Propiedades Físicas y Químicas de los Metales

Propiedades Físicas y Químicas de los Metales

Estado Natural y Metales Nativos
En estado natural, los metales raramente se encuentran puros, pues en general se hallan combinados con el oxígeno (O), o con otros no metales, en especial del cloro (Cl), azufre (S) y carbono (C).
Los metales que se encuentran puros en la naturaleza, llamados metales nativos son: Plata (Ag), Oro (Au), Cobre (Cu), y Platino (Pt).
Propiedades Físicas
Los metales muestran un amplio margen en sus propiedades físicas. La mayoría de ellos son de color grisáceo, pero algunos presentan colores distintos; el bismuto (Bi) es rosáceo, el cobre (Cu) rojizo y el oro (Au) amarillo. En otros metales aparece más de un color, y este fenómeno se denomina pleocroismo.
Otras propiedades serían:
1. Densidad: relación entre la masa del volumen de un cuerpo y la masa del mismo volumen de agua.
2. Estado físico: todos son sólidos a temperatura ambiente, excepto el Hg.
3. Brillo: reflejan la luz.
4. Maleabilidad: capacidad de lo metales de hacerse láminas.
5. Ductilidad: propiedad de los metales de moldearse en alambre e hilos.
6. Tenacidad: resistencia que presentan los metales a romperse por tracción.
7. Conductividad: son buenos conductores de electricidad y calor.
Conductividad Eléctrica y Calorífica. Efecto de la Temperatura.
La más baja conductividad eléctrica la tiene el bismuto, y la más alta a temperatura ordinaria la plata. La conductividad en los metales puede reducirse mediante aleaciones. Todos los metales se expanden con el calor y se contraen al enfriarse.
Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor. Se piensa que el libre movimiento de los electrones es la causa de su alta conductividad eléctrica y térmica. La principal objeción a esta teoría es que en tal caso los metales deben tener un calor específico superior al que realmente tienen.
Atomicidad
Es el no. total de átomos que intervienen en una molécula, sin importar si son iguales o diferentes. Por su atomicidad las moléculas se clasifican en monoatómicas, diatómicas, triatómicas, tetratómicas y poli atómicas. En los metales sus moléculas únicamente son monoatómicas.
Todo átomo de metal tiene únicamente un no. limitado de electrones de valencia con los que se unirá a los átomos vecinos. Por ello se requiere un amplio reparto de electrones entre los átomos individuales. El reparto de electrones se consigue por la superposición de orbitales atómicos de energía equivalente con los átomos adyacentes.


