Gato hidráulico
El gato es una máquina empleada para la elevación de cargas pesadas mediante el accionamiento manual de una manivela o una palanca, o bien mediante un sistema de accionamiento asistido por un motor eléctrico o por un compresor de aire.
Se diferencian dos tipos, según su principio de funcionamiento:
Las formas más comunes son las de gato de coche, y la de gato de suelo o de taller, que elevan los vehículos de manera que se pueda realizar su mantenimiento, aunque también existen otros tipos de gatos especiales que tienen múltiples aplicaciones en la construcción o la industria.
Estos dispositivos se clasifican generalmente por su capacidad máxima de elevación (por ejemplo 1,5 toneladas o 3 toneladas), y para algunas aplicaciones también es importante fijar la máxima distancia a la que pueden desplazar la carga.
Los gatos mecánicos se utilizan preferentemente para cargas relativamente pequeñas, y es habitual que estén diseñados para accionarse manualmente o mediante pequeños motores (como en el caso de los gatos que se incluyen en los automóviles para sustituir una rueda en caso de avería).
Sus principales ventajas son su simplicidad de construcción, sus mínimos requerimientos de mantenimiento, y su reducido precio. Por el contrario, sus principales inconvenientes son su lentitud de accionamiento (y también de repliegue) y su limitada capacidad de carga.
Esto los hace adecuados para aplicaciones de uso ocasional (como el caso ya citado de los gatos que portan la inmensa mayoría de los automóviles para la sustitución de una rueda averiada), en los que prima la simplicidad y la ligereza, aun a costa de un accionamiento lento y en ocasiones engorroso. Así mismo, en procesos de edificación sencillos (como la sujeción de encofrados o cimbras), se utilizan mecanismos de izado muy sencillos, que son meramente sistemas de vástagos roscados, que se accionan manualmente con barras metálicas que se utilizan como palancas.
Los sistemas habituales utilizados en los gatos están basados en máquinas simples (como son las palancas, los engranajes o los tornos), que utilizan el principio de la equivalencia del momento de fuerzas (una fuerza manual pequeña con un gran brazo de palanca ; es capaz de equilibrar una fuerza mayor como el peso de un vehículo, pero que dispone de un brazo de acción muy corto ):
de donde se deduce que:
siendo el cociente el coeficiente de multiplicación mecánica que proporciona el gato.
En términos de energía, una fuerza pequeña aplicada a lo largo de una gran distancia, es capaz de desplazar una gran masa a una distancia pequeña. En un gato de tijera, este coeficiente (despreciando las fuerzas de rozamiento y el efecto del cambio de geometría del cuadrángulo, que hará que vaya variando la relación entre el desplazamiento horizontal del husillo y el vertical del punto de soporte; en este ejemplo se supone que se está accionando cuando las cuatro varillas del gato forman aproximadamente un cuadrado) depende de la longitud de la manivela con la que se acciona el gato, y del paso de la rosca que desplaza el husillo.
Los gatos hidráulicos se utilizan en aplicaciones que requieren una gran capacidad de carga, o bien una máxima facilidad y velocidad de accionamiento (especialmente en las operaciones de plegado, que son inmediatas) para cargas medianas. Sus principales ventajas están relacionadas con su potencia y velocidad, con la posibilidad de controlarse mediante servomecanismos, y con la minimización de las pérdidas mecánicas asociadas con el rozamiento. Su principal inconveniente es que suelen ser equipos de una cierta complejidad de mantenimiento (especialmente en todos los aspectos relacionados con la ausencia absoluta de fugas del fluido que sirve para transmitir las cargas).
Los fluidos utilizados suelen ser aceites sintéticos de baja viscosidad debido a su capacidad de auto-lubricarse y a su estabilidad.
Los gatos más potentes utilizan bombas eléctricas, capaces de proporcionar la presión hidráulica necesaria para actuar a distancias considerables y con capacidad para desplazar grandes tonelajes de carga.
El funcionamiento del gato hidráulico responde al principio de Pascal, que establece que la presión aplicada sobre un fluido contenido en un recipiente cerrado se transmite de forma uniforme en todos sus puntos.
