Animación a la lectura con contenidos tecnológicos y en inglés

TRABAJO FIN DE ESTUDIOS
Título
Animación a la lectura con contenidos tecnológicos y en
inglés, para Educación Secundaria y Bachillerato
Autor/es
Miguel Hernández San Martín
Director/es
Antonio Moisés Zorzano Martínez
Facultad
Facultad de Letras y de la Educación
Titulación
Máster universitario en Profesorado de ESO, Bachillerato, FP y Enseñanza de Idiomas
Tecnología
Departamento
Curso Académico
2014-2015
Animación a la lectura con contenidos tecnológicos y en inglés, para
Educación Secundaria y Bachillerato, trabajo fin de estudios
de Miguel Hernández San Martín, dirigido por Antonio Moisés Zorzano Martínez
(publicado por la Universidad de La Rioja), se difunde bajo una Licencia
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El autor
Universidad de La Rioja, Servicio de Publicaciones, 2015
publicaciones.unirioja.es
E-mail: [email protected]
TRABAJO FIN DE MÁSTER
MÁSTER UNIVERSITARIO EN PROFESORADO DE ESO, FP,
ENSEÑANZA DE IDIOMAS Y BACHILLERATO
ESPECIALIDAD DE TECNOLOGÍA
Marco teórico, programación didáctica y proyecto de innovación
educativa en Tecnología de 2º de Bachillerato.
Título:
Animación a la lectura con contenidos tecnológicos y en inglés,
para Educación Secundaria y Bachillerato.
Autor: Miguel Hernández San Martín
Tutor: Antonio Moisés Zorzano Martínez
Escuela de Máster y Doctorado
Curso 2014 - 2015
Índice no exhaustivo.
0) INTRODUCCIÓN. ___________________________________________________________________ 7
0.1. Programación Didáctica desarrollada._________________________________________________________ 7
0.2. Proyecto de Innovación Lingüística aplicado a la Tecnología. ______________________________________ 7
0.3. Anexos. _________________________________________________________________________________ 8
A. MARCO TEÓRICO. __________________________________________________________________ 9
A.1. Desarrollo cognitivo. ______________________________________________________________________ 9
A. 2. Aprendizaje significativo. __________________________________________________________________ 9
A.2.1.
Asimilación activa de los contenidos. __________________________________________________________ 10
A.2.2.
Construcción, organización y modificación de los conocimientos. ___________________________________ 10
A.2.3.
Diferenciación progresiva de los contenidos, lo que implica: _______________________________________ 10
A.2.4.
Solución de las dificultades de aprendizaje: _____________________________________________________ 10
A.3.
El constructivismo. El desajuste óptimo. ___________________________________________________ 10
B PROGRAMACIÓN DIDÁCTICA. ______________________________________________________ 12
B.1. INTRODUCCIÓN. ______________________________________________________________________ 12
B.1.1.
Introducción a la Materia. __________________________________________________________________ 12
B.1.2.
Base Legal. ______________________________________________________________________________ 12
B.1.3.
Justificación de la programación didáctica. _____________________________________________________ 14
B.1.4.
Características del Centro. __________________________________________________________________ 16
B.2. OBJETIVOS de la etapa, de la especialidad, de la materia y del Centro. _________________________ 20
B.2.1. Objetivos para Bachillerato. _____________________________________________________________________ 20
B.2.2. Objetivos para la Especialidad de Ciencias y Tecnología. ______________________________________________ 22
B.2.3. Objetivos para la materia de Tecnología Industrial. __________________________________________________ 22
B.2.4. Objetivos derivados de las señas de identidad del Centro. _____________________________________________ 23
B.2.5. Objetivos específicos del Departamento de Tecnología. _______________________________________________ 23
B.3. COMPETENCIAS CLAVE. ______________________________________________________________ 24
B.3.1. Contribución de la materia para la adquisición de las competencias básicas. _______________________________ 25
B.3.2. Resumen de habilidades intrínsecas a las competencias clave. __________________________________________ 25
B.4. CONTENIDOS. ________________________________________________________________________ 28
B.4.1. Unidades Didácticas. __________________________________________________________________________ 30
B.5. TEMPORALIZACIÓN. _________________________________________________________________ 31
B.5.1. Calendario Escolar. ____________________________________________________________________________ 31
B.5.2. Temporalización de contenidos. _________________________________________________________________ 33
2
B.6. METODOLOGÍA. ______________________________________________________________________ 35
B.6.1. Principios de intervención educativa: _____________________________________________________________ 35
B.6.2. Distintos tipos de actividades a lo largo del proceso de enseñanza – aprendizaje. __________________________ 35
B.6.3. Decisiones excluyentes tomadas sobre la metodología para Tecnología Industrial II. ________________________ 36
B.6.4. Metodología finalmente elegida. _________________________________________________________________ 37
B.7. ATENCIÓN A LA DIVERSIDAD DEL ALUMNADO. ________________________________________ 38
B.7.1. La Atención a la diversidad. _____________________________________________________________________ 38
B.7.2. Objetivos del Plan de Atención a la Diversidad. ______________________________________________________ 38
B.7.3. Medidas propuestas para conseguir los objetivos establecidos. _________________________________________ 39
B.8. TEMAS TRANSVERSALES. _____________________________________________________________ 41
B.8.0. Marco teórico. _______________________________________________________________________________ 41
B.8.1. Educación del consumidor. _____________________________________________________________________ 41
B.8.2. Educación ambiental. __________________________________________________________________________ 41
B.8.3. Educación para la salud. ________________________________________________________________________ 41
B.8.4. Educación moral y cívica. _______________________________________________________________________ 42
B.8.5. Educación para la paz. _________________________________________________________________________ 42
B.9. EVALUACIÓN. ________________________________________________________________________ 42
B.9.1. Criterios para evaluar. _________________________________________________________________________ 42
B.9.2. Fases de la evaluación. ________________________________________________________________________ 43
B.9.3. Calificación. Criterios. _________________________________________________________________________ 45
B.9.4. Factores de valoración de los trabajos individuales y de la evaluación continua. ____________________________ 46
B.9.5. Ejemplo de examen para la convocatoria extraordinaria de Septiembre.__________________________________ 47
B.9.6. Estándares de aprendizaje evaluables: Conocimientos mínimos exigibles. _________________________________ 51
B.10. MEDIDAS PARA ESTIMULAR LA LECTURA. ___________________________________________ 52
B.10.1. Actividades que se proponen para estimular la lectura: ______________________________________________ 52
B.11. MATERIALES Y RECURSOS DIDÁCTICOS. _____________________________________________ 52
B.11.1. Libros para seguir la asignatura. ________________________________________________________________ 52
B.11.2. Espacios y medios: ___________________________________________________________________________ 52
B.11.3. Otros Materiales del Centro: ___________________________________________________________________ 53
B.11.4. Libros, blogs y páginas web de referencia para elaborar el TFM: _______________________________________ 53
B.12. ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS EXTRAESCOLARES. ______________________________ 54
B.13. UNIDADES DIDÁCTICAS. _____________________________________________________________ 55
B.13.1. Unidad 1: Estructura atómica y cristalina de materiales. Propiedades mecánicas. Ensayos. __________________ 55
B.13.2. Unidad 2: Materiales: Aleaciones y diagramas de fases. ______________________________________________ 56
B.13.3. Unidad 3: Tratamientos de los materiales. Oxidación y corrosión ______________________________________ 57
B.13.4. Unidad 4: Materiales no férreos. ________________________________________________________________ 59
B.13.5. Unidad 5: Motores térmicos. Funcionamiento, clasificación y aplicaciones. ______________________________ 60
3
B.13.6. Unidad 6: Circuito frigorífico y bombas de calor.____________________________________________________ 62
B.13.7. Unidad 7: Motores eléctricos de corriente continua. ________________________________________________ 63
B.13.8. Unidad 8: Motores eléctricos de corriente alterna. __________________________________________________ 65
B.13.9. Unidad 9: Neumática e hidráulica. Fundamentos físicos. _____________________________________________ 66
B.13.10. Unidad 10: Técnicas de producción, conducción y depuración de aire comprimido y de fluidos hidráulicos. ____ 69
B.13.11. Unidad 11: Elementos de accionamiento: De trabajo y de regulación y control. __________________________ 71
B.13.12. Unidad 12: Circuitos característicos de aplicación. Normativa. ________________________________________ 72
B.13.13. Unidad 13: Sistemas Automáticos de Control._____________________________________________________ 74
B.13.14. Unidad 14: Componentes de un sistema de control (1ª parte). _______________________________________ 76
B.13.15. Unidad 15: Componentes de un sistema de control (2ª parte). _______________________________________ 77
B.13.16. Unidad 16: Sistemas digitales combinacionales. ___________________________________________________ 79
B.13.17. Unidad 17: Sistemas digitales secuenciales (y previsión por atrasos) ___________________________________ 81
C PROYECTO DE INNOVACIÓN EDUCATIVA.___________________________________________ 83
C.1.
DATOS GENERALES DEL PROYECTO DE INNOVACIÓN EDUCATIVA. __________________ 83
C.1.1.
Título. __________________________________________________________________________________ 83
C.1.2.
Palabras clave. ___________________________________________________________________________ 83
C.1.3.
Datos del centro donde se desarrolla. __________________________________________________________ 83
C.1.4.
Profesores participantes en el proyecto. ________________________________________________________ 83
C.1.5.
Breve descripción. ________________________________________________________________________ 83
C.1.6.
Datos del centro donde se desarrolla. __________________________________________________________ 84
C.2. JUSTIFICACIÓN. ______________________________________________________________________ 84
C.2.1. Justificación del proyecto. ______________________________________________________________________ 84
C.2.2. Fundamentación teórica. _______________________________________________________________________ 85
C.2.3. Análisis de necesidades. (Problemas, causas, alternativas / soluciones). __________________________________ 86
C.3. OBJETIVOS. __________________________________________________________________________ 87
C.3.1. Objetivos generales.___________________________________________________________________________ 87
C.3.2. Objetivos específicos. _________________________________________________________________________ 88
C.4. CONTENIDOS ESPECÍFICOS, ACTIVIDADES, METODOLOGÍA. ______________________________________ 89
C.4.1. Metodología. ________________________________________________________________________________ 89
C.5. COMPETENCIAS CLAVE DESARROLLADAS.____________________________________________ 95
C.5.1. Comunicación lingüística._______________________________________________________________________ 96
C.5.2. Competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología. ________________________________ 96
C.5.3. Competencia digital. __________________________________________________________________________ 97
C.5.4. Aprender a aprender.__________________________________________________________________________ 97
C.5.5. Competencias sociales y cívicas. _________________________________________________________________ 97
C.5.6. Sentido de iniciativa y espíritu emprendedor. _______________________________________________________ 97
C.5.7. Conciencia y expresiones culturales. ______________________________________________________________ 97
4
C.6.
MATERIAS O ASIGNATURAS REALCIONADAS. _______________________________________________ 97
C.7. EQUIPO DOCENTE QUE LO VA A LLEVAR A LA PRÁCTICA. _____________________________ 98
C.8. PARTICIPACIÓN DEL RESTO DE LA COMUNIDAD EDUCATIVA. ________________________ 100
C.8.1. Alumnos. __________________________________________________________________________________ 100
C.8.2. Familia. ___________________________________________________________________________________ 100
C.8.3. Otros Centros e Instituciones. __________________________________________________________________ 100
C.9. RECURSOS. __________________________________________________________________________ 101
C.9.1. Materiales. _________________________________________________________________________________ 101
C.9.2. TICs a utilizar. ______________________________________________________________________________ 101
C.10. CRONOGRAMA DE IMPLANTACIÓN. _________________________________________________ 101
C.11. EVALUACIÓN. ______________________________________________________________________ 102
C.11.1. Evaluación continua. ________________________________________________________________________ 102
C.11.2. Evaluación final. ___________________________________________________________________________ 102
C.12. FORMACIÓN (DE LOS DOCENTES) ___________________________________________________ 102
C.13 PRESUPUESTO ______________________________________________________________________ 103
C.13.1. Presupuesto inicial de implantación. (Autofinanciamiento, subvenciones). ______________________________ 103
C.12.2. Presupuesto de conservación. _________________________________________________________________ 103
ANEXO I. Actividades y Problemas desarrollados en las sesiones didácticas de la U.D. 9: Neumática e
Hidráulica, Fundamentos Físicos.
ANEXO II. English lectures and activities for D.U. 9.: Basic Physical Principles of the behavior of
Pneumatic and Hydraulic Fluids.
ANEXO III. Libro en ingles relativo a la U.D. 9: “Fluid Power” from “The United States Navy”.
5
“Aunque por contextualizar este trabajo en algún Instituto se ha elegido el I.E.S. Tomás Mingot de
Logroño, Instituto donde realicé el practicum de este Máster, se ha querido que los datos que aquí
aparezcan sobre él no sean todos reales, para guardar el anonimato de sus alumnos y profesores”.
6
0) INTRODUCCIÓN.
Este Trabajo Final del Máster de Educación Secundaria, Bachillerato y Formación Profesional de la
Escuela de Máster y Doctorado de la Universidad de La Rioja, se ha realizado desarrollándolo en tres
apartados principales:
A) Descripción de un breve marco teórico en el que nos hemos basado para la elaboración la
Programación Didáctica desarrollada.
B) Desarrollo de una Programación Didáctica correspondiente a la asignatura de Tecnología
Industrial-II de 2º de Bachillerato, y
C) Exposición de un proyecto de innovación educativa en Tecnología de 2º de Bachillerato titulado:
“Animación a la lectura con contenidos tecnológicos y en inglés”.
Estos tres apartados se completan con 3 Anexos:
0.1. Programación Didáctica desarrollada.
En ella se han planteado las metas que se pretenden alcanzar (objetivos y competencias básicas),
los conocimientos, procedimientos y conductas sobre los que vamos a trabajar (contenidos ,
procedimentales y actitudinales), las estrategias, métodos, actividades, instrumentos y
medios
ayudarán a conseguirlo (metodología). Finalmente, el modo en el que vamos a contrastar
que
que
el
proceso que hemos diseñado sirve para conseguir lo que pretendemos (evaluación).
En el desarrollo de esta programación didáctica, se han tenido en cuenta las características del
alumnado, su entorno, sus intereses, sus capacidades, etc. Y dado que las características de los
alumnos no son uniformes, la programación contempla medidas de atención a la diversidad que
ayudan a aquellos que lo necesitan, a alcanzar los objetivos y competencias básicas de la materia.
0.2. Proyecto de Innovación Lingüística aplicado a la Tecnología.
El Proyecto “Animación a la lectura en Inglés con contenidos tecnológicos, para el alumnado de
ESO y Bachillerato”, se ha desarrollado bajo las líneas de actuación marcadas actualmente por el
“Centro de Formación, Innovación y Asesoramiento en Materia Educativa”, perteneciente a la
Consejería de Educación, Cultura y Turismo de la Administración General de la C.A. de La Rioja”
Se basa en los principios clave en los que se asienta el Aprendizaje Integrado de Contenidos y
Lenguas Extranjeras aplicado a la materia de Tecnología y con una metodología de aplicación
marcada en 6 fases o niveles de inmersión para los alumnos.
Este P.I.L. se ha desarrollado para una Unidad Didáctica en Particular, la misma unidad que la
desarrollada de una forma completa en la Programación Didáctica desarrollada del apartado B).
7
0.3. Anexos.
En el Anexo I, se desarrollan las actividades y problemas para las sesiones didácticas de la U.D. 9;
“Neumática e Hidráulica, fundamentos físicos”. Estos y estas se consideran fundamentales para
desarrollar el aprendizaje basado en problemas planteado en la Metodología de la Programación
Didáctica explicada en el apartado B.6.4.
En el Anexo II, titulado, English lectures and activities for D.U. 9., “Basic Physical Principles of
the behavior of Pneumatic and Hidraylic Fluids”, se presentan todas las lecturas propuestas para
desarrollar el Proyecto de Innovación Lingüística para la U.D. 9 elegida.
Por último, si este Proyecto se llegara a aplicar en un futuro, se propone también la lectura ligera
del Anexo III, aunque este no se ha incluido, por ser un libro en descargable gratuitamente en
internet relacionado con la U.D. 9. “Fluid Power” from “The United States Navy”, aunque aconsejo
su compra para la biblioteca del Centro.
8
A. MARCO TEÓRICO.
El marco teórico en el que se basa el diseño y elaboración de este Trabajo Fin de Máster, (TFM) en
adelante, lo constituyen las teorías del desarrollo cognitivo, del aprendizaje y del constructivismo,
con sus implicaciones metodológicas y didácticas.
A.1. Desarrollo cognitivo.
La adolescencia es una etapa en la que tienen lugar importantes y grandes cambios. El adolescente
accede a nuevas formas de pensamiento alcanzando un nuevo y superior nivel caracterizado por una
mayor autonomía y rigor en su razonamiento.
Todos los procesos que configuran el desarrollo psicológico de una persona son el fruto de la
interacción constante que esa persona mantiene con un medio ambiente culturalmente organizado.
El desarrollo cognitivo no es solamente un conjunto de estrategias de razonamiento que pueden
aplicarse a cualquier contenido, sino que también consiste en un conjunto de información específica que
depende de la experiencia concreta de cada alumno, y cuya asimilación adecuada se encuentra en íntima
relación con la capacidad de desechar o contradecir las ideas previas.
El alumnado a partir de los 17 años, se caracteriza por tener más capacidad de análisis y reflexión.
Usan la intuición. Tienen las amistades ya hechas dentro de la clase y se conocen bien entre ellos.
Deberían de tener establecidos los hábitos de estudio, trabajo y descanso. Deberían de empezar a ser
capaces de fijarse metas y cumplirlas. Les empieza a preocupar su futuro. Empiezan otra vez a valorar las
tradiciones sociales y culturales. Ya ven más allá de su propia realidad. Tienen conciencia social y son
menos egocéntricos.
A. 2. Aprendizaje significativo.
El aprendizaje significativo tiene cuatro principios fundamentales con importantes implicaciones
metodológicas en el trabajo del profesorado con el alumnado:
1. Asimilación activa de los contenidos.
2. Construcción, organización y modificación de los conocimientos.
3. Diferenciación progresiva de los contenidos.
4. Solución de las dificultades de aprendizaje
9
A.2.1.
Asimilación activa de los contenidos.
Ello supone una intensa actividad por parte del alumno/a, que ha de establecer relaciones entre los
nuevos contenidos y su propia estructura cognitiva. Para ayudar a llevar a cabo este proceso, el
profesor/a debe:
 Suscitar en el alumnado conocimientos y experiencias relevantes respecto a los contenidos que
se le propone.
 Tener en cuenta los conocimientos previos del alumno o alumna y la conexión que pueda
establecer con los nuevos contenidos.
 Fijar los contenidos y predisponer favorablemente al alumnado.
A.2.2.
Construcción, organización y modificación de los conocimientos.
Ello supone que el trabajo del profesor/a debe ocuparse de:
 El diseño de la presentación previa, a la vez general y concreta, de los conceptos y relaciones
fundamentales.
 La activación de los conceptos que el alumnado posee o proporcionarle esos conceptos por
medio de actividades y ejemplos.
 El resultado debe ser la modificación de la estructura cognitiva del alumnado. Éste no sólo
aprende nuevos conceptos, sino que, sobre todo, aprende a aprender.
A.2.3.