Comportamiento Iónico
Por tener valores bajos de potencial de ionización, su tendencia es perder electrones para formar iones positivos o cationes. Por esta razón los átomos de los metales son electropositivos y se combinan fácilmente con los átomos electronegativos de los no metales.
Potencial de Oxidación
Es la tendencia de una sustancia a ser oxidada. Se mide en la pila de Daniels y se expresa en voltios (V). E0 = E01 + E02
La oxidación de un cuerpo corresponde a la pérdida de electrones y la reducción corresponde a una ganancia de electrones. Algunos elementos como el cobre y el mercurio reaccionan lentamente para formar los óxidos, incluso cuando se les calienta. Los metales inertes, como el platino, el iridio y el oro únicamente forman óxidos por métodos indirectos.
Formación de Hidruros
Los metales forman hidruros al unirse con el hidrógeno (H). Sólo en esta función el hidrógeno trabaja con la valencia –1, ya que los metales de los grupos IA y IIA tienen valores de electronegatividad menor que él.
Para nombrarlos se escribe primero la palabra "Hidruro" y después el nombre del metal.
1. NaH - Hidruro de Sodio
2. KH - Hidruro de Potasio
Formación de Óxidos
Compuestos binarios formados por un metal y oxígeno. Estos compuestos siempre son neutrales. Hay dos formas para nombrarlos.
Ginebra: Se escribe la palabra "Óxido" seguida por el metal con la terminación "-ico" si está utilizando su mayor valencia u "-oso" si utiliza la menor.
U.I.Q.P.A.: Si escriben las palabras "Óxido de –" seguidas del metal indicando con No. Romano a la valencia que usa.
En ambas formas si el metal tiene valencia única, sólo se escribirán las palabras "Óxido de –" y el metal.
Reacción con Ácidos
Cuando un metal tiene potencial de oxidación positiva (E0+) libera hidrógeno (H2) al reaccionar con los ácidos.
Fe + 2HCl FeCl2 + H2
Reacción con el Agua
Únicamente los metales con potencial de oxidación igual o mayor de +0.83 V reaccionan con el agua (H2O) liberando H2.
2Na + H2O Na2O + H2 Zn + H20 no hay reacción
Desplazamiento por Metales Activos. Galvanizado.
Metales con potencial de oxidación alto , desplazan a los metales de menor potencial de sus sales en solución en procesos electrolíticos.
Galvanizado: recubrimiento de hierro o acero con una capa de cinc como protección a la corrosión. Zn + CuSO4 cc ZnSO4 + Cu
Metales Anfóteros
Este tipo de metales, como el Al, Pb, Zn, etc. liberan hidrógeno de las soluciones alcalinas formando iones complejos. Zn +2OH-1 +2HOH H2 +Zn(OH)4-2
Cuestionario
1) A qué se llama metales nativos y cuáles son?
Son los que se encuentran libres en la naturaleza: Au, Ag, Cu y Pt
2) En qué consiste la maleabilidad de los metales y cuál es el más maleable?
Es la propiedad que tienen de dejarse hacer láminas. El más maleable es el Au, del que se pueden hacer laminas de 0.0001 mm de espesor.
3) Existen metales más ligeros que el agua ? Cuales?
Si, como el K (0.83) y Na (0.97). El más ligero es el Li (d= 0.53 g/ml).
4) Qué tipo de óxidos forman los metales?
Óxidos Básicos.
5) Qué es el galvanizado?
Es recubrir un metal activo con zinc. Lámina galvanizada para techos, superficies cromadas.
TIPOS DE CORROSION
Antes de analizar los efectos para la sociedad que tiene la corrosión, tenemos que ver los diversos tipos de corrosión que existen. Los tipos de corrosión se pueden clasificar de la siguiente manera:
General o Uniforme
Es aquella corrosión que se produce con el adelgazamiento uniforme producto de la pérdida regular del metal superficial. A su vez, esta clase de corrosión se subdivide en otras:
Atmosférica
De todas las formas de corrosión, la Atmosférica es la que produce mayor cantidad de daños en el material y en mayor proporción. Grandes cantidades de metal de automóviles, puentes o edificios están expuestas a la atmósfera y por lo mismo se ven atacados por oxígeno y agua. La severidad de esta clase de corrosión se incrementa cuando la sal, los compuestos de sulfuro y otros contaminantes atmosféricos están presentes. Para hablar de esta clase de corrosión es mejor dividirla según ambientes. Los ambientes atmosféricos son los siguientes:
Industriales
Son los que contienen compuestos sulfurosos, nitrosos y otros agentes ácidos que pueden promover la corrosión de los metales. En adición, los ambientes industriales contienen una gran cantidad de partículas aerotransportadas, lo que produce un aumento en la corrosión.
Marinos
Esta clase de ambientes se caracterizan por la presentia de cloridro, un ión particularmente perjudicial que favorece la corrosión de muchos sistemas metálicos.
Rurales
En estos ambientes se produce la menor clase de corrosión atmosférica, caracterizada por bajos niveles de compuestos ácidos y otras especies agresivas.
Existen factores que influencian la corrosión atmosférica. Ellos son la Temperatura, la Presencia de Contaminantes en el Ambiente y la Humedad.
Galvánica
La corrosión Galvánica es una de las más comunes que se pueden encontrar. Es una forma de corrosión acelerada que puede ocurrir cuando metales distintos (con distinto par redox) se unen eléctricamente en presencia de un electrolito (por ejemplo, una solución conductiva).
El ataque galvánico puede ser uniforme o localizado en la unión entre aleaciones, dependiendo de las condiciones. La corrosión galvánica puede ser particularmente severa cuando las películas protectoras de corrosión no se forman o son eliminadas por erosión.
Esta forma de corrosión es la que producen las Celdas Galvánicas. Sucede que cuando la reacción de oxidación del ánodo se va produciendo se van desprendiendo electrones de la superficie del metal que actúa como el polo negativo de la pila (el ánodo) y así se va produciendo el desprendimiento paulatino de material desde la superficie del metal. Este caso ilustra la corrosión en una de sus formas más simples.
Quizá la problemática mayor sobre corrosión esté en que al ser este caso bastante común se presente en variadas formas y muy seguido. Por ejemplo, la corrosión de tuberías subterráneas se puede producir por la formación de una pila galvánica en la cual una torre de alta tensión interactúa con grafito solidificado y soterrado, con un terreno que actúe de alguna forma como solución conductiva.
Metales Líquidos
La corrosión con metales líquidos corresponde a una degradación de los metales en presencia de ciertos metales líquidos como el Zinc, Mercurio, Cadmio, etc. Ejemplos del ataque por metal líquido incluyen a las Disoluciones Químicas, Aleaciones Metal-a-Metal (por ej., el amalgamamiento) y otras formas.
Altas Temperaturas
Algunos metales expuestos a gases oxidantes en condiciones de muy altas temperaturas, pueden reaccionar directamente con ellos sin la necesaria presencia de un electrolito. Este tipo de corrosión es conocida como Empañamiento, Escamamiento o Corrosión por Altas Temperaturas.
Generalmente esta clase de corrosión depende directamente de la temperatura. Actúa de la siguiente manera: al estar expuesto el metal al gas oxidante, se forma una pequeña capa sobre el metal, producto de la combinación entre el metal y el gas en esas condiciones de temperatura. Esta capa o “empañamiento” actúa como un electrolito “sólido”, el que permite que se produzca la corrosión de la pieza metálica mediante el movimiento iónico en la superficie.
Algunas maneras de evitar esta clase de corrosión son las siguientes:
Alta estabilidad termodinámica, para generar en lo posible otros productos para reacciones distintas.
Baja Presión de Vapor, de forma tal que los productos generados sean sólidos y no gases que se mezclen con el ambiente.
La corrosión por Altas Temperaturas puede incluir otros tipos de corrosión, como la Oxidación, la Sulfatación, la Carburización, los Efectos del Hidrógeno, etc.
Localizada
La segunda forma de corrosión, en donde la pérdida de metal ocurre en áreas discretas o localizadas.
Al igual que la General/Uniforme, la corrosión Localizada se subdivide en otros tipos de corrosión. A continuación, veremos los más destacados.
Corrosión por Fisuras o “Crevice”
La corrosión por crevice o por fisuras es la que se produce en pequeñas cavidades o huecos formados por el contacto entre una pieza de metal igual o diferente a la primera, o más comúnmente con un elemento no- metálico. En las fisuras de ambos metales, que también pueden ser espacios en la forma del objeto, se deposita la solución que facilita la corrosión de la pieza. Se dice, en estos casos, que es una corrosión con ánodo estancado, ya que esa solución, a menos que sea removida, nunca podrá salir de la fisura. Además, esta cavidad se puede generar de forma natural producto de la interacción iónica entre las partes que constituyen la pieza.
Algunas formas de prevenir esta clase de corrosión son las siguientes:
rediseño del equipo o pieza afectada para eliminar fisuras.
cerrar las fisuras con materiales no-absorventes o incorporar una barrera para prevenir la humedad.
prevenir o remover la formación de sólidos en la superficie del metal.
Corrosión por Picadura o “Pitting”
Es altamente localizada, se produce en zonas de baja corrosión generalizada y el proceso (reacción) anódico produce unas pequeñas “picaduras” en el cuerpo que afectan. Puede observarse generalmente en superficies con poca o casi nula corrosión generalizada. Ocurre como un proceso de disolución anódica local donde la pérdida de metal es acelerada por la presencia de un ánodo pequeño y un cátodo mucho mayor.
Esta clase de corrosión posee algunas otras formas derivadas:
Corrosión por Fricción o Fretting : es la que se produce por el movimiento relativamente pequeño (como una vibración) de 2 sustancias en contacto, de las que una o ambas son metales. Este movimiento genera una serie de picaduras en la superficie del metal, las que son ocultadas por los productos de la corrosión y sólo son visibles cuando ésta es removida.
Corrosión por Cavitación: es la producida por la formación y colapso de burbujas en la superficie del metal (en contacto con un líquido). Es un fenómeno semejante al que le ocurre a las caras posteriores de las hélices de los barcos. Genera una serie de picaduras en forma de panal.
Corrosión Selectiva: es semejante a la llamada Corrosión por Descincado, en donde piezas de cinc se corroen y dejan una capa similar a la aleación primitiva. En este caso, es selectiva porque actúa sólo sobre metales nobles como al Plata-Cobre o Cobre-Oro. Quizá la parte más nociva de esta clase de ataques está en que la corrosión del metal involucrado genera una capa que recubre las picaduras y hace parecer al metal corroído como si no lo estuviera, por lo que es muy fácil que se produzcan daños en el metal al someterlo a una fuerza mecánica.
Corrosión Microbiológica (MIC)
Es aquella corrosión en la cual organismos biológicos son la causa única de la falla o actúan como aceleradores del proceso corrosivo localizado.
La MIC se produce generalmente en medios acuosos en donde los metales están sumergidos o flotantes. Por lo mismo, es una clase común de corrosión.
Los organismos biológicos presentes en el agua actúan en la superficie del metal, acelerando el transporte del oxígeno a la superficie del metal, acelerando o produciendo, en su defecto, el proceso de la corrosión
La Corrosión en la Industria y sus Procesos.
Como se mencionó en un principio, la mayor problemática de la corrosión es la destrucción del metal al que afecta. Ahora intentaremos ver un enfoque desde la industria, el sector más afectado por la corrosión, a cerca de los ataques que este proceso causa. Podemos hablar desde fracturas, hasta fugas en tanques, disminución de la resistencia mecánica de las piezas y muchas otras maneras de efectos por los ataques. Aún así, lo peor de todo es que si no son prevenidas estas clases de ataques por corrosión, la seguridad de las personas es algo que se ve permanentemente afectado.
Existen dos clases de pérdidas desde el punto de vista económico.
DIRECTAS: las pérdidas directas son las que afectan de manera inmediata cuando se produce el ataque. Estas se pueden clasificar en varios tipos también, de las cuales las más importantes son el Coste de las Reparaciones, las Sustituciones de los Equipos Deteriorados y Costes por Medidas Preventivas.
INDIRECTAS: se consideran todas las derivadas de los fallos debidos a los ataques de corrosión. Las principales son la Detención de la Producción debida a las Fallas y las Responsabilidades por Posibles Accidentes.
En general, los costes producidos por la corrosión oscilan cerca del 4% del P.I.B. de los países industrializados. Muchos de estos gastos podrían evitarse con un mayor y mejor uso de los conocimientos y técnicas que hoy en día están disponibles.
En 1971, se presentó el informe Hoar. Este informe mostraba de qué manera podrían reducirse los gastos de cada país si se utilizaran los conocimientos disponibles de una mejor manera. Un resumen de ese informe es el siguiente:
Industria o sector
Coste estimado(millones de libras)
Ahorro potencial estimado(millones de libras)
Construcción
250 ($190.000.000.000)
50 ($38.000.000.000)
Alimentación
40 ($30.400.000.000)
4 ($3.040.000.000)
Ingeniería en general
110 ($83600000000)
35 ($26.600.000.000)
Agencias y dptos. gubernamentales
55 ($41.800.000.000)
20 ($15.200.000.000)
Marina
280 ($212.800.000.000)
55 ($41.800.000.000)
Refino del metal y semielaborados
15 ($11.400.000.000)
2 ($1.520.000.000)
Petróleo y productos químicos
180 ($136.800.000.000)
15 ($11.400.000.000)
Energía
60 ($45.600.000.000)
25 ($19.000.000.000)
Transporte
350 ($266.000.000.000)
100 ($76.000.000.000)
Agua
25 ($19.000.000.000)
4 ($3.040.000.000)
TOTAL
1365 ($1.037.400.000.000)
310 ($235.600.000.000)
Como puede extraerse del informe Hoar, los sectores de transporte, marina y construcciones son los de mayores costes, debido al fuerte impacto de la intemperie y el agua de mar sobre la corrosión en los metales. Los costes del sector ingeniería no son tan altos pero es de destacar el ahorro potencial que, en proporción, es considerable.

