En 1653, el filósofo y científico francés Blaise Pascal publicó su Tratado sobre el equilibrio de los líquidos, en el cual trataba los principios de los fluidos estáticos. El principio de Pascal (también conocido como ley de Pascal) establece que, cuando se aplica un cambio de presión a un fluido encerrado, este se transmite sin disminuir a todas las porciones del fluido y a las paredes de su recipiente. Dicho de otra forma, la presión ejercida sobre un fluido en alguna parte del mismo se esparcirá uniformemente por todo su volumen.
Las observaciones de Pascal -demostradas experimentalmente- sientan las bases de la hidráulica, uno de los desarrollos más importantes de la tecnología mecánica moderna. En un fluido cerrado, como los átomos del fluido son libres de moverse, transmiten la presión a todas las partes del fluido y a las paredes del recipiente.
Deducción matemática y fórmula del principio
Matemáticamente, el principio de Pascal se expresa mediante la relación entre presión, fuerza y área:
P = F / A
Donde:
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- P es la presión aplicada al fluido (en pascales, Pa).
- F es la fuerza ejercida (en newtons, N).
- A es el área sobre la cual se aplica la fuerza (en metros cuadrados, m²).
Esta fórmula indica que la presión es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional al área. Si consideramos un sistema hidráulico típico con dos cilindros llenos de fluido, tapados con pistones y conectados por un tubo, podemos derivar una relación entre las fuerzas al aplicar el principio de Pascal. Según este principio, la presión ejercida en el primer pistón se transmite sin disminuir en todo el fluido. Así, una presión p2 se siente en el otro pistón que es igual a p1. Eso es:
p1 = p2
A partir de esta igualdad, se deriva la fórmula:
F1 / A1 = F2 / A2
De lo que resulta la ecuación para calcular la fuerza amplificada:
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F2 = F1 x A2 / A1
Es decir, que si el área A2 es mayor que A1, la fuerza que se siente F2 es mayor que la fuerza aplicada F1. Los subíndices 1 y 2 indican respectivamente las áreas mayores y menores de los pistones. Los sistemas hidráulicos pueden aumentar o disminuir la fuerza que se les aplica; para que la fuerza sea mayor, la presión se aplica a un área más grande.
La prensa hidráulica y otras aplicaciones prácticas
La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su significado. 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. Cuando sobre el émbolo de menor sección se ejerce una fuerza, la presión que se origina en el líquido en contacto con él se transmite íntegramente y de forma casi instantánea a todo el resto del líquido.
Además de las prensas, existen otras aplicaciones muy importantes en el ámbito industrial y cotidiano:
- El gato hidráulico: Se usa para levantar cargas pesadas, como las que usan los mecánicos para levantar un automóvil. Consta de un fluido incompresible en un tubo en U provisto de un pistón móvil a cada lado.
- Frenos hidráulicos: Los frenos hidráulicos usan el principio de Pascal. El conductor pisa el pedal de freno, y ejerce una fuerza que se ve incrementada por la palanca simple y de nuevo por el sistema hidráulico.
- Procesos industriales de conformado: Se utiliza el principio en la forja de metales, el estampado, la embutición y el moldeo de materiales compuestos para aplicar fuerzas elevadas de manera uniforme.
Es importante destacar que un sistema hidráulico simple, como ejemplo de máquina simple, puede aumentar la fuerza pero no puede soportar más trabajo del que se realiza en él. El trabajo es la fuerza por la distancia recorrida, y el cilindro de salida se desplaza una distancia menor que el cilindro de entrada.
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