A.2.4.

Diferenciación progresiva de los contenidos, lo que implica:
La ampliación progresiva de conceptos por parte del alumnado mediante el enriquecimiento de
sus conocimientos previos sobre el tema objeto de aprendizaje: análisis-síntesis, clasificación y
ordenación.
La organización previa de los materiales por el profesor/a: Secuenciación de los contenidos.
Solución de las dificultades de aprendizaje:
Durante el proceso de aprendizaje pueden producirse conceptos, contradictorios o no,
debidamente integrados en la estructura cognitiva del alumno o alumna. El profesor debe
contribuir a prevenir las dificultades mediante una buena secuenciación de los contenidos y a
superarlas con las orientaciones que dé al alumnado. Será necesario tener presente esta
concepción de aprendizaje cuando se tomen decisiones sobre los criterios de diseño de
actividades de aprendizaje y de evaluación.
A.3. El constructivismo. El desajuste óptimo.
El aprendizaje escolar no consiste en una recepción pasiva del conocimiento, sino más bien en un
proceso activo de elaboración: los errores de comprensión provocados por las asimilaciones incompletas
o incorrectas del contenido, son peldaños necesarios y a menudo útiles de este proceso activo de
elaboración y, al mismo tiempo, sirven de retroalimentación para orientar las futuras acciones de los
alumnos en el proceso de enseñanza – aprendizaje.
10
De las interpretaciones globales de la enseñanza a las que ha dado lugar el constructivismo genético,
optamos por la denominada interpretación del desajuste óptimo. La idea esencial es que, si el contenido
que ha de aprender el alumnado está excesivamente alejado de sus posibilidades de comprensión, se
producirá un desequilibrio tal que cualquier posibilidad de cambio quedará bloqueada. Pero si el
contenido que ha de aprender el alumno está totalmente ajustado a sus posibilidades de comprensión,
tampoco se producirá desequilibrio alguno y el aprendizaje real será de nuevo nulo o muy limitado. Entre
ambos extremos existe una zona en la que los contenidos o las actividades de aprendizaje son
susceptibles de provocar un desfase óptimo, es decir, un desequilibrio manejable por las posibilidades de
comprensión del alumnado.
Por lo tanto, el papel del docente debe ser el agente mediador entre los contenidos del currículo escolar
y el alumno que construye el conocimiento.
La tarea del docente debe de consistir en programar y desarrollar actividades y situaciones de
aprendizaje que permitan conectar activamente la estructura conceptual de la disciplina, con la estructura
cognoscitiva previa de cada alumno.
El profesorado tomará como base el Proyecto Educativo del Centro, pondrá para ello herramientas
para que el alumnado comparta los conocimientos que vayan adquiriendo a través del aprendizaje
colaborativo y establecerá un proceso de evaluación formativa del aprendizaje.
11
B PROGRAMACIÓN DIDÁCTICA.
B.1. INTRODUCCIÓN.
Esta parte del documento desarrolla una programación didáctica para la materia Tecnología Industrial
II de 2º de Bachillerato.
B.1.1.
Introducción a la Materia.
La Tecnología es fruto de la fusión entre la Ciencia y la Técnica, integrando los conocimientos
científicos y técnicos relacionados con la Sociedad y el Medio Ambiente.
La Tecnología afecta de forma significativa al funcionamiento de la sociedad y a la calidad de vida de
sus ciudadanos estando relacionada pues, con el desarrollo de civilizaciones y pudiendo constituirse en
vehículo transmisor de culturas.
Es objetivo de esta disciplina proporcionar al alumnado una síntesis de las principales aplicaciones
científicas. En la actividad industrial intervienen conocimientos que, interrelacionados, dan lugar a la
satisfacción de una necesidad humana y que pueden desembocar cada uno de ellos en una determinada
profesión.
La materia de Tecnología Industrial II, se cursa habiendo aprobado Tecnología Industrial I, y teniendo
también el alumno los conocimientos previos de la ESO.
En el segundo curso de Tecnología, se secuencian contenidos de ámbito universitario: propiedades de
materiales, termodinámica, máquinas eléctricas, neumática, hidráulica, control automático, electrónica
digital y autómatas programables, nuevos unos y ampliados otros respecto al curso anterior. Esta materia
tiene un claro carácter preparatorio, debiendo colaborar para que el desarrollo de las opciones
universitarias o de otra formación o carácter profesional, se lleven a cabo con garantías de éxito.
Se tendrán presentes los temas transversales, para favorecer la creación de un foro de reflexión y
análisis que acerque al alumnado a la realidad del mundo actual.
B.1.2.
Base Legal.
Esta Programación de Tecnología Industrial II de Bachillerato, enmarcado en los preceptos y valores
de la Constitución Española de 1978, se asienta en la siguiente normativa estatal y autonómica en vigor:

Ley Orgánica 2/2006, de 3 de mayo, de Educación

Real Decreto 1467/2007, de 2 de noviembre por el que se establece la estructura del bachillerato
y se fijan sus enseñanzas mínimas.
12

Corrección de errores del Real Decreto 1467/2007, de 2 de noviembre por el que se establece la
estructura del bachillerato y se fijan sus enseñanzas mínimas.

Ley Orgánica 8/2013, de 9 de diciembre, para la mejora de la calidad educativa. (LOMCE)

Real Decreto 1105/2014, de 26 de diciembre, por el que se establece el currículo básico de la
Educación Secundaria Obligatoria y del Bachillerato.

Orden 21/2008, de 4 de septiembre, de la Consejería de Educación, Cultura y Deporte, por la que
se regula la implantación del Bachillerato en los centros docentes de la Comunidad Autónoma de
La Rioja.

Decreto 45/2008, de 27 de junio, por el que se establece el currículo de bachillerato de la
Comunidad Autónoma de La Rioja.

Orden EDU/2395/2009, de 9 de septiembre, por la que se regula la promoción de un curso
incompleto del sistema educativo definido por la Ley Orgánica 1/1990, de 3 de octubre, de
ordenación general del sistema educativo, a otro de la Ley Orgánica 2/2006, de 3 de mayo, de
Educación.