RESISTENCIA A LA FRICCION
En esta exposición se hablara de algunos conceptos básicos previos al tema de coeficientes de fricción. En esta primera parte se hablara de los siguientes conceptos:
Cinemática: (del griego kinema, movimiento) que estudia el movimiento en si mismo sin preocuparse para la causa que lo produce.
Pero en cambio hay unos conceptos o una parte de la cinemática que ayuda a estudiar el movimiento o inmovilidad en los cuerpos.
Dinámica: (del griego dinamis, fuerza) la cual se ocupa de las causas que originan el movimiento, es decir de que lo mas tarde llamaremos las fuerzas de la naturaleza.
Estática: (del griego, statos, inmóvil) es la que se ocupa de estudiar el estado de equilibrio o reposo de los cuerpos.
Otro punto importante que nos ayudara en el estudio es la segunda ley de newton que dice:
"la aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza exterior resultante que actúa sobre el cuerpo, y tiene la misma dirección y sentido que dicha fuerza."
Ya que afirma que cuando la fuerza resultante no es nula, el cuerpo se mueve con movimiento acelerado. La aceleración, para una fuerza dada, depende de una propiedad del cuerpo llamada masa.
Para continuar ahora se estudiaran los conceptos de fricción y las leyes
Como sabemos dentro de los cuerpos existen una serie de fuerzas que actúan sobre el, la física se a encargado del estudio de las misma y como consecuencia de ello, existió un científico de nombre Isaac Newton quien postulo las tres que nos permiten estudiar el movimiento de los cuerpos a partir de las fuerzas que actúan sobre ellos. Es necesario que conozcamos cuáles son las fuerzas que actúan sobre los cuerpos. Vamos a comentar brevemente las principales fuerzas que podemos encontrarnos al estudiar el movimiento de un cuerpo.
1.- El peso: es la fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la Tierra sobre los cuerpos que hay sobre ella. En la mayoría de los casos se puede suponer que tiene un valor constante e igual al producto de la masa, m, del cuerpo por la aceleración de la gravedad, g, cuyo valor es 9.8 m/s2 y está dirigida siempre hacia el suelo.
2.- Cuando un cuerpo está apoyado sobre una superficie ejerce una fuerza sobre ella cuya dirección es perpendicular a la de la superficie. De acuerdo con la Tercera ley de Newton, la superficie debe ejercer sobre el cuerpo una fuerza de la misma
magnitud y dirección, pero de sentido contrario. Esta fuerza es la que denominamos Normal y la representamos con N.
Dentro de nuestro estudio, esta también una fuerza extra llama fuerza de fricción o rozamiento y como esta es el tema de nuestro estudio la abordaremos de una manera más amplia:
FUERZA DE FRICCIÓN O ROZAMIENTO
Se define a la fricción como una fuerza resistente que actúa sobre un cuerpo, que impide o retarda el deslizamiento de este respecto a otro o en la superficie que este en contacto. Esta fuerza es siempre tangencial a la superficie en los puntos de contacto con el cuerpo, y tiene un sentido tal que se opone al movimiento posible o existente del cuerpo respecto a esos puntos. Por otra parte estas fuerzas de fricción están limitadas en magnitud y no impedirán el movimiento si se aplican fuerzas lo suficientemente grandes.
Esta fuerza es la causante, por ejemplo, de que podamos andar (cuesta mucho más andar sobre una superficie con poco rozamiento, hielo, por ejemplo, que por una superficie con rozamiento como, por ejemplo, un suelo rugoso).
La experiencia nos muestra que:
1. la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos no depende del tamaño de la superficie de contacto entre los dos cuerpos, pero sí depende de cual sea la naturaleza de esa superficie de contacto, es decir, de que materiales la formen y si es más o menos rugosa.
2. la magnitud de la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos en contacto es proporcional a la normal entre los dos cuerpos, es decir:
Fr = m·N
Donde m es lo que conocemos como coeficiente de rozamiento.
Existe rozamiento incluso cuando no hay movimiento relativo entre los dos cuerpos que están en contacto. Hablamos entonces de Fuerza de rozamiento estática. Por ejemplo, si queremos empujar un armario muy grande y hacemos una fuerza pequeña, el armario no se moverá. Esto es debido a la fuerza de rozamiento estática que se opone al movimiento. Si aumentamos la fuerza con laque empujamos, llegará un momento en que superemos está fuerza de rozamiento y será entonces cuando el armario se pueda mover. Una vez que el cuerpo empieza a moverse, hablamos de fuerza de rozamiento dinámica. Esta fuerza de rozamiento dinámica es menor que la fuerza de rozamiento estática., podemos así establecer que hay dos coeficientes de rozamiento: el estático, me, y el cinético, mc, siendo el primero mayor que el segundo:
me > mc
Fuerza de fricción estática.
Existe una fuerza de fricción entre dos objetos que no están en movimiento relativo. Tal fuerza se llama fuerza de fricción estática. En la siguiente figura aplicamos una fuerza F que aumenta gradualmente, pero el bloque permanece en reposo. Como en todos estos casos la aceleración es cero, la fuerza F aplicada es igual y opuesta a la fuerza de fricción estática Fe , ejercida por la superficie.
La máxima fuerza de fricción estática Fe max , corresponde al instante en que el bloque está a punto de deslizar. Los experimentos demuestran que:
Fe máx = m eN
Donde la constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de fricción estática. Por tanto, la fuerza de fricción estática varía, hasta un cierto límite para impedir que una superficie se deslice sobre otra:
Fe máx <= m eN
Fuerza de fricción cinética
En la siguiente figura mostramos un bloque de masa m que se desliza por una superficie horizontal con velocidad constante. Sobre el bloque actuán tres fuerzas: el peso mg , la fuerza normal N, y la fuerza de fricción Fk entre el bloque y la superficie. Si el bloque se desliza con velocidad constante, la fuerza aplicada F será igual a la fuerza de fricción Fk.
Podemos ver que si duplicamos la masa m, se duplica la fuerza normal N, la fuerza F con que tiramos del bloque se duplica y por tanto Fk se duplica. Por tanto la fuerza de fricción cinética Fk es proporcional a la fuerza normal N.
Fk = m k N
La constante de proporcionalidad m k es un número sin dimensiones que se denomina coeficiente de fricción cinético.

