEMENTAL) ICE-UPC ÍNDEX: UNITAT 1: FÍSICA ELEMENTAL. 1.1. MAGNITUDS I UNITATS FÍSIQUES. a) Cabal. b) Pressió. c) Temperatura. d) Rendiment. 1.2. RELACIÓ ENTRE LES DIFERENTS UNITATS. a) Longitud. b) Superfície. c) Volum. d) Temps. e) Velocitat. f) Força. g) Treball. h) Potència. i) Densitat. j) Cabal. k) Pressió. 1.3. LLEIS FONAMENTALS. a) Llei de Bloyle-Mariotte (p-V). b) Llei de Charles (V-T). c) Llei de Gay-Lussac (T-p). d) Llei General o combinada (p-V-T). e) Efecte Venturi (S-v). ELECTROPNEUMÀTICA – APLICACIONS PRÀCTIQUES 2 UNITAT 1 (FÍSICA ELEMENTAL) ICE-UPC UNITAT 1: FÍSICA ELEMENTAL. 1.1. MAGNITUDS I UNITATS FÍSIQUES En pneumàtica hi ha una sèrie de magnituds, és a dir, tot allò que és susceptible de poder ser mesurat, que s’han de conèixer per poder comprendre el seu funcionament. Les principals són : a) Cabal És el volum de fluid que travessa una secció en un temps determinat V Q t En pneumàtica, com a unitats de cabal s’utilitzen: l./min i m3/h b) Pressió És la relació entre la força que actua sobre un cos i la superfície on actua aquesta força F P S Per expressar pressions normals s’utilitza com a unitat el bar. En aplicacions pneumàtiques s’accepten les següents equivalències : 1 bar = 105 Pascal = 1 atmosfera = 1 Kp/ cm2 Els sistemes pneumàtics operen en un medi ambient sotmès a la pressió atmosfèrica, és a dir, a 1 atm. (1 bar), però si es mira el manòmetre quan no té alimentació d’aire, marca 0 bar. Per tant, es poden establir dos conceptes: Pressió absoluta, és la pressió real, inclosa l’ atmosfèrica (és la que s’utilitza en aplicar les lleis físiques dels gasos ). Pressió relativa o pressió diferencial, que és la pressió que no té en compte la pressió atmosfèrica (és la que mesuren els manòmetres) En pneumàtica industrial es treballa amb pressions relatives. c) Temperatura És una sensació tèrmica, palpable fàcilment amb el sentit del tacte i que sempre es mesura amb el termòmetre. Existeixen diferents escales de temperatura, però en pneumàtica s’utilitza la temperatura centígrada que té com a unitat el ºC i l’ absoluta que té com a unitat el º Kelvin. º K = 273 + ºC d) Rendiment És la relació entre la magnitud útil i la magnitud consumida. Es representa per. No té unitats i s’expressa en tant per cent ( % ). ELECTROPNEUMÀTICA – APLICACIONS PRÀCTIQUES 3 UNITAT 1 (FÍSICA ELEMENTAL) ICE-UPC 1.2. RELACIÓ ENTRE DIFERENTS UNITATS Bàsicament, la relació que trobem entre les diferents unitats són les relacionades en els diferents sistemes físics d’unitats. Les principals són: a) Longitud 1 metre = 100 centímetres = 1.000 mil·límetres 1 m = 100 cm = 1.000 mm b) Superfície 1 metre quadrat = 10.000 centímetres quadrats 1 m2 = 104 cm2 = 106 mm2 c) Volum 1 metre cúbic = 1.000 decímetres cúbics 1 m3 = 103 dm3 = 106 cm3 1 dm3 1 litre d) Temps 1 hora = 60 minuts = 3.600 segons e) Velocitat 1 quilòmetre / hora 0,27 metres / segon 1 Km / h = 0,27 m / seg. f) Força 1 dina = 1gram. 1 centímetre / 1 segon quadrat 1 d = 1g.cm / seg2. 1 Newton = 1quilogram. 1 metre / 1 segon quadrat 1 N = 1Kg.m / seg2. 1Kilopond = 9,8 Newtons es pot agafar en la pràctica com 10 Newtons g) Treball 1 erg = 1 dina. 1 centímetre 1 erg = 1 d.cm 1 Joule = 1 Newton. 1 metre 1 J = 1 N.m 1 Quilopondímetre = 1 Quilopond. 1 metre = 9,8 Newton. 