Orden 6/2009, de 16 de enero, de la Consejería de Educación, Cultura y Deporte, por la que se
regula la evaluación, promoción y titulación del alumnado que cursa bachillerato en la
Comunidad Autónoma de La Rioja.

Resolución de 20 de marzo de 2009, de la Dirección General de Ordenación e Innovación
Educativa, por la que se dictan instrucciones para regular el proceso de solicitud, distribución,
registro y cumplimentación del Historial académico de Bachillerato.

Resolución de la Dirección General de Educación, de 2 de septiembre de 2013, por la que se
dictan instrucciones relativas a la prueba de acceso a enseñanzas universitarias oficiales de Grado
en la Comunidad Autónoma de La Rioja para el curso 2013/2014

Real Decreto 1892/2008, de 14 de noviembre, por el que se regulan las condiciones para el acceso
a las enseñanzas universitarias oficiales de grado y los procedimientos de admisión a las
universidades públicas españolas.

Orden EDU/1434/2009, de 29 de mayo, por la que se actualizan los anexos del Real Decreto
1892/2008, de 14 de noviembre, por el que se regulan las condiciones para el acceso a las
enseñanzas universitarias oficiales de grado y los procedimientos de admisión a las universidades
públicas españolas.

Orden ECD/65/2015, de 21 de enero, por la que se describen las relaciones entre las
competencias, los contenidos y los criterios de evaluación de la educación primaria, la educación
secundaria obligatoria y el bachillerato.
13
B.1.3.
Justificación de la programación didáctica.
Esta programación didáctica hará referencia hasta el cuarto nivel de Concreción Curricular,
desarrollando hasta el tercer nivel, es decir:
B.1.3.1. Primer Nivel de Concreción Curricular:
Determinado por las administraciones públicas con competencias en educación, que han establecido un
marco curricular amplio, común y básico, en el territorio que es de su ámbito.
B.1.3.2. Segundo Nivel de Concreción Curricular:
Donde se ha desarrollado el currículo del Primer Nivel, atendiendo a las características particulares de
una realidad educativa concreta, determinada por:

Un entorno socio-económico y cultural muy específico, situado en un barrio, pueblo, ciudad.

Un centro con unas características concretas en cuanto a recursos humanos y materiales,
instalaciones, organización, líneas, Planes educativos que tiene en marcha, etc.

Un alumnado con unas características concretas en cuanto a su desarrollo evolutivo y a tipología
(alumnado inmigrante, resultados en evaluaciones previas, resultados en Pruebas de
Diagnóstico,...).
Este 2º Nivel, habrá quedado reflejado en un documento del Centro denominado Proyecto Educativo,
(PEC). En nuestro caso el del I.E.S. Tomás Mingot de Logroño. En él se definen los objetivos
particulares que se proponen alcanzar, partiendo de su realidad y tomando como referencia la regulación
estatal y autonómica acerca de los principios que orientan la etapa educativa del bachillerato y las
prescripciones acerca del currículo.
El citado Proyecto Educativo ha desarrollado los siguientes aspectos:

Líneas generales de actuación pedagógica: Concretadas en los Objetivos de Centro.

La coordinación y concreción de los contenidos curriculares, así como el tratamiento transversal
en las áreas, materias o módulos de la educación en valores y otras enseñanzas.

La forma de atención a la diversidad del alumnado.

El plan de convivencia a desarrollar. Para prevenir la aparición de conductas contrarias a las
normas de convivencia y facilitar un adecuado clima escolar.

Los objetivos propios para la mejora del rendimiento escolar y la continuidad del alumnado en el
sistema educativo.

El plan de formación del profesorado.

Los criterios para organizar y distribuir el tiempo escolar, así como los objetivos y programas de
intervención en el tiempo extraescolar.

14
Y los procedimientos de evaluación interna.
En compensación con el PEC, el centro educativo también cuenta con un Proyecto Curricular de
Centro.
El PCC es la oferta formativa y académica de un centro en el que se desarrollan los elementos típicos
de un Diseño Curricular (objetivos y prioridades, contenidos, metodologías, materiales y recursos y
evaluación), y en el que deben estar integrados de forma coordinada y articulada los diferentes niveles de
concreción de los Proyectos Curriculares (de etapa, área, ciclo y del Aula) y las Adaptaciones
Curriculares, de acuerdo a unas prioridades y criterios de secuenciación, consensuados por todos y como
un diseño inacabado en continua experimentación y reelaboración.
Junto con el proyecto curricular, el claustro de profesores elabora el Plan anual de centro. Ambos
documentos aprobados finalmente por el Órgano de máxima representación (O.M.R).
En la elaboración y desarrollo del Proyecto Educativo se ha fomentado la participación de toda la
comunidad educativa a través de los distintos órganos de gestión y gobierno y de los de coordinación
pedagógica: Claustro, Director, Jefe de estudios, Secretario y O.M.R.
B.1.3.3. Tercer Nivel de Concreción Curricular.
Mediante el Tercer Nivel, se concretará el currículo establecido en el Segundo Nivel, atendiendo a las
características concretas de un grupo-clase de un nivel concreto:

Número de alumnos.

Distribución por sexos,

Diagnóstico establecido en la evaluación inicial,

Relaciones socio-afectivas entre el alumnado,

Alumnado con Necesidades Específicas de Apoyo Educativo, etc.
Esta concreción curricular, es el fundamento de esta Programación anual del Aula, está formada por 17
unidades didácticas y en esta Programación didáctica plantearé actividades solamente para una de ellas.
B.1.3.4. Cuarto Nivel de Concreción Curricular.
Mediante un Cuarto Nivel de Concreción Curricular, se adaptará el contenido de la única Unidad
Didáctica completamente desarrollada, al currículo establecido en el Tercer Nivel, haciéndolo para
aquellos alumnos/as que presenten algún tipo de Necesidad Específica de Apoyo Educativo. Esta
adaptación se hará en dos niveles:

Adaptación curricular individualizada: Realizándola si existieran alumnos/as que presentan un
desfase curricular notable o significativo, motivado por una necesidad educativa especial o por un
trastorno grave del comportamiento.
15
Adaptación curricular individualizada poco significativa: Realizada si llegara el caso, para

aquellos alumnos/as con un leve desfase curricular y centrándose en algunos elementos
curriculares, fundamentalmente en las Orientaciones Metodológicas, o con alguna/s actividades o
instrumentos de Evaluación.
Esta programación didáctica, por tanto:
Recoge los eslabones intermedios entre la teoría pedagógica y la acción. Es un proceso que

coordina fines y medios. Por tanto, la programación da respuesta a cuatro cuestiones: ¿Qué
objetivos se desean alcanzar?, ¿qué actividades se deben realizar?, ¿cómo organizarlas? y ¿cómo
evaluar la eficiencia de las actividades?
Será un instrumento de vital importancia para conseguir una enseñanza de calidad. Además, con

ella, el profesor se libera de tensiones e indecisiones, ya que elimina la improvisación, aunque
tenga que ser flexible.
Aprovecha todos los factores que intervienen en el proceso educativo. Supone una mejor