MATERIAL
mS
mK
Madera sobre madera
0.7
0.4
Acero sobre acero
0.15
0.09
Metal sobre cuero
0.6
0.5
Madera sobre cuero
0.5
0.4
Caucho sobre concreto, seco
0.9
0.7
húmedo
0.7
0.57
MOVIMIENTO CON ROZAMIENTO
Vamos a considerar un cuerpo de masa m que está sobre un plano inclinado tal como se muestra en el dibujo. Supondremos que existe rozamiento entre el cuerpo y el plano inclinado y vamos a tratar de calcular la aceleración con la que se mueve el cuerpo. Sobre el cuerpo no aplicamos ninguna fuerza por lo que, en principio, el cuerpo caerá hacia abajo por el plano inclinado.
Lo primero que tenemos que hacer es dibujar todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo y que son:

· Fuerza peso, dirigida hacia el suelo, tal como se muestra en la figura. La fuerza peso siempre está dirigida hacia el suelo.
· Fuerza Normal, en dirección perpendicular al plano inclinado, que es la superficie de apoyo del cuerpo, tal como se puede ver en el dibujo.
· Fuerza de rozamiento, paralela al plano inclinado (la superficie de contacto) y dirigida hacia arriba del plano ya que estamos suponiendo que el cuerpo se mueve hacia abajo.
Una vez que tenemos todas las fuerzas que actuad sobre el cuerpo, el siguiente paso consiste en dibujar el Diagrama de cuerpo libre, aunque en este caso, al haber sólo un cuerpo, podemos usar como diagrama el dibujo anterior en el que hemos dibujado todas las fuerzas.
Pasamos ahora a elegir el sistema de referencia. Para facilitar el cálculo conviene elegir unos ejes de coordenadas de manera que uno de ellos tenga la dirección del movimiento. En este caso vamos a tomar el eje x paralelo al plano inclinado y el eje y perpendicular al plano inc linado tal como se muestra en el dibujo. Como sentido positivo del eje x tomaremos el sentido hacia abajo del plano inclinado (normalmente se toma el sentido del movimiento del cuerpo) y para el eje y hacia arriba de la superficie del plano inclinado.
Una vez elegido los ejes de coordenadas que vamos a utilizar, vamos a escribir la Segunda ley de Newton para cada uno de los ejes. En este caso, tal como podemos ver en los dibujos, la fuerza peso tiene componentes, tanto en el eje x como en el eje y. En el dibujo vemos como determinar las componentes del peso. El ángulo que forma el peso con el eje y es el ángulo del plano inclinado. De esta manera, la componente y del peso se obtiene multiplicando el módulo del vector por el coseno del ángulo y la componente x se obtiene multiplicando por el seno del ángulo.
Veamos ahora la Segunda ley de Newton para cada uno delos ejes. Comenzaremos por el eje y. Las fuerzas que actuan en esta dirección son la Normal y la componente y del peso. La primera tiene sentido positivo y la segunda sentido negativo de acuerdo con el criterio de signos que estamos usando. Tenemos entonces:
N -m·g·cosa = m·ay = 0
Igual que en el ejemplo anterior, la aceleración en la dirección y es cero puesto que el cuerpo no se va a separar del plano inclinado. Podemos despejar el valor de la Normal, obteniendo que es igual a la componente y del peso:
N = m·g·cos a
En el eje x las fuerzas que actuan son la componente x del peso y la fuerza de rozamiento. La primera tiene sentido positivo y la segunda tendrá sentido negativo. De esta manera, aplicando la Segunda ley de Newton obtenemos la siguiente ecuación:
m·g·sena - Fr = m·a
donde hemos llamado a a la aceleración en el eje x ya que hemos visto que no hay aceleración en la dirección y. Como vimos al hablar de la fuerza de rozamiento, está es igual al producto del coeficiente de rozamiento, m, por la normal. Escribiendo esto en la ecuación anterior obtenemos:
m·g·sena - m·N = m·a
Como ya hemos obtenido anteriormente que la normal es igual a la componente y del peso, sustituyendo en la ecuación nos queda:
m·g·sena - m·m·g·cosa = m·a
De aquí podemos despejar la aceleración con la que se moverá el cuerpo y que es:
a = g·(sena - n cosa)
Con lo que hemos obtenido la aceleración con la que se mueve el cuerpo tal como pretendiamos al principio.
Vemos que, como era de esperar, la aceleración con la que cae el cuerpo depende del coeficiente de rozamiento. Hay un valor de dicho coeficiente de rozamiento para el cual el cuerpo no caerá y se quedará quieto en el plano inclinado. Dejamos para el lector el cálculo de ese valor. ¿Qué pasa si el coeficiente de rozamiento es mayor que el valor calculado antes? ¿Se moverá el cuerpo hacia arriba? De nuevo, dejamos que sea el lector quién obtenga la respuesta. (Ayuda: Repasar el apartado Fuerza de rozamiento)
Protección contra el Desgaste - Hardfacing
El desgaste de las piezas metálicas puede ser definido como una perdida gradual del metal ocurrida en un cierto tiempo y mediante algún mecanismo que actúa sobre esta. Cuando la pieza o una parte de la misma se deforma y desgasta de tal manera que no puede trabajar adecuadamente, debe ser reemplazada o reconstruida. Mientras que los resultados finales producidos por el desgaste son similares, las causas que los producen son diferentes, por lo tanto es esencial entender dichos mecanismos involucrados antes de realizar la selección del material de recargue a utilizar.
El recargue antidesgaste en la capa superficial tiene por objeto, no solamente reconstituir la pieza usada, sino también aumentar su resistencia. El metal depositado es, entonces, diferente al metal base.