1 metre 1Kpm = 9,8 N.m h) Potència 1 Watt = 1 jul. / 1 segon 1 W = 1J / seg. 1 Quilowatt = 1000 wats 1 kW = 103 w 1 Cavall de vapor = 75 Quilopondímetres = 735,5 watts 1CV = 75 Kpm = 735,5 w en la pràctica 1 CV 736 w 1 horse-power = 1,0138 Cavalls de vapor 1 H.P = 1,0138 CV en la pràctica 1 H.P = 1 CV ELECTROPNEUMÀTICA – APLICACIONS PRÀCTIQUES 4 UNITAT 1 (FÍSICA ELEMENTAL) ICE-UPC i) Densitat 1 Quilogram / 1 decímetre cúbic = 1gram / 1 centímetre cúbic 1 Kg / 1 m3 = 1 g / cm3 j) Cabal 1 Metre cúbic / hora = 1.000 decímetres cúbics / 60 minuts 1 m3 / h = 16,6 dm3 / min. = 16,6 l / min. k) Pressió 1 atmosfera = 1,033 Quilopond / 1 centímetre quadrat 1 at. = 1,033 Kp / cm2 en la pràctica 1at = 1 Kp / cm2 = 1 kg / cm2 1 atmosfera 1bar = 105 Pascals 1 at. = 1b = 105 Pa 1 atmosfera = 760 mil·límetres de mercuri = 760 Torricellis 1 at. = 760 mm de Hg = 760 Tor. 1.3. LLEIS FONAMENTALS Els líquids i els gasos reben el nom de fluids, perquè les seves molècules es mouen fàcilment. L’ aerostàtica és la part de la física que estudia l’aire com a fluid estàtic i els fenòmens que es deriven de l’ existència de la capa d’aire que envolta la terra. Els gasos es caracteritzen per no tenir forma pròpia i adoptar la totalitat del volum del recipient on es troben. Els gasos tenen Expansibiltat: Ocupa tot el volum del recipient on es troben. Compressibilitat: Redueixen el volum en augmentar la pressió. Elasticitat: La seva pressió es transmet per igual en totes les Entre les lleis fonamentals més importants dels gasos tenim : a) Llei de Boyle - Mariotte : (pressió – volum) Es fàcil comprovar que, en augmentar la pressió d’un gas, el seu volum disminueix, i a l’ inrevés; per tant, la pressió (p) i el volum (V) són magnituds inversament proporcionals. La seva definició, segons Boyle, és : “ Els volums ocupats per una massa gasosa, a temperatura constant són inversament proporcionals a les pressions que suporten” pi Vf pi.Vi pf.Vf pf Vi ELECTROPNEUMÀTICA – APLICACIONS PRÀCTIQUES 5 UNITAT 1 (FÍSICA ELEMENTAL) ICE-UPC b) Llei de Charles : (volum – temperatura) També es pot comprovar que, en augmentar la temperatura d’un gas, augmenta, per dilatació, el seu volum; per tant, la temperatura (T) i el volum (V) són magnituds directament proporcionals. La seva definició, segons Charles, és : “ Els volums ocupats per una massa gasosa, a pressió constant són directament proporcionals a les variacions de temperatura” Vi Vf Vi.Tf Vf.Ti Ti Tf c) Llei de Gay-Lussac : (temperatura – pressió) Un cas semblant succeeix amb la pressió d’un gas, que augmenta en augmentar la seva temperatura; per tant, la temperatura (T) i la pressió (p) són magnituds directament proporcionals. La seva definició, segons Gay-Lussac, és : “ A volum constant, la pressió d’un gas és directament proporcional a les variacions de temperatura” pi pf Ti Tf pi.Tf pf.Ti d) Llei General o combinada : (pressió – volum – temperatura) En qualsevol experimentació o procés industrial, no és possible mantenir constant la pressió i la temperatura d’un fluid, la qual cosa significa o comporta que el volum varia en funció de la pressió i la temperatura pi.Vi pf.Vf Ti Tf “ Les pressions assolides en un gas són inversament proporcionals al seus volums i directament proporcionals a les seves temperatures absolutes” ELECTROPNEUMÀTICA – APLICACIONS PRÀCTIQUES 6 UNITAT 1 (FÍSICA ELEMENTAL) ICE-UPC e) Efecte Venturi : (secció – Velocitat) Si fem circular un fluid per una conducció a la qual reduïm la seva secció en un tram, podem observar que la pressió és diferent en el tram ample de la del tram estret Segons l’ equació de la