orientación del aprendizaje y una continua mejora en el proceso educativo.
Por último, con las programaciones en general, se corre el riesgo de obsesionarse por unos
objetivos concretos y específicos, y no llegar a lograr el verdadero fin de la educación, ya que educar
no es programar únicamente. La programación no será la solución a todos los problemas que surjan en
el aula y que se vayan a plantear durante el curso, pero será una herramienta de trabajo muy útil.
B.1.4.
Características del Centro.
B.1.4.1. Medio físico, medio socioeconómico y cultural.
El Instituto de Enseñanza Secundaria "Tomás Mingot", situado en la c/ Siete Infantes de Lara Nº 1 de
Logroño, zona de clase media de Logroño, fue creado en el año 1988, hace ya 27 años, para atender a la
población de la zona sur- oeste de la ciudad de Logroño con el nombre de Mixto IV.
El Instituto tiene cerca de 700 alumnos que cursan estudios de primer y segundo ciclo de Educación
Secundaria Obligatoria, Programas de Diversificación Curricular y Bachillerato, en sus modalidades de
“Ciencias y Tecnología” y “Humanidades y Ciencias Sociales”.
Con cerca de 700 alumnos, 63 profesores distribuidos en 18 departamentos y 10 personas de
administración y servicios.
El horario lectivo del centro es: Lunes, Miércoles y Viernes de 9,00 a 14,50 horas y Martes y Jueves
de 7,55 a 14,50 horas.
16
El Calendario Escolar de este año va del 11 de Septiembre al 25 de Junio, pero en 2º de Bachillerato el
4 de Junio ya habrán terminado, porque empiezan las Pruebas de Acceso a la Universidad.
Los días festivos están recogidos en el calendario escolar, disponible en la página web del Centro. Son
los marcados por el calendario oficial de la C.A. de La Rioja, a los que hay que sumar los 7 días de fiesta
Local (San Mateo y San Bernabé). Las clases se interrumpen durante 3 días antes de los exámenes de las
tres evaluaciones.
B.1.4.2. Órganos del Centro y estructura.
Los profesores se agrupan en Departamentos. En el IES Tomás Mingot son 18 departamentos y el
Departamento de Tecnología lo forman 4 profesores. El Departamento se encarga también de las
asignaturas de Tecnologías de la Información y Comunicación.
Los Órganos de Gobierno son: El equipo directivo, actualmente está formado por: El Director, el
Secretario, el Jefe de Estudios general y los Jefes de Estudios adjuntos. Estos mismos, junto con los jefes
de departamento, forman también la Comisión de Coordinación Pedagógica.
El Consejo Escolar, órgano Colegiado del IES, constituido actualmente por:
 1 Director del Instituto, que es su presidente.
 1 Jefe de Estudios.
 7 profesores elegidos por el Claustro.
 1 representante del Personal de Administración y Servicios.
 3 representantes de los padres de alumnos.
 4 representantes de los alumnos matriculados.
 1 concejal como representante del Ayuntamiento.
 1 Secretario del Instituto, que actuará con voz pero sin voto.
El Consejo Escolar funciona por comisiones: Las constituidas actualmente son la Comisión
Permanente, la Comisión Económica, la comisión de Convivencia y la comisión de Absentismo
Escolar.
El otro órgano Colegiado del Tomás Mingot es el Claustro de Profesores, las competencias de este
y de todos los órganos, se encuentran contempladas en el Proyecto Educativo del Centro.
Como Órganos de Coordinación Docente estarían Los Departamentos didácticos (cada uno tiene un
Jefe de Departamento) y los Departamentos de Orientación.
 1 psicóloga.
 1 profesor de ámbito social.
 1 profesor del ámbito científico.
 1 profesor del ámbito práctico.
 1 profesora de Pedagogía terapéutica.
 1 profesora de Educación compensatoria
Está también el Departamento de Actividades Extraescolares y Complementarias, integrado por:
17




El jefe de departamento de actividades extraescolares y complementarias.
Los profesores con horas de dedicación en esta área.
Los alumnos colaboradores en las actividades.
Los alumnos colaboradores en el Centro de Información.
Y por último el Coordinador de las Tecnologías de la Información y Comunicación, que
actualmente pertenece al departamento de Tecnología.
Muchos de los profesores ejercen de tutores de grupo, coordinando a los demás profesores del
grupo y coordinados por los Jefes de Estudios.
El IES Tomás Mingot lo forman 25 grupos de alumnos, que son:




4 líneas para 1º DE ESO (De la A a la D) con Programa de Educación Compensatoria de 1º.
4 líneas para 2º DE ESO (De la A a la D) con Programa de Educación Compensatoria de 2º.
4 líneas para 3º DE ESO (A, B, C, D) y Diversificación curricular de 3º.
3 líneas para 4º DE ESO (De la A, B, C) y Diversificación curricular de 4º.
Además, hay aulas de:
 Educación especial: Integración 1 e integración 2 y
 El PROA (Programa de Refuerzo, Orientación y Apoyo) para alumnos de 1º a 3º.
Por otra parte el bachillerato se divide en dos líneas para “Ciencias y Tecnología” y dos para
“Humanidades y Ciencias Sociales”. Es decir:
 1º DE BACHILLERATO (Coloquialmente 5º curso, con 4 líneas de la A a la D)
 2º DE BACHILLERATO (Coloquialmente 6º curso, con 4 líneas de la A a la D).
Por último, los padres y alumnos también pueden participar en la estructura del centro, que se
agrupan respectivamente, en las Juntas de Delegados y en la Junta Directiva de la AMPA.
B.1.4.3. El Proyecto Educativo del Centro.
El Proyecto Educativo del Centro consta de los siguientes documentos que se pueden consultar en
la página web del Instituto:












18
Documento 1: SEÑAS DE IDENTIDAD
Documento 2: ESTRUCTURA ORGANIZATIVA DEL IES.
Documento 3: OFERTA EDUCATIVA
Documento 4: MODELO DE PARTICIPACIÓN
Documento 5: DE ATENCIÓN A LA DIVERSIDAD
Documento 6: PLAN DE ACCIÓN TUTORIAL
Documento 7: PLAN DE ORIENTACIÓN ACADÉMICA Y PROFESIONAL
Documento 8: PLAN TIC
Documento 9: PLAN DE ATENCIÓN EDUCATIVA
Documento 10: PLAN DE FOMENTO DE LA LECTURA
Documento 11: PLAN DE CONVIVENCIA
Documento 12: REGLAMENTO DE ORGANIZACIÓN Y FUNCIONAMIENTO.
B.1.4.4. Medio físico.
El IES “Tomas Mingot”, acoge a los alumnos que acaban la Primaria en los colegios Vuelo Madrid
Manila y Siete Infantes de Lara, así como a los que han finalizado la Secundaria en los concertados
Rey Pastor y Los Boscos y desean proseguir el Bachillerato.
El edifico consta de tres alas, denominadas pabellones, A, B y C y tres alturas. En cada una de las
alas hay aularios y despachos de profesores y algún servicio.
En la planta baja, los pabellones A y B están compuestos de aularios exclusivamente donde se
imparten las enseñanzas a los alumnos de 1º y 2º de ESO. El pabellón C, está dedicado al 50 % para
aulas y servicios administrativos: despachos de dirección, sala de profesores, cafetería y oficinas.
Asimismo en esta misma planta se ubica la Conserjería del Instituto y la vivienda del conserje. Se
encuentra también en esta planta el servicio de reprografía y el Centro de Información de Alumnos,
CIA.
En las misma planta baja y como anexos se encuentran también el gimnasio y las aulas temáticas de
Tecnología y Música. Desde esta planta se accede por varias partes también al patio y a las pistas
deportivas.
La primera planta se dedica prácticamente a aulario donde se imparten las enseñanzas de 3º y 4º de
la ESO en los pabellones A y B y también los Bachilleratos de ciencias en el Pabellón C, reservado
este como “Pasillo Temático” y como consecuencia se ubican también los cuatro laboratorios: Física,
Química, biología, y Geología. También se encuentra la biblioteca del instituto, así como varios
despachos de Departamentos didácticos.
La segunda planta consta de aularios en sus dos pabellones A y B donde se imparten los
bachilleratos de letras, ubicándose también el Aula de dibujo así como las aulas de Informática.
Asimismo se ubican también despachos de profesores.
El centro dispone de los siguientes espacios donde se desarrolla la docencia:
 29 Aulas de docencia teórica.
 2 Aulas de informática.
 1 Aula de Dibujo y Plástica y Visual, 1 Aula de Música.
 1 Aula taller Tecnología, dividida en tres espacios: teórico, práctica e informática.
 1 Laboratorio de Física, 1 Laboratorio de Química.
 2 Laboratorios de Ciencias Naturales.
 4 Aulas de apoyo.
 1 Sala de usos múltiples.
 1 Biblioteca.
 1 Gimnasio, 2 Pistas deportivas exteriores, 1 Cafetería.
 12 departamentos didácticos con despacho.
 Otros 6 despachos, (dirección, secretaría, jefe de estudios, etc…)
 1 sala de profesores,
 2 salas de visitas, espacio de información para alumnos y conserjería.
19
B.1.4.5. Aspectos socioculturales.
Nivel sociocultural del alumnado del Instituto:
Con 700 alumnos, 63 profesores distribuidos en 18 departamentos y 10 personas de administración
y servicios. Es un Instituto acogedor, de tamaño mediano – pequeño, comparándolo con otros IES
públicos de Logroño.
La inmigración es del 25% en los 4 primeros cursos de la ESO y en Bachillerato se reduce a un 5%.
Muchos de ellos con diferencias de idioma, culturales y de edad, pero estas no se manifiestan en la
asignatura de Tecnología de 2º de Bachillerato, tampoco, malos comportamientos del alumnado.
El grupo de la asignatura de Tecnología Industrial II, lo forman un grupo de 14 alumnos (13 chicos y 1
chica), de entre los cuales hay 3 repetidores que vienen de otros Institutos.
Diferencias socioculturales entre el alumnado de Tecnología Industrial II:
 Edad: Palpable, a veces, en la relación entre los alumnos repetidores y los que no. Asumiendo los
primeros el rol de “más maduros”.
 Salud: No hay ACNES.
 Sexo: La clase está formada por 13 chicos y 1 chica.
 Diferencias por el Instituto de procedencia: 4 repetidores, 2 de los cuales 2 proceden de otro
Instituto.
 La religión: No se observan condicionamientos socioculturales debidos a la religión.
 Diferencias por situación económica familiar o barrio del que procede. No se aprecian.
Asimismo, hay que mencionar, que la relación con las familias es buena, se coordinan a través de los
tutores y de la web Racima del Gobierno de La Rioja.
B.2. OBJETIVOS de la etapa, de la especialidad, de la materia y del Centro.
Los objetivos son referentes relativos a los logros que el estudiante debe alcanzar como resultado de
las experiencias de enseñanza-aprendizaje intencionalmente planificadas a tal fin.
B.2.1. Objetivos para Bachillerato.
Según el Artículo 5 del Decreto 45/2008, de 27 de junio, por el que se establece el currículo de
bachillerato de la Comunidad Autónoma de La Rioja, en esta etapa, los objetivos formulados en términos
de capacidades son: (Adaptación del Real Decreto 1467/2007 a la C.A. de La Rioja)
a) Ejercer la ciudadanía democrática, desde una perspectiva global y adquirir una conciencia cívica
responsable, inspirada por los valores de la Constitución española así como por los derechos
humanos, que fomente la corresponsabilidad en la construcción de una sociedad justa y equitativa
y favorezca la sostenibilidad.
b) Consolidar una madurez personal y social que les permita actuar de forma responsable y autónoma
y desarrollar su espíritu crítico. Prever y resolver pacíficamente los conflictos personales,
familiares y sociales
20
c) Fomentar la igualdad efectiva de derechos y oportunidades entre hombres y mujeres, analizar y
valorar críticamente las desigualdades existentes e impulsar la igualdad real y la no discriminación
de las personas con discapacidad
d) Afianzar los hábitos de lectura, estudio y disciplina, como condiciones necesarias para el eficaz
aprovechamiento del aprendizaje y como medio de desarrollo personal.
e) Dominar, tanto en expresión oral como escrita, la lengua castellana y conocer las obras literarias
más significativas.
f) Expresarse con fluidez y corrección en una o más lenguas extranjeras objeto de estudio.
g) Utilizar con solvencia y responsabilidad las tecnologías de la información y la comunicación.
h) Dominar los conocimientos científicos y tecnológicos fundamentales y las habilidades básicas
propias de la modalidad escogida, con una visión integradora de las distintas materias.
i) Conocer y valorar críticamente las realidades del mundo contemporáneo, sus antecedentes
históricos y los principios y factores de su evolución. Participar de forma solidaria en el desarrollo
y mejora del entorno social.
j) Comprender los elementos y procedimientos fundamentales de la investigación y de los métodos
científicos. Conocer y valorar de forma crítica la contribución de la ciencia y la tecnología en el
cambio de las condiciones de vida, así como afianzar la sensibilidad y el respeto hacia el medio
ambiente.
k) Afianzar el espíritu emprendedor con actitudes de creatividad, flexibilidad, iniciativa, trabajo en
equipo, confianza en uno mismo y sentido crítico.
l) Desarrollar la sensibilidad artística y literaria, así como el criterio estético, como fuentes de
formación y enriquecimiento cultural.
m) Utilizar la educación física y el deporte para favorecer el desarrollo cultural y social y mejorar la
calidad de vida.
n) Afianzar actitudes de respeto y prevención en el ámbito de la seguridad vial.
o) Conocer, valorar y respetar la historia, la aportación cultural y el patrimonio de España y de la
Comunidad Autónoma de La Rioja.
p) Participar de forma activa y solidaria en el desarrollo del entorno social y espacial, orientando la
sensibilidad hacia las diversas formas de voluntariado, especialmente el desarrollado por los
jóvenes.
Según el Artículo 3 del Decreto 45/2008, de 27 de junio, por el que se establece el currículo de
bachillerato de la Comunidad Autónoma de La Rioja. El bachillerato, tiene como finalidad:
1. Proporcionar a los alumnos formación, madurez intelectual y humana, así como los conocimientos y
habilidades que les permitan desarrollar funciones sociales e incorporarse a la vida activa con
responsabilidad y competencia.
2. Capacitar a los alumnos para acceder a la educación superior.
21
B.2.2. Objetivos para la Especialidad de Ciencias y Tecnología.
Según los Artículos 7.3., 7.5 y 7.6 del Decreto 45/2008, de 27 de junio, por el que se establece el
currículo de bachillerato de la Comunidad Autónoma de La Rioja, las materias optativas y de la
Especialidad de Ciencias y Tecnología, tendrán como finalidades:
3. Proporcionar una formación de carácter específico vinculada a la modalidad elegida que oriente en
un ámbito de conocimiento amplio, desarrolle aquellas competencias con una mayor relación con el
mismo, prepare para una variedad de estudios posteriores y favorezca la inserción en un determinado
campo laboral.
4. Contribuir a completar la formación del alumnado profundizando en aspectos propios de la
modalidad de Ciencias y Tecnología, ampliando las perspectivas de la propia formación general.
5. Una educación en valores.
6. La educación para la tolerancia, para la paz, la educación para la convivencia, la educación
intercultural, para la igualdad entre sexos, la educación ambiental, la educación para la salud, la
educación sexual, la educación para el consumo y la educación vial, que deberán estar deberán estar
presentes como contenidos transversales en la planificación y la evaluación de las diferentes materias
del bachillerato.
Según el Artículo 25 del Real Decreto 1105/2014, de 26 de diciembre, por el que se establece el
currículo básico de la Educación Secundaria Obligatoria y del Bachillerato, el Bachillerato contribuirá
a desarrollar en los alumnos y alumnos las capacidades que les permitan.
(Copio solamente los que cambian con respecto al Artículo 5 del Decreto 45/2008, de 27 de junio):
c) Fomentar la igualdad efectiva de derechos y oportunidades entre hombres y mujeres, analizar y