Estos recubrimientos se efectúan en:

1. En una pieza nueva, en las dimensiones deseadas para que, después de recubierta y trabajada, puedan obtenerse las dimensiones exigidas para la pieza (recargue preventivo)
2. En una pieza usada que se desea volver a poner en servicio, después de haberla revestido de un metal mejor capaz de resistir el desgaste posterior (recargue de reparación)
El interés que representa el recargue antidesgaste se explica fácilmente. En la actualidad, el constructor dispone de una abundante selección de aceros y aleaciones especiales capaces de constituir piezas de toda especie destinadas a trabajar en condiciones muy severas. Sin embargo, estos materiales son cada vez más caros, muchas veces de una elaboración compleja y, en general, insuficientemente dúctiles para poder construir enteramente las piezas de que se trata. Por consiguiente, limitando su empleo a aquellos lugares especialmente sujetos al desgaste, es decir, recargando localmente por medio de estas aleaciones especiales aceros ordinarios baratos y dúctiles, se llega a una solución mucho más económica, al mismo tiempo que se reducen los tiempos muertos necesarios para la sustitución de la pieza usada.Los electrodos antidesgaste se clasifican generalmente según la dureza del metal que depositan (Brinell, Rockwell o Vickers) No obstante, hay que tener en cuenta que la dureza sólo da una indicación muy relativa de la resistencia al desgaste. Un metal depositado más duro que otro puede resultar menos resistente al desgaste, dependiendo de la exposición a uno o varios de los siguientes factores: rodamiento, deslizamiento, abrasión, choques repetidos, erosión, corrosión y cavitación, entre otros. También se puede dar que recargues que presenten la misma dureza, a menudo registren comportamientos disímiles. Lo que está claro es que una aleación con mayor porcentaje de carburos, más duros y mejor distribuidos es la que presenta la mejor resistencia a la abrasión, tanto de bajo como de alto esfuerzo. Otro aspecto que hay que tener presente al momento de la selección del recargue, es que el desgaste abrasivo puede tener lugar en ambiente frío o caliente, siendo este último caso la situación más extrema.

LA ABRASION es el mecanismo más común entre las distintas causas que producen desgaste en las piezas metálicas, aunque en la mayoría de los casos se presente una combinación de dos o más factores.La complejidad del fenómeno exige entender muy bien los mecanismos involucrados antes de seleccionar el material de recargue capaz de reconstituir una pieza desgastada. Para ello, en el siguiente artículo conoceremos los tipos de abrasión, además de entregarle algunas consideraciones en cada uno de ellos.Sería fácil seleccionar una aleación de recargue si todos los componentes metálicos estuvieran sujetos solamente a un mecanismo de desgaste, pero, usualmente, se produce una combinación de dos o más factores. Esta situación hace que la selección de la aleación sea más complicada, por lo que se aconseja elegir el mismo recargue en una situación de compromiso entre cada uno de los diferentes mecanismos de desgaste. El análisis inicial debe centrarse en el proceso de desgaste principal y, luego, se deben considerar los secundarios.

Los mecanismos de desgaste primarios y secundarios se encuentran distribuidos en la industria en las siguientes proporciones:

Mecanismo de desgaste
Proporción de casos (%)
Abrasión
50
Adhesión
15
Altas temperaturas
8
Corrosión
5
Otros
22

Como el mecanismo de abrasión es el de mayor interés en la industria, lo describiremos en todas sus clases con el fin de diferenciarlas claramente.

Abrasión de bajo esfuerzo

En general, es el tipo de abrasión menos severa. Las piezas se desgastan debido a la acción del desgarro repetido que producen las partículas duras y afiladas que se mueven por la superficie del metal a velocidades variables.

La velocidad, la dureza, el filo del reborde, el ángulo de ataque y el tamaño de las partículas abrasivas se combinan para influir sobre el efecto de la abrasión. Las aleaciones que contienen carburo de cromo se utilizan exitosamente para resistir el desgaste por abrasión de bajo esfuerzo, por lo tanto, los electrodos que poseen este elemento son los más recomendados.

Los componentes típicos sometidos a abrasión de baja tensión incluyen implementos agrícolas, tornillos sinfín, clasificadores, toberas de bomba de pulpa, equipos de proyección de arena, canaletas y ductos de transporte de material abrasivo.

Abrasión de alto esfuerzo

Es más intensa que el simple desgarro y ocurre cuando pequeñas y duras partículas abrasivas son presionadas contra una superficie metálica con suficiente fuerza como para fracturar la partícula hasta triturarla. Generalmente, la fuerza de compresión la proporcionan dos componentes metálicos con el elemento abrasivo aprisionado entre ellos. La superficie se pone áspera producto del desgarro, lo que puede provocar grietas superficiales.

Los componentes comúnmente sometidos a este tipo de abrasión son las barrenas, palas excavadoras, molinos pulverizadores, molinos de bolas, rodillos trituradores, entre otros.

Los productos que mejor resisten este mecanismo de desgaste son los recargues austeníticos al manganeso, y las aleaciones que contienen carburos de tungsteno en una matriz tenaz.


RESUMEN

Por diversas causas, las piezas metálicas sufren un desgaste gradual que dificulta su funcionamiento adecuado. La reparación de este proceso se conoce como recargue antidesgaste, lo que, además de la reconstitución de la pieza usada, tiene por objeto aumentar su resistencia.

