Prensa hidráulica

Una prensa hidráulica multiplica la fuerza con agua. Una pequeña bomba de mano impulsa agua dentro de un cilindro cerrado, y el ancho pistón que contiene, el émbolo, empuja con una fuerza tantas veces mayor como su superficie supera a la del pistón de la bomba, y avanza otro tanto menos. Blaise Pascal describió el principio en un tratado escrito hacia 1651–1654 y publicado en 1663. Joseph Bramah patentó en Londres en 1795 una prensa que funcionaba; un collarín de cuero que se aprieta con la presión la hizo estanca, y sus prensas empacaron paño, heno y semillas oleaginosas antes de convertirse en las prensas de forja del siglo XX.

Qué es

Una prensa hidráulica aprieta, aplana o da forma con un émbolo empujado por agua. Tiene dos cilindros de tamaños muy distintos, unidos por un tubo y llenos de agua o de aceite. Un operario hunde con una palanca un pistón estrecho en el cilindro pequeño, y el líquido levanta el ancho émbolo del grande con una fuerza mucho mayor. El émbolo lleva un plato, y la carga que queda entre el plato y una cabeza fija se aprieta tanto como el bastidor puede aguantar.

En una prensa del tipo que Joseph Bramah construía en Londres a principios del siglo XIX, el cilindro grande va metido en una base de fundición, y unas columnas de hierro unen la base con una cabeza fija arriba, de modo que el bastidor recoge la reacción del émbolo. A un lado, una bomba de mano aspira agua de un depósito y la impulsa por un tubo estrecho por debajo del émbolo. Un pequeño grifo deja salir de nuevo el agua para bajar el émbolo cuando acaba el trabajo.

Cómo funciona

El agua apenas se comprime, así que, al empujarla dentro de un recipiente cerrado, su presión sube, y esa presión actúa por igual sobre todas las paredes y todos los pistones que toca. La fuerza sobre un pistón es la presión por su superficie. Con la misma presión bajo los dos, un émbolo de superficie cien veces mayor que el pistón de la bomba empuja cien veces más.

El pistón estrecho baja mucho; el ancho sube un poco, con más fuerza.

La ganancia se paga en recorrido. El agua que el pistón expulsa del cilindro pequeño se reparte bajo toda la anchura del émbolo, que en este ejemplo solo sube una centésima parte de la carrera del pistón. El trabajo, la fuerza por la distancia, es el mismo en los dos extremos, menos lo que se lleva el rozamiento. Supongamos un pistón de 1 cm² y un émbolo de 100 cm². Un empuje de unos 100 newtons, el peso de 10 kilogramos, da entonces unos 10 000 newtons en el émbolo, el peso de una tonelada, y la palanca de la bomba multiplica además el esfuerzo del operario antes de que llegue al pistón.

La bomba trabaja a golpes, y dos válvulas antirretorno hacen que el agua vaya en un solo sentido. En la subida, el pistón aspira agua del depósito por la válvula de entrada; en la bajada, esa válvula se cierra y el agua sale por la válvula de salida hacia el tubo. La válvula de salida se cierra cuando el pistón vuelve a subir, así que el émbolo se queda arriba entre dos golpes. Al abrir el grifo de descarga, el agua vuelve y el émbolo baja.

El émbolo tiene que salir de su cilindro sin que el agua se escape a su alrededor. En las primeras prensas esta junta es un anillo de cuero doblado en U y alojado en una ranura en la boca del cilindro, con el lado abierto hacia el agua. El agua separa los dos labios de la U contra el émbolo y contra la pared del cilindro: cuanto más sube la presión, más aprieta la junta.

Cómo hacerlo

Este ensayo muestra la ganancia de fuerza con dos jeringas. Hacen falta dos jeringas sin aguja de tamaños distintos, por ejemplo de 5 ml y de 50 o 60 ml, unos 30 cm de tubo flexible que encaje apretado en las dos boquillas, un vaso de agua con una gota de colorante alimentario, un libro de bolsillo, una toalla y gafas de protección.

Llene la jeringa pequeña de agua coloreada, encaje en ella un extremo del tubo y empuje con suavidad hasta que salga agua por el otro extremo. Hunda del todo el émbolo de la jeringa grande, encájela en el extremo libre del tubo y compruebe que queda poco aire dentro. Coloque las jeringas sobre la toalla.

Dos jeringas unidas por un tubo de agua: una bomba pequeña y un émbolo grande.

Hunda el émbolo pequeño en toda su carrera y mire el grande: sale una distancia mucho más corta, y su escala muestra que recibe el mismo volumen de agua que ha perdido la jeringa pequeña. Ahora sostenga la jeringa grande de pie, con el émbolo arriba, y apoye el libro sobre él. Un empuje ligero sobre el émbolo pequeño levanta el libro. Cambie los papeles: ponga el libro sobre la jeringa pequeña y empuje el émbolo grande; hay que empujar mucho más para mover el mismo peso. Por último, apriete los dos émbolos a la vez contra los pulgares: con la misma presión, el émbolo grande empuja con mucha más fuerza.

Historia y evolución

Blaise Pascal describió el principio en su tratado sobre el equilibrio de los líquidos, escrito hacia 1651–1654 y publicado en París en 1663, después de su muerte. Imaginó un recipiente lleno de agua cerrado por dos pistones, con una abertura cien veces mayor que la otra. Un hombre que empuja el pistón pequeño, escribió, resiste a cien hombres que empujan el grande, de modo que el recipiente se convierte en «una máquina nueva para multiplicar las fuerzas». También señaló el precio: cuando el pistón pequeño entra una pulgada, el grande solo sale una centésima de pulgada.

Una prensa que funcionara llegó más de un siglo después. Joseph Bramah, un ingeniero londinense ya conocido por su cerradura, patentó una en 1795, con el n.º 2045 y el título «obtener y aplicar fuerza motriz». Su prensa impulsaba agua bajo el émbolo de un cilindro grande con una bomba de pistón. La dificultad era la junta: una empaquetadura de cáñamo o de cuero lo bastante apretada para retener el agua sujetaba el émbolo con tanta fuerza que la prensa apenas se movía. La solución fue el collarín de cuero doblado en U, que solo aprieta a medida que sube la presión. James Nasmyth, en 1863, lo atribuyó a Henry Maudslay, que trabajó para Bramah hasta 1797, y la Ruta Europea del Patrimonio Industrial hace lo mismo; según la historia editada por John Cantrell y Gillian Cookson, un año después el Mechanics’ Magazine nombró a Benjamin Hick, de Bolton.

Una prensa Bramah empaca paño de lana, uno de sus primeros usos.

Las primeras prensas fueron para la industria lanera, para empacar heno y para prensar semillas y sacar aceite. Bramah suministró prensas al fabricante de paños de Leeds Benjamin Gott, cuyos obreros se opusieron a su instalación, y más tarde fue a juicio para recuperar diez de ellas. Los museos de Sheffield fechan en 1806 el primer uso de una prensa Bramah en la Torre de Londres. Bramah aplicó después la presión del agua a las grúas y a las puertas de las esclusas.

Más tarde, unas bombas movidas por motor sustituyeron la palanca de mano, y los cilindros hidráulicos pasaron a mover las cizallas de guillotina y las prensas de cacao del chocolate. Dentro de un programa de la Fuerza Aérea de Estados Unidos para construir prensas muy grandes, la empresa Loewy construyó para Wyman-Gordon, en Grafton (Massachusetts), una prensa de forja de 50 000 toneladas cortas, en servicio desde octubre de 1955. Forjó piezas de avión, entre ellas piezas del Boeing 747.