valorar críticamente las desigualdades y discriminaciones existentes, y en particular la violencia contra
la mujer e impulsar la igualdad real y la no discriminación de las personas por cualquier condición o
circunstancia personal o social, con atención especial a las personas con discapacidad.
i) Acceder a los conocimientos científicos y tecnológicos fundamentales y dominar las habilidades
básicas propias de la modalidad elegida.
B.2.3. Objetivos para la materia de Tecnología Industrial.
Según el Anexo I del Decreto 45/2008, de 27 de junio, por el que se establece el currículo de
bachillerato de la Comunidad Autónoma de La Rioja, la materia de Tecnología Industrial, contribuirá
a desarrollar en el alumno, los siguientes objetivos:
1. Adquirir los conocimientos necesarios y emplear éstos y los adquiridos en otras áreas para la
comprensión y análisis de máquinas y sistemas técnicos.
2. Comprender el papel de la energía en los procesos tecnológicos, sus distintas transformaciones y
aplicaciones, adoptando actitudes de ahorro y valoración de la eficiencia energética.
22
3. Comprender y explicar cómo se organizan y desarrollan procesos tecnológicos concretos,
identificar y describir las técnicas y los factores económicos y sociales que concurren en cada caso.
Valorar la importancia de la investigación y desarrollo en la creación de nuevos productos y sistemas.
4. Analizar de forma sistemática aparatos y productos de la actividad técnica para explicar su
funcionamiento, utilización y forma de control y evaluar su calidad.
5. Valorar críticamente, aplicando los conocimientos adquiridos, las repercusiones de la actividad
tecnológica en la vida cotidiana y la calidad de vida, manifestando y argumentando sus ideas y
opiniones.
6. Transmitir con precisión sus conocimientos e ideas sobre procesos o productos tecnológicos
concretos y utilizar vocabulario, símbolos y formas de expresión apropiadas.
7. Actuar con autonomía, confianza y seguridad al inspeccionar, manipular e intervenir en máquinas,
sistemas y procesos técnicos para comprender su funcionamiento.
8. Adquirir las destrezas necesarias para mejorar la capacidad lectora y la expresión oral a partir de los
textos utilizados en la materia.
B.2.4. Objetivos derivados de las señas de identidad del Centro.
Según el Proyecto Educativo del Centro, las señas de identidad del mismo, no desarrolladas en ese
documento pero accesibles desde su página web, serán valores desarrollados en el alumnado: A) La
neutralidad B) Pluralismo C) Libertad D) Tolerancia y dignidad E) Igualdad F) Capacidades y hábitos
y G) Paz y solidaridad.
B.2.5. Objetivos específicos del Departamento de Tecnología.
Como Objetivos específicos del Departamento de Tecnología, marcados para esta asignatura en el
curso 2014 – 2015, estarían:
1. Comprender e interpretar las diferentes aleaciones, así como las diferentes fases que se forman.
2. Estudiar y analizar los diferentes esfuerzos mecánicos así como sus métodos o ensayos de
medida.
3. Interpretar la importancia de los tratamientos de los materiales para cambiar sus propiedades y
saber elegir el mejor tratamiento según necesidades posteriores.
4. Conocer las diferentes técnicas de recuperación de materiales reciclables así como la
importancia sobre el medio ambiente.
5. Distinguir entre las máquinas térmicas, generadores de energía mecánica y los consumidores de
la misma.
6. Comprender las leyes físicas sobre las que se sustentan los diferentes motores térmicos.
7. Conocer la importancia y analizar el funcionamiento de los motores eléctricos en el mundo
actual.
8. Saber diseñar circuitos neumáticos y oleohidráulicos para pequeñas aplicaciones industriales.
9. Identificar los sistemas de regulación automática en diversos sectores industriales.
23
10. Comprender el funcionamiento cualitativo de los sistemas de control y calcular procesos de
estabilidad sencillos.
11. Analizar las partes que forman un sistema de control de lazo cerrado.
12. Conocer la importancia de los sistemas de control digitales frente a los analógicos.
13. Diseñar y analizar sistemas electrónicos digitales con lógica combinacional y secuencial.
14. Distinguir entre la lógica cableada y programada.
15. Comprender los sistemas de desarrollo basados en microprocesador, microcontrolador y
autómatas programables.
16. Aprender el uso del ordenador para poder realizar su estudio particular y aplicaciones de
software para la regulación y control de sistemas automáticos.
B.3. COMPETENCIAS CLAVE.
Las competencias, son las capacidades para aplicar de forma integrada los contenidos propios de cada
enseñanza y etapa educativa, con el fin de lograr la realización adecuada de actividades y la resolución
eficaz de problemas complejos.
Las competencias clave deben de desarrollarse por el alumnado durante la Educación Primaria y
alcanzarse en la Educación Secundaria Obligatoria, por lo que únicamente sería necesario programar en
competencias estas etapas educativas.
Ahora bien, las competencias clave también están presentes a lo largo de toda nuestra vida, por lo que
en el Bachillerato se consolidan y amplían.
Al integrar las competencias en la Programación, buscamos que el alumnado, además de “saber”, debe
saber aplicar los conocimientos en un contexto real, comprender lo aprendido y tener la capacidad de
integrar los distintos aprendizajes, ponerlos en relación y utilizarlos de manera práctica.
Según el Artículo 2 de la Orden ECD/65/2015, de 21 de enero,” por la que se describen las relaciones
entre las competencias, los contenidos y los criterios de evaluación de la educación primaria, la educación
secundaria obligatoria y el bachillerato”, las competencias clave en el Sistema Educativo Español, son:
a) Comunicación lingüística.
b) Competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología.
c) Competencia digital.
d) Aprender a aprender.
e) Competencias sociales y cívicas.
f) Sentido de iniciativa y espíritu emprendedor.
g) Conciencia y expresiones culturales.
En el Anexo I, de la Orden ECD/65/2015, se describen estas competencias.
24
B.3.1. Contribución de la materia para la adquisición de las competencias básicas.
En este trabajo solamente se desarrolla la Unidad Didáctica 9 de la programación. En ella se referirán
las competencias clave tratadas con respecto a actividades concretas.
A continuación, un resumen de habilidades intrínsecas a las competencias clave, del que se podría
echar mano para desarrollar competencias en el resto de unidades didácticas.
B.3.2. Resumen de habilidades intrínsecas a las competencias clave.
1º Comunicación lingüística.
1 Utilización del lenguaje como instrumento:
 De comunicación oral y escrita.
 De representación, interpretación y comprensión de la realidad.
 De construcción y comunicación del conocimiento.
 De organización y autorregulación del pensamiento, las emociones y la conducta.
2 Generar ideas y estructurar el conocimiento.
 Dar coherencia y cohesión al discurso y a las propias acciones y tareas.
 Adoptar decisiones.
3 Capacidad efectiva de convivir y resolver conflictos.
4 Escuchar, exponer y dialogar.
5 Comprender y saber comunicar.
 Buscar, recopilar y procesar información.
 Ser competente a la hora de comprender.
 Componer y utilizar distintos tipos de textos para comunicar.
6 Capacidad para empatizar aceptar y realizar críticas con espíritu constructivo.
7 Comunicarse en lengua extranjera.
2º Competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología.
1 Utilizar y relacionar.
 Los números, sus operaciones básicas,
 Los símbolos y las formas de expresión y razonamiento matemático.
2 Interpretar y expresar con claridad y precisión.
 Informaciones, datos y argumentaciones.
3 Habilidad para
 Seguir determinados procesos de pensamiento como la inducción y la deducción.
 Aplicar algoritmos de cálculo.
4 Aplicación
 Estrategias de resolución de problemas.
 Selección de las técnicas adecuadas para calcular, representar e interpretar la
realidad.
5 Utilizar los elementos y razonamientos matemáticos para:
 Interpretar y producir información.
 Resolver problemas provenientes de situaciones cotidianas.
 Tomar decisiones.
25
6
7
Comprensión de sucesos y predicción de consecuencias.
Autonomía e iniciativa personal en ámbitos de la vida y del conocimiento.
 Salud, actividad productiva, consumo, ciencia, procesos tecnológicos.
8 Habilidad para interactuar con el espacio circundante:
 Moverse en él y resolver problemas en los que intervengan los objetos y su
posición.
 Demostrar espíritu crítico en la observación de la realidad.
9 Habilidades para:
 Identificar y plantear problemas relevantes.
 Realizar observaciones directas e indirectas.
 Formular preguntas.
 Localizar, obtener, analizar y representar información cualitativa y cuantitativa.
 Plantear y contrastar soluciones tentativas o hipótesis.
10 Habilidades para planificación y manejo de soluc. técnicas, siguiendo criterios de economía
y eficacia.
3º Competencia digital (y de tratamiento de la información)
1 Esta competencia consiste en disponer de habilidades para:
 Buscar, obtener, procesar y comunicar información.
 Transformar la información en conocimiento.
2 Destrezas de razonamiento para
 Organizar la información, relacionarla, analizarla, sintetizarla y hacer inferencias y
deducciones.
3 Ser competente en la utilización de las tecnologías de la información y la comunicación.
 Transmisión y generación de la información.
 Resolver problemas reales.
 Tomar decisiones.
 Trabajar en entornos colaborativos.
 Generar producciones responsables y creativas.
4 Actitud crítica y reflexiva en la valoración de la información disponible.
4º Aprender a aprender.
1 Habilidades para:
 Iniciarse en el aprendizaje y continuar aprendiendo.
 Aprender de forma eficaz y autónoma.
2 Sentimiento de competencia personal.
 Mayor motivación.
 Mayor confianza en uno mismo.
 Gusto por aprender.
3 Desarrollar.
 La atención, la memoria, la concentración y la comprensión lingüística.
 La capacidad para plantearse preguntas y manejar diferentes respuestas.
4 Habilidades para.
 Obtener información y transformarla en conocimiento propio.
 Perseverar en el aprendizaje.
26