En términos generales, lo primero que debe tenerse en cuenta al momento de seleccionar el material de recargue, es identificar el proceso de desgaste principal.También hay que considerar que una aleación con mayor porcentaje de carburos, más duros y mejor distribuidos es la que presenta la mejor resistencia a la abrasión, tanto de bajo como de alto esfuerzo.

Tipos de Desgaste

La clasificación de los tipos de desgaste incluye factores mecánicos, térmicos y químicos:

1. - Desgaste por abrasión:

Es una acción esmeriladora causada por sólidos abrasivos deslizantes que rozan y pulen una superficie:
a) Abrasión pura o de baja tensión: Es el resultado de una acción de socavación provocada por pequeñas partículas, tales como arena, polvo o tierra. Una variación de este tipo de desgaste es la erosión, que ocurre cuando partículas arrastradas por un movimiento rápido de aire o líquido golpean el material. Un movimiento abrasivo produce virutas de metal. (ver figura No 5)

b) Abrasión de alta tensión: Es un desgaste que agrega una fuerza de compresión a la abrasión de baja tensión. (ver figura No6)

c) Abrasión por desgarramiento: Este desgaste combina la abrasión de alta tensión con impacto, produciendo deformación de plástica dentro del metal base. Fig.7
2. - Desgaste metal-metal:

Se produce cuando dos superficies se rozan entre sí, generando de este modo calor, lo cual hace que irregularidades superficiales se unan para formar una soldadura en frío. Entonces, pequeñas porciones de la superficie se desgarran, lo que causa daños de importancia. (ver figura No 8)


3. - Desgaste por impacto:

Es el resultado de una tensión de compresión momentánea. Afecta más a los materiales frágiles, produciendo una fractura o deterioro gradual. (ver figura No 9)


4. - Desgaste por temperatura:

Influye sobre estructuras endurecidas por tratamiento térmico, reblandeciéndolas. Esto puede causar cambios de fase que incrementen la dureza y fragilidad, y puede acelerar el ataque químico, tal como la oxidación y exfoliación. (ver figura No 10)


5. - Desgaste por corrosión:

Es el deterioro de un metal como consecuencia de una reacción química o electroquímica con el medio. (ver figura No 11)


ELECCIÓN DE ALEACIONES PARA EL RECUBRIMIENTO Y RECUPERACIÓN DE PIEZAS

Con el fin de determinar el tipo de aleación requerido para una aplicación determinada, se deben responder las siguientes interrogantes:

1. - ¿Qué proceso de soldadura se prefiere o es recomendable utilizar?2. - ¿Cuál es el metal a recuperar o recubrir?3. - ¿Cuáles son los factores o mecanismos de desgaste involucrados?
CLASIFICACIÓN DE ALEACIONES PARA EL RECUBRIMIENTO Y RECUPERACIÓN DE PIEZAS.
1. - Aleaciones base hierro:
Las aleaciones base hierro se pueden subdividir de acuerdo con su fase metalúrgica o microestructura. Cada tipo resiste ciertos tipos de desgaste en forma más económica y/o mejor que otros. Para simplificarlo, se agrupan las diferentes aleaciones en tres grandes familias, indicando además su principal propiedad:

1. - Aleaciones Austeníticas. (Impacto)2. - Aleaciones Martensíticas. (Desgaste Metal-Metal)3. - Aleaciones en base a Carburos. (Abrasión)

2. - Aleaciones base cobalto-cromo y níquel-cromo:

Se usan habitualmente para aplicaciones donde exista alta temperatura y/o corrosión acompañada de abrasión e impacto. Los depósitos son excelentes superficies de protección, debido a sus propiedades antiexcoriación.

3. - Carburo de tungsteno:

Este grupo consiste en carburo de tungsteno fundido en varias formas se consiguen depósitos más resistentes al desgaste por abrasión y eficiencia de corte sobre equipos de movimientos.




PROCESOS DE SOLDADURA PARA EL RECUBRIMIENTO Y RECUPERACIÓN DE PIEZAS

Los procesos de soldadura más usados para la recuperación y recubrimiento de piezas son:




C A V I T A C I Ó N

La Cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible. El fenómeno puede producirse lo mismo en estructuras hidráulicas estáticas (tuberías, Venturis, etc.), que en máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y máquinas hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la cavitación es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y controlarlo. (Los constructores de bombas hidráulicas, por ejemplo, reciben con frecuencia reclamaciones y encargos de reposición

Descripción de la Cavitación.

Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, él liquido hierve y forma burbujas de vapor. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, implotando bruscamente las burbujas. Esta fenómeno se llama cavitación. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando cambian de estado, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy alto, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea con diferentes partes de la máquina.

Según se ha dicho, cuando, la corriente de un punto de una estructura o de una máquina alcanza una presión inferior a la presión de saturación de vapor (Fig. 1), el líquido se evapora y se originan en el interior del líquido “cavidades” de vapor, de ahí el nombre de cavitación. En el interior del fluido existen, pues, zonas en que reina un gradiente fuerte de presiones que aceleran las burbujas y producen un impacto en el contorno (Venturis, bombas, turbinas, etc.).

El fenómeno de la cavitación se explica con el mecanismo siguiente: si la presión en un líquido como el agua baja suficientemente, empieza a hervir a temperatura ambiente. Consideremos un cilindro lleno de agua y tapado con un pistón en contacto con el agua. Si se mueve el pistón en dirección fuera del agua, se reduce la presión y el agua se evapora formando burbujas de vapor, si ahora bajamos el pistón hacia el agua la presión aumenta, el vapor se condensa y la burbuja se destruye (colapso de la burbuja). Cuando se repite este proceso con alta velocidad como por ejemplo -en el interior de una bomba de agua, se forman y se destruyen las burbujas rápidamente. Se demostró con cálculos que una burbuja en colapso rápido produce ondas de choque con presiones hasta de 410 MPa. Estas fuerzas ya son capaces de deformar varios metales hasta la zona plástica, lo que está comprobado por la presencia de bandas de deslizamiento sobre partes de bombas o de otro equipo sujeto a cavitación.


Figura 1. Tabla de vapor de agua que muestra como la temperatura de fusión del agua está en función de la presión del medio.



El incremento de la velocidad va acompañado de un descenso en la presión. Por ejemplo, la velocidad del aire sobre la parte superior del ala de un aeroplano es, en promedio, más rápida que la que pasa por debajo de la misma ala. Entonces, la fuerza de presión neta es mayor en la parte inferior del ala que en la parte superior de esta (el ala genera sustentación).

Si la diferencia de velocidad es considerable, las diferencias de presión pueden también serlo. Para flujos de líquidos, esto podría resultar con problemas de cavitación, una situación potencialmente peligrosa que resulta cuando la presión del líquido se reduce hasta la presión de saturación del vapor y entonces este hierve. La presión de saturación del vapor es la presión a la cual comienzan a formarse burbujas de vapor en el líquido. Obviamente esta presión depende del tipo de líquido y de la temperatura.