El dispositivo, en su forma más sencilla, tiene dos émbolos dispuestos en forma de "U", uno de sección muy pequeña (en el que se aplica la presión al fluido mediante una palanca o una bomba), y el otro de sección muy grande (donde se coloca la carga que se quiere elevar). La clave del funcionamiento son las válvulas unidireccionales, que permiten el paso del fluido en un solo sentido. Así, cuando se acciona el émbolo pequeño, una válvula permite el paso del fluido hacia el émbolo mayor, pero no su retorno. De igual forma, una segunda válvula permite la entrada del fluido desde un depósito hacia el émbolo pequeño cuando se alza la palanca, quedando listo el dispositivo para un nuevo ciclo de impulsión.
Según el principio de Pascal, la presión es la misma en los dos émbolos, lo que significa que entre el émbolo pequeño (con sección y fuerza ) y en el émbolo grande (con sección y fuerza , correspondiente al peso a izar), se cumple la ecuación:
lo que equivale a que:
siendo el cociente el coeficiente de multiplicación de la fuerza aplicada.
Es un tipo de gato hidráulico especial, que utiliza aire comprimido -por ejemplo, aire procedente de un compresor- en vez de un líquido para producir el efecto de izado. Algunos modelos diseñados para sustituir a los gatos de tijera en automoción, constan de un saco de lona plastificada o de caucho de forma cilíndrica, con la resistencia suficiente para poderse inflar con una presión semejante a la de un neumático (unos 2 kilopondios por cm²) y con el tamaño necesario para izar un coche (basta una base de 50 cm² y una altura de unos 50 cm para izar 1000 kg) para sustituir una rueda. Desde el punto de vista energético no son muy eficientes (en el proceso de compresión del aire se desprende mucho calor), pero pueden ser útiles para evitar esfuerzos manuales cuando se dispone de alguna fuente mecanizada de aire comprimido.
Desde la más remota antigüedad existen ejemplos de máquinas simples utilizadas para multiplicar la fuerza humana o animal necesaria para realizar determinadas tareas (como la construcción de grandes monumentos de piedra), tan sencillas como los planos inclinados, o tan complejas como los polipastos, cuyos principios de funcionamiento ya se conocían en la época de Arquímedes.
Sin embargo, hay que esperar hasta el Renacimiento (cuando se empieza a desarrollar el conocimiento práctico y teórico de cómo funcionan engranajes y piezas roscadas) para encontrar los primeros diseños de mecanismos mecánicos para la elevación de cargas pesadas (relacionados con lo que hoy en día se conocen como gatos mecánicos); como atestiguan algunos dibujos del siglo XVI contenidos en el Codex Atlanticus de Leonardo da Vinci.
La enorme difusión actual de este instrumento está asociada al auge de la industria del automóvil, que lo ha venido incluyendo desde sus primeros modelos como una herramienta imprescindible para la sustitución de las ruedas pinchadas (los primeros coches equipados con una rueda de repuesto inflada fueron los Rambler en 1906.), aunque desde finales del siglo XX se haya extendido paulatinamente en algunos modelos la decisión de sustituir la rueda de repuesto (y en consecuencia, el gato), por un espray de espuma, que aplicado a una rueda pinchada, permite rodar algunos kilómetros hasta un taller.
Respecto al gato hidráulico, pese a que el principio en el que está basado se conoce desde el siglo XVII, cuando lo formuló el físico francés Blaise Pascal, hubo que esperar hasta 1851 para que se le concediese al inventor estadounidense Richard Dudgeon una patente para una prensa portable hidráulica, lo que ahora se conoce como gato hidráulico, una herramienta que probó ser muy superior a los gatos de tornillo usados por entonces. Dudgeon también diseñó otros tipos de gatos hidráulicos, como los utilizados para el izado de vehículos ferroviarios.
Además de su uso más conocido y extendido en la automoción, los gatos tienen diversas aplicaciones en la construcción y en la industria, tanto para la elevación o empuje de cargas pesadas, como para el tesado de piezas metálicas.