Autoevaluarse.
Pensar de forma estratégica.
5º Competencias sociales y cívicas.
1 Comprender realidad social, cooperar, convivir y ejercer la ciudadanía democrática.
Habilidades para.
 Comprender la realidad histórica y social del mundo.
 Conciencia de la existencia de distintas perspectivas al analizar esa realidad.
 Realizar razonamientos críticos y lógicamente válidos sobre situaciones reales.
2 Dialogar para mejorar colectivamente la comprensión de la realidad.
Habilidades para.
 Resolver los conflictos de valores e intereses con actitud constructiva.
 Toma de decisiones con autonomía.
3 Saber comunicarse en distintos contextos.
 Expresar las propias ideas.
 Escuchar las ajenas.
 Ser capaz de ponerse en el lugar del otro y comprender su punto de vista.
6º Sentido de iniciativa y espíritu emprendedor.
1 Adquisición de la conciencia y aplicación de un conjunto de valores y actitudes personales:
autoestima, autocrítica, control emocional, cálculo de riesgos,...
Habilidades para
 Transformar las ideas en acciones.
 Conciencia de la existencia de distintas perspectivas al analizar esa realidad.
 Realizar razonamientos críticos y lógicamente válidos sobre situaciones reales.
 Imaginar un producto.
 Analizar posibilidades y limitaciones.
 Planificar, tomar decisiones, evaluar lo hecho, autoevaluarse, extraer conclusiones,
valorar posibilidades de mejora.
2 Fomenta la actitud positiva frente al cambio y la innovación.
Habilidades sociales para:
 Relacionarse, cooperar y trabajar en equipo.
 El liderazgo, el espíritu de superación, la organización del tiempo y tareas.
7º Conciencia y expresiones culturales.
1 Habilidades para
 Favorecer el pensamiento divergente y convergente.
 Reelaborar ideas y sentimientos propios y ajenos.
 Planificar, evaluar y ajustar los procedimientos para alcanzar unos resultados.
2 Poner en funcionamiento la iniciativa, la imaginación y la creatividad.
3 Conocimiento básico de las técnicas y recursos de los lenguajes artísticos.
4 Apostar por el trabajo colaborativo, la actitud abierta, respetuosa y crítica hacia la
diversidad de expresiones artísticas.
5 Favorecer la realización de experiencias artísticas compartidas.
27
B.4. CONTENIDOS.
Los contenidos son el conjunto de conocimientos, habilidades, destrezas y actitudes que contribuyen al
logro de los objetivos de cada enseñanza y etapa educativa y a la adquisición de las competencias clave.
Los contenidos se ordenan en asignaturas, que se clasifican en materias y ámbitos, en función de las
etapas educativas o los programas en que participe el alumnado.
Según el Anexo I, del Decreto 45/2008, de 27 de junio, por el que se establece el currículo de
bachillerato de la Comunidad Autónoma de La Rioja, los Contenidos de toda programación didáctica
para la materia de Tecnología Industrial II, se articulan en los siguientes bloques:
Bloque 1. Materiales.