Una manera de producir cavitación es denotada en la ecuación de Bernoulli. Si la velocidad del fluido se incrementa (por ejemplo en una reducción de área), la presión descendería. Este descenso de presión al acelerar el líquido podría ser menor que la presión de saturación de vapor de dicho fluido. Un ejemplo de cavitación puede ser mostrado en el siguiente diagrama:






Q

En algunas situaciones la ebullición ocurre (cuando la temperatura no necesariamente es muy alta) , formando burbujas de vapor, entonces estas se colapsan cuando el fluido las arrastra a una zona de mayor presión (con una velocidad menor). Este proceso puede introducir efectos dinámicos (implosión), si la burbuja se colapsa cerca de una pared de un dispositivo hidráulico esta podría, luego de un periodo de tiempo, causar daños en este por cavitación.

Propondremos ahora un ejemplo con una estructura hidráulica estática (tubería), la cual podría presentar problemas por cavitación.

Agua a 60°F es extraída de un tanque de diámetro constante. Se determinará la altura máxima necesaria (con respecto al piso del tanque) para la cual el agua al ser extraída no causara problemas de cavitación. Patm=14.7 psi.


(2)



(1)


H
15’
Agua




5’
(3)

Considerando un flujo permanente e incompresible, podemos aplicar la ecuación de Bernoulli, a lo largo de los puntos (1), (2) y (3):


Como el piso del tanque es la referencia, tenemos que z1=15’, z2=H, z3=-5’, además v1=0 (considerando el tanque lo suficientemente grande), p1=p3=0 (tanque y chorro abierto a la atmósfera) , y de la ecuación de la continuidad A2v2=A3v3, y debido a que el diámetro de la tubería es constante, v2=v3, entonces la velocidad del fluido a la salida de la tubería es:


Usando la ec de Bernoulli entre los puntos (1) y (2), podemos obtener la p2 en la parte más alta medida desde el piso


De la tabla de vapor del agua a 60°F es de 0.256 psi, entonces para que se presente una cavitación incipiente en el sistema p2=0.256 psi. Entonces tomando p1=0, tenemos que p2=0.256-14.7=-14.4 psi, y sustituyendo en la ecuación anterior tenemos:


despejando H

H = 28.2 ft

Para mayores valores de H, se formaran burbujas de vapor en el punto (2), y la acción de sustracción e agua podría detenerse.

Nótese que los resultados obtenidos son independientes del diámetro y de la longitud de la tubería (considerando que los efectos viscosos no son tan importantes).

Daño por cavitación

El daño por cavitación es una forma especial de corrosión-erosión debido a la formación y al colapso de burbujas de vapor en un líquido cerca de una superficie metálica, que ocurre en turbinas hidráulicas, hélices de barcos, impulsores de, bombas y otras superficies sobre las cuales se encuentran líquidos de alta velocidad con cambios de presión.

Un daño por cavitación tiene un aspecto semejante a picaduras por corrosión, pero las zonas dañadas son más compactas y la superficie es más irregular en el caso de la cavitación. El daño por cavitación se atribuye parcialmente a efectos de desgaste mecánico. La corrosión interviene cuando el colapso de la burbuja destruye la película protectora, como se muestra esquemáticamente en la siguiente figura, con los pasos siguientes:

Se forma una burbuja de cavilación sobre la película protectora.

2. El colapso de la burbuja causa la destrucción local de la película.

La superficie no protegida del metal está expuesta al medio corrosivo y se forma una nueva película por medio de una reacción de corrosión.

Se forma una nueva burbuja en el mismo lugar, debido al aumento de poder nucleante de la superficie irregular.

El colapso de la nueva burbuja destruye otra vez la película.

La película se forma de nuevo y el proceso se repite indefinidamente hasta formar huecos bastante profundos.

El mecanismo anterior también funciona sin la presencia de una película protectora, ya que la implosión de la burbuja ya es suficiente para deformar el metal plásticamente y arrancarle pedazos de material. Se acepta generalmente que la cavitación es un fenómeno de corrosión-erosión.

En forma general, es posible prevenir el daño por cavitación con los métodos descritos en la prevención de corrosión-erosión:

Modificar el diseño para minimizar las diferencias de presión hidráulica en el flujo de medio corrosivo

Seleccionar materiales con mayor resistencia a la cavilación.

Dar un acabado de pulido a la superficie sujeta a efectos de cavilación, ya que es más difícil nuclear burbujas sobre una superficie muy plana

Recubrimiento con hules o plásticos que absorben las energías de choque.



Para caracterizar la susceptibilidad de un sistema que maneja un líquido a la cavitación, se utiliza el parámetro de cavitación, definido por


Donde p es la presión absoluta en el punto de interés, pv la presión de vapor del líquido, r la densidad del líquido y V una velocidad de referencia. Obsérvese que el parámetro de cavitación es una especie de coeficiente de presión. Dos sistemas geométricos semejantes tienen el mismo grado de cavitación son igualmente susceptibles de cavitar si tienen el mismo valor. Cuando s=0, la presión, se reduce hasta la presión de vapor y en ese momento ocurre la ebullición. Pruebas conducidas en líquidos químicamente puros indican que tales sustancias pueden resistir esfuerzos de tensión muy altos, de varios miles de libras sobre pulgada cuadrada, lo cual contradice el hecho de que se formen cavidades. Cuando la presión se reduce a la presión de vapor. Dado que generalmente se tiene ebullición espontánea cuando se alcanza la presión de vapor con líquidos comerciales o técnicos, se suele aceptar que la formación de las burbujas es mediante el proceso llamado nucleación, el cual no se conoce completamente, hasta la fecha. Cabe suponer que en este tipo de líquidos, siempre se encuentran presentes partículas microscópicas de polvo o de otros contaminantes ampliamente dispersos en el fluido.


La formación y el aplastamiento de un gran número de burbujas en una superficie dan lugar a esfuerzos locales muy intensos, mismos que parecen dañar la superficie por fatiga. Algunos materiales dúctiles pueden resistir el bombardeo por un periodo, llamado periodo de incubación, mientras que materiales frágiles pueden perder parte de su peso inmediatamente. Algunos efectos electroquímicos, abrasivos y térmicos inherentes al líquido que se maneja, pueden acelerar el deterioro de las superficies expuestas.



La protección contra la cavitación debe comenzar con un diseño hidráulico adecuado del sistema, de tal manera que se eviten en lo posible las presiones bajas. Cuando sea inevitable la presencia de la cavitación , el efecto sobre las superficies se puede reducir mediante el recubrimiento de materiales especiales de alta resistencia. El empleo de pequeñas cantidades de aire introducidas en el agua reduce notablemente el daño causado por la cavitación: por último, en estudios recientes se ha comprobado que la protección catódica puede ser de utilidad contra los efectos de la cavitación.