continuïtat, si la secció en el punt 1, (S1), és més gran que la secció (S2) en el punt 2, llavors també la velocitat del fluid en el punt 1 (V1) és més petita que la velocitat en el punt 2, (V2) Si S1 > S2 , llavors V1 < V2 això porta com a conseqüència una variació de les pressions en aquests punts, és a dir: p1 > p2 que comporta com a resultat l’anomenat efecte Venturi “ La pressió d’un fluid en una conducció és tant més petita quant més gran és la velocitat del mateix, per efectes de la disminució de secció” Aquest efecte comporta una baixada de pressió (depressió) en el punt més estret de tub, arribant fins i tot a l’extrem de resultar una pressió negativa i, per tant, provocar una succió ELECTROPNEUMÀTICA – APLICACIONS PRÀCTIQUES 7 UNITAT 2 (INTRODUCCIÓ A LA PNEUMÀTICA) ICE - UPC ÍNDEX: UNITAT 2: INTRODUCCIÓ A LA PNEUMÀTICA. INTRODUCCIÓ. 2.1. AVANTATGES I INCONVENIENTS. AVANTATGES. INCONVENIENTS. 2.2. TRACTAMENT DE L’AIRE COMPRIMIT. 2.3. CÀLCUL APLICAT A ACTUADORS PNEUMÀTICS. 2.4. SIMBOLOGIA. 2.5. APLICACIONS PNEUMÀTIQUES ELECTROPNEUMÀTICA – APLICACIONS PRÀCTIQUES 2 UNITAT 2 (INTRODUCCIÓ A LA PNEUMÀTICA) ICE - UPC UNITAT 2: SIMBOLOGIA I CONCEPTES BÀSICS. INTRODUCCIÓ: L’energia pneumàtica és la que utilitza totes les propietats que sorgeixen de la utilització de l’aire comprimit. La pneumàtica és la part de la tecnologia que estudia les màquines i els aparells que funcionen amb aire comprimit. El primer pas és l’obtenció de l’aire comprimit per aplicar-lo a màquines, aparells i automatitzacions de diferents processos industrials. Les característiques principals que té l’aire comprimit les podríem resumir en tres propietats fonamentals de les quals se’n pot treure el màxim profit: Fluïdesa L’aire ofereix molt poca resistència al desplaçament. Fluïdesa: Compressibilitat: L’aire es pot comprimir en un recipient o instal·lació augmentant la pressió. Elasticitat: La pressió exercida en l’aire comprimit es transmet amb igual intensitat en Elasticitat totes les direccions, ocupant tot el volum que l’envolta. La pneumàtica és una tècnica molt estesa en el món industrial per la facilitat d’aconseguir moviments lineals amb la utilització d’elements relativament simples i de baix manteniment, com són els actuadors o cilindres pneumàtics. En els últims anys s’ha estès molt dins les aplicacions automatitzades industrials i, sobretot, utilitzant el control elèctric sobre els elements pneumàtics, és a dir, el comandament elèctric mitjançant electrovàlvules sobre cilindres pneumàtics. La pneumàtica la podríem separar en tres grans blocs: Pneumàtica bàsica bàsica: Estudi dels components pneumàtics i dels circuits bàsics per a comandar, regular la velocitat o controlar la posició d’un sol actuador. Seqüències : Quan és necessari la utilització de la tècnica pneumàtica per a realitzar moviments repetitius i encadenats de diversos actuadors d’una forma automàtica. Electropneumàtica : Quan volem controlar cilindres pneumàtics, però el comandament i control es realitza elèctricament. Quan s’arriba a un grau de complexitat avançat, per regla general, a no ser que la seguretat de la instal·lació requereixi la utilització de tècniques totalment pneumàtiques, s’utilitza el control elèctric i en un grau més avançat controlat per un PLC. Amb els avantatges de poder utilitzar elements de captació de dades més precises; utilització de la sensòrica. Actualment, quan es parla de pneumàtica, podem pensar que, en