. El fenómeno de la cavitación ocasiona tres efectos nocivos en la operación de una turbomáquina: disminuye la eficacia, daña los conductos para el escurrimiento y produce ruido y vibraciones molestas. Los alabes curvos son particularmente susceptibles a la cavitación en su cara convexa, donde se pueden tener áreas sujetas a un picado fuerte e incluso a falla total. Dado que todo tipo de turbomaquinaria, así como las hélices de barco y muchas estructuras hidráulicas, pueden quedar sujetas a la cavitación, es necesario poner atención a este aspecto durante las etapas de diseño.


























Métodos de Predicción

Para efectos de diseño o revisión de obras ya construidas es necesario contar con métodos de predicción, que permitan saber si la obra es susceptible a daños por cavitación.
Para efectos prácticos es más común tratar de predecir en qué zonas hay posibilidad de erosión por cavitación debida a superficies rugosas, el método de Echávez G.,1979, quien propuso valuar el índice local de cavitación, sk, para una superficie sujeta a ciertas condiciones hidráulicas, y compararlo con el índice de cavitación local incipiente, ski, obtenido en laboratorio para situaciones similares, si ski>sk, existe la posibilidad de cavitación.

En el caso de superficies rugosas el índice de cavitación local sk, según el mismo autor puede calcularse con la ecuación:


donde:

k, rugosidad equivalente de Nikuradse de la superficie
vk, ,velocidad del flujo a una distancia k de la superficie

Las demás variables ya han sido definidas. La velocidad vk a su vez puede calcularse con la fórmula:

donde:

h, caída vertical, medida desde la superficie libre del vaso a la superficie del escurrimiento
x, distancia de la cresta del cimacio al punto de análisis.

Es importante hacer notar que Echávez sugiere hacer correcciones por curvatura al índice local de cavitación en el piso skp, considerando como piso a una sección transversal para un ángulo con respecto a la vertical de 40º y con vértice en el centro de la sección, como se indica a continuación:

skp = 0.76sk

donde:

skp , índice de cavitación local en el piso para curvas verticales cóncavas

Protección contra daños debidos a cavitación


a) La resistencia a la erosión por cavitación del concreto se incrementa con la reducción de la relación agua-cemento, con el incremento de la resistencia a la compresión y a la tensión, con el vibrado del concreto o usando polvo de acero en la mezcla.

b) Las recomendaciones sobre el tamaño máximo de los agregados del concreto son muy variables, Grünw W.,1960, recomienda 5 mm, Govinda R., 1961, 20 mm y Gainzburg T., 1959, 60 mm; se considera además que el mejor agregado para estos casos es el granito.


c) Se puede proteger la superficie de concreto por medio de láminas de hule, sin embargo no existe forma de lograr buena adherencia entre las dos superficies, los recubrimientos se han hecho con base en pinturas que incrementan la vida del concreto de 3 a 20 veces, y su resistencia es de 10 a 20 veces menor que la de las láminas de acero.

d) La resistencia del concreto plástico hecho a base de resinas epóxicas y sin agregados, o con agregados de acero, es de 1.8 a 2.0 veces menor que la del acero al carbono, mientras que el concreto hecho a base de resinas de cloruro de polivilino, PVC, fue 1.5 veces más resistente que el acero dulce.

Un inadecuado proyecto del propulsor tiene gran influencia, no sólo sobre el rendimiento propulsivo, sino también sobre la aparición de fenómenos de cavitación que dan origen a vibraciones y ruidos, y por ello la técnica de proyecto de propulsores se encuentra en un continuo proceso de perfeccionamiento, siendo necesario dedicar gran atención al desarrollo de métodos modernos de diseño y predicción del funcionamiento del propulsor trabajando en un campo de estelas no homogéneo, mediante técnicas de CFD (simulación matemática).












Para el diseño de propulsores se dispone de programas capaces de calcular por teoría de circulación el comportamiento de una hélice, aportando como resultados las fuerzas estacionarias y no estacionarias, su forma de cavitación, los armónicos generados e incluso las fluctuaciones de presión inducidas en la bovedilla por el funcionamiento de la hélice.
Los principales resultados que se pueden obtener con los programas de cálculo de propulsores son:

§ Curvas características de la hélice y rendimiento en varios regímenes de funcionamiento en aguas libres.

§ Empuje, potencia y rendimiento de la hélice funcionando detrás de la carena para un régimen de funcionamiento especificado.

§ Las 6 componentes de los esfuerzos y momentos vibratorios sobre cada pala y el eje.

§ La forma de cavitación lámina en distintas posiciones angulares de las palas.

§ Los armónicos de cambio de volumen de las cavidades.

§ La distribución de presión en la superficie de las palas.

§ Las amplitudes de las presiones pulsatorias sobre la bovedilla.


El túnel de cavitación del Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo, permite el estudio de las características de las hélices estudiando la generación de cavitación, riesgo de erosión , fluctuaciones de presión y la producción de ruidos inherente a la cavitación, con el fin de optimizar el diseño de los propulsores. Los ensayos pueden realizarse con el propulsor aislado o bien trabajando en la estela del buque que se simula bien con mallas o bien introduciendo en el canal una réplica del modelo o "dummy model".

Se diseñan y construyen modelos de hélices de los siguientes tipos:

§ Series sistemáticas (Series B, K, Gawn,etc).

§ Paso controlable.

§ En tobera.

§ Otros tipos.





































C O N C L U S I O N E S




La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible. El fenómeno puede producirse lo mismo en estructuras hidráulicas estáticas (tuberías, Venturis, etc.), que en máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y máquinas hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la cavitación es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y controlarlo.

La protección contra la cavitación debe comenzar con un diseño hidráulico adecuado del sistema, de tal manera que se eviten en lo posible las presiones bajas. Cuando sea inevitable la presencia de la cavitación , el efecto sobre las superficies se puede reducir mediante el recubrimiento de materiales especiales de alta resistencia. El empleo de pequeñas cantidades de aire introducidas en el agua reduce notablemente el daño causado por la cavitación: por último, en estudios recientes se ha comprobado que la protección catódica puede ser de utilidad contra los efectos de la cavitación.

La formación de burbujas de vapor disminuye el espacio disponible para la conducción del líquido, lo cual da como resultado la disminución de la eficacia de la máquina. El fenómeno de la cavitación ocasiona tres efectos nocivos en la operación de una turbomáquina: disminuye la eficacia, daña los conductos para el escurrimiento y produce ruido y vibraciones molestas.



B I B L I O G R A F Í A

1.- Mecánica de los fluidos

Autor: Streeter and Wylie.

2.- Manual del Ingeniero Mecánico
Autor: Edward H. Smith.

3.- Manual del Ingeniero Civil.
Autor: Frederick S. Merritt, M. Kent Loftin, Jonathan T.