realitat, s’ha de parlar d’electropneumàtica, ja que les aplicacions més esteses que utilitzen actuadors pneumàtics, estan controlades elèctricament per electrovàlvules i, en un tant per cent molt elevat, disposen d’un PLC per a realitzar totes les funcions d’automatització: temporitzacions, comptatge de cicles (producció), condicionaments de funcionament, repeticions, activacions seqüencials, activacions simultànies, canvis de seqüència de funcionament, comandaments complexos, etc. Tampoc s’ha de menysprear la pneumàtica clàssica com a tècnica d’automatització, ja que un bon tècnic ha de conèixer els fonaments, per tal que donin una visió més àmplia del tema i, sobretot, perquè ajuda en gran manera a entendre els circuits. Pensem que tot circuit pneumàtic és equivalent a un d’elèctric. ELECTROPNEUMÀTICA – APLICACIONS PRÀCTIQUES 3 UNITAT 2 (INTRODUCCIÓ A LA PNEUMÀTICA) ICE - UPC 2.1. AVANTATGES i INCONVENIENTS: Es poden exposar una sèrie d’avantatges i d’ inconvenients, quan parlem de tècniques d’automatització pneumàtiques. AVANTATGES: L’aire es pot trobar fàcilment i en abundància. L’aire és un element ideal en condicions desfavorables i no és corrosiu, ni conductor, ni deflagrant per si sol. Es pot utilitzar en quasi tots els camps de la indústria. És net en cas de fuga. Ideal per a indústries alimentàries i farmacèutiques. És icnífug i, per tant, és ideal per a indústries manipuladores de productes perillosos amb riscos de deflagració o incendi. És relativament fàcil d’emmagatzemar a pressions superiors a l’atmosfèrica (en acumuladors o dipòsits). És fàcil de transportar, mitjançant canonades. No requereix de mecanismes gaire complicats o sofisticats per al seu control. Les sobrecàrregues no perjudiquen els elements, quan hi ha una pressió baixa. Es poden aconseguir variacions de velocitat dels actuadors d’una forma relativament fàcil. Es poden aconseguir velocitats elevades en els actuadors i en els motors (1m/s i 500.000 rpm). INCONVENIENTS: L’aire comprimit s’ha de preparar abans d’utilitzar-lo. És necessari eliminar les impureses sòlides i la humitat amb filtres. El comandament pneumàtic és lent (per aire). No és una tècnica de precisió. No és aconsellable, quan és necessari obtenir precisió per sota d’1 segon p.ex. Limitació de la pressió en les instal·lacions de 6 a 7 bar. Limitació de les forces d’utilització de 2.000 a 3.000 Kg. Força. Dificultat d’aconseguir velocitats uniformes i constants en els cilindres, si les condicions ambientals varien. Dificultat d’aconseguir posicions intermèdies molt precises en cilindres, atès que l’aire és relativament compressible. L’aire dels escapaments provoca sorolls en les instal·lacions. S’han de silenciar, esmorteir, canalitzar o agrupar les vàlvules dins d’armaris insonoritzats. Provoca un consum continu per efecte dels escapaments en el funcionament normal. L’aire comprimit és una font d’energia cara comparada amb l’ energia elèctrica. ELECTROPNEUMÀTICA – APLICACIONS PRÀCTIQUES 4 UNITAT 2 (INTRODUCCIÓ A LA PNEUMÀTICA) ICE - UPC 2.2. TRACTAMENT DE L’AIRE COMPRIMIT Abans de ser utilitzat en un circuit pneumàtic, l’aire atmosfèric ha de ser sotmès a una sèrie de tractaments, entre els quals hi ha el filtratge previ, la compressió, la refrigeració, l’emmagatzematge i el manteniment. L’aire atmosfèric conté gran quantitat d’impureses en forma de partícules de pols, residus d’olis i humitat, que poden ser causa d’avaries en les instal·lacions pneumàtiques en cas de no eliminar-les; per això, cal fer un filtratge previ. Els compressors s’encarreguen d’efectuar la compressió de l’aire fins assolir una pressió adequada per a la seva utilització. En la indústria s’utilitzen pressions de fins a 12 bar. Els compressors són màquines destinades a produir aire comprimit, i s’accionen mitjançant motors elèctrics o tèrmics. Per escollir el tipus de compressor, s’han de tenir en compte dos aspectes fonamentals: el cabal de fluid necessari i la pressió de treball. El compressors es classifiquen en : TIPUS DE COMPRESSORS Volumètrics Turbocompressors Alternatius Rotatius Radials Axials De pistó de dos temps De paletes De pistons alternatius D’engranatges Un cop comprimit, l’aire té una temperatura elevada (de 120 ºC a 150 ºC), motiu pel qual cal sotmetre’l a un procés de refrigeració i d’eliminació del percentatge d’aigua tant elevat com sigui possible, ja que es tracta d’aire humit. L’aire sec i refrigerat s’emmagatzema en dipòsits generals o en acumuladors. Finalment, aquest aire és sotmès a un tractament final en l’anomenada unitat de manteniment FRL, que és composta per un filtre, un regulador de la pressió proveït de manòmetre i també d’un lubricador ELECTROPNEUMÀTICA – APLICACIONS PRÀCTIQUES 5 UNITAT 2 (INTRODUCCIÓ A LA PNEUMÀTICA) ICE - UPC 2.3. CÀLCUL APLICAT A ACTUADORS PNEUMÀTICS Una vegada fixada la pressió de treball, la força desenvolupada depèn de la superfície útil de l’actuador pneumàtic o cilindre. Aquesta superfície serà diferent segons es tracti d’un cilindre de simple efecte o d’un cilindre de doble efecte. Cilindre de simple efecte En aquest cilindre la pressió de l’aire s’exerceix sobre tota la superfície de l’èmbol o pistó. En calcular la força s’ha de tenir en compte l’empenyiment de la molla, que a efectes pràctics és la dècima part de la força de l’aire, (E = 0,1 F) Quant a les fórmules pel seu càlcul són : Superfície de l’èmbol : 2 D D2 S.. 2 4 Volum d’aire:.D2 V S.e.e 4 Força exercida per l’aire:.D 2 F p. E 4 Consum d’aire : Qmaniobra n.V S = Superfície de l’èmbol D = Diàmetre de l’èmbol e = cursa de l’èmbol F = Força exercida per l’aire E = Força d’empenyiment de la molla Q = Consum d’aire durant una maniobra N = nombre de cicles per minut d = Diàmetre de la tija ELECTROPNEUMÀTICA – APLICACIONS PRÀCTIQUES 6 UNITAT 2 (INTRODUCCIÓ A LA PNEUMÀTICA) ICE - UPC Cilindre de doble efecte En la cursa d’avançament la pressió s’exerceix sobre tota la superfície de l’èmbol, mentre que en la cursa de retrocés només actua sobre tota la superfície útil, la de l’èmbol menys la de la tija. Quant a les fórmules pel seu càlcul són : Superfície d’avançament.D 2 S 4 Superfície de retrocés. D2 d 2 S 4 Volum d’aire. 2.D 2 d2 V Vavançament V retrocès.e 4 Força d’avançament.D 2 Fa p. 4 Força de retrocés. D2 d 2 Fr p. 4 Les lletres es corresponen pels mateixos apartats que pels càlculs del cilindre de simple efecte. ELECTROPNEUMÀTICA – APLICACIONS PRÀCTIQUES 7 UNITAT 2 (INTRODUCCIÓ A LA PNEUMÀTICA) ICE - UPC 2.4 SIMBOLOGIA: LÍNIA DE TREBALL LÍNIA DE COMANDAMENT O PILOTATGE LÍNIA FLEXIBLE CONNEXIÓ ACOBLAMENT RÀPID SENSE VÀLVULA DE RETENCIÓ. ACOBLAMENT RÀPID AMB VÀLVULA DE RETENCIÓ. PURGA D'AIRE PRESA D'AIRE O PRESSIÓ ESCAPAMENT UNITAT DE MANTENIMENT VÀLVULA REGULADORA DE PRESSIÓ AMB MANÒMETRE VÀLVULA LIMITADORA DE PRESSIÓ FILTRE FILTRE AMB PURGADOR LUBRIFICADOR MANÒMETRE ELECTROPNEUMÀTICA – APLICACIONS PRÀCTIQUES 8