Estructura interna. Técnicas de modificación de las propiedades de los materiales.

Procedimientos de ensayo y medida de propiedades.

Oxidación y corrosión. Tratamientos superficiales.

Procedimientos de reciclaje. Importancia social, económica y medio ambiental. Su incidencia
en La Rioja.

Normas de precaución y seguridad en su manejo.
Bloque 2. Principios de máquinas.

Conceptos fundamentales: Energía útil. Potencia de una máquina. Par motor en el eje.
Pérdidas de energía en las máquinas. Eficiencia energética y rendimiento.

Motores eléctricos: descripción, funcionamiento, tipos y aplicaciones.

Motores térmicos: motores alternativos y rotativos, descripción, funcionamiento, tipos y
aplicaciones. Incidencia medioambiental de su funcionamiento.

Circuito frigorífico y bomba de calor: descripción, funcionamiento, elementos, fluidos
frigorígenos y aplicaciones. Parámetros característicos.
Bloque 3. Sistemas automáticos.
28

Estructura de un sistema automático.

Tipos de sistemas de control: sistemas de lazo abierto y lazo cerrado.

Sistemas realimentados de control. Nomenclatura.

Modelo matemático. Función de transferencia. Simplificación de diagramas de bloques.

Descripción de los elementos que componen un sistema de control: sensores, transductores y

Captadores, comparadores, reguladores y actuadores.

Experimentación en simuladores de circuitos sencillos de control.
Bloque 4. Circuitos neumáticos y oleohidráulicos.

Neumática e hidráulica. Fundamentos físicos.

Técnicas de producción, conducción y depuración del aire comprimido y de fluidos
hidráulicos.

Elementos de accionamiento: De trabajo y de regulación y control.

Circuitos característicos de aplicación. Normativa.
Bloque 5. Control y programación de sistemas automáticos.

Sistemas analógicos y digitales. Circuitos digitales. Álgebra de Boole. Puertas y funciones
lógicas.

Procedimientos de simplificación de circuitos lógicos. Aplicación al control del funcionamiento
de un dispositivo.

Circuitos lógicos combinacionales.

Circuitos lógicos secuenciales. Biestables.

Circuitos de control programado. Programación rígida
microprocesador y el autómata programable.
29
y flexible.
Descripción del
B.4.1. Unidades Didácticas.
Para la realización de esta Programación Didáctica, se han dividido los contenidos, en las siguientes
Unidades Didácticas:
Bloque 1. Materiales
Unidad 1: Estructura atómica y cristalina de los materiales. Propiedades mecánicas. Ensayos.
Unidad 2: Materiales: Aleaciones y diagramas de fases.
Unidad 3: Tratamientos de los materiales. Oxidación y corrosión
Unidad 4: Materiales no férreos.
Bloque 2. Principios de máquinas
Unidad 5: Motores térmicos. Funcionamiento, clasificación y aplicaciones.
Unidad 6: Circuito frigorífico y bombas de calor.
Unidad 7: Motores eléctricos de corriente continua.
Unidad 8: Motores eléctricos de corriente alterna.
Bloque 3. Sistemas automáticos
Unidad 13: Sistemas Automáticos de Control.
Unidad 14: Componentes de un sistema de control (primera parte).
Unidad 15: Componentes de un sistema de control (segunda parte).
Bloque 4. Circuitos neumáticos y oleohidráulicos.
Unidad 9: Neumática e hidráulica. Fundamentos físicos.
Unidad 10: Técnicas de producción, conducción y depuración del aire comprimido y de fluidos
hidráulicos.
Unidad 11: Elementos de accionamiento: De trabajo y de regulación y control.
Unidad 12: Circuitos característicos de aplicación. Normativa.
Bloque 5. Control y programación de sistemas automáticos
Unidad 16: Sistemas digitales combinacionales.
Unidad 17: Sistemas digitales secuenciales
30
B.5. TEMPORALIZACIÓN.
B.5.1. Calendario Escolar.
El calendario escolar viene establecido por el calendario laboral oficial y por la Resolución número
1063, de 26 de marzo de 2014 (BOR de 9 de abril). Este es el calendario general, para todos los centros
docentes no universitarios de La Rioja, sostenidos con fondos públicos. Debe completarse con 7 días de
fiesta de carácter local, idénticos en todos los centros de cada localidad.
Tabla 1. Calendario oficial para la C.A. de La Rioja. BOR del 9 de abril de 2014.
31
Las actividades escolares se desarrollan entre el día 11 de septiembre de 2014 y el día 2 de Junio de 2015,
con excepción de las correspondientes vacaciones y días festivos.
1ª EVALUACIÓN
SEPTEMBRE
OCTUBRE
L
M
J
L
M
1
2
4
6
7
8
9
11
13
14
15
16
18
20
21
22
23
25
27
28
29
30
2ª EVALUACIÓN
DICIEMBRE
ENERO
L
M
J
L
M
1
2
4
5
6
8
9
11
12
13
15
16
18
19
20
22
23
25
26
27
3ª EVALUACIÓN
MARZO
ABRIL
L
M
J
L
M
2
3
5
6
7
9
10
12
13
14
16
17
19
20
21
23
24
26
27
28
30
31
J
9
16
23
30
NOVIEMBRE
L
M
J
3
4
6
10
11
13
17
18
20
24
25
27
J
8
15
22
29
FEBRERO
L
M
2
3
9
10
16
17
23
24
J
9
16
23
30
MAYO
L
M
4
5
11
12
18
19
25
26
J
5
12
19
26
J
7
14
21
28
SELECTIVIDAD
JUNIO
L
M
J
1
2
4
8
9
11
15
16
18
22
23
25
Tablas 2. Calendario de la asignatura de Tecnología Industrial II. (En verde, días de clase. En rojo,
días de evaluaciones parciales y finales. En rosa, días festivos)
Vacaciones escolares y días festivos:

Navidad: del 22 de diciembre de 2014 al 7 de enero de 2015, ambos inclusive.

Semana Santa: del 2 de abril de 2015 al 10 de abril de 2015, ambos inclusive.
Están considerados como días festivos para el curso académico 2014/2015 los siguientes:
32

1 de noviembre de 2014: Todos los Santos.

de diciembre de 2014: Día de la Constitución Española.

de diciembre de 2014: Inmaculada Concepción.

20 de febrero de 2015: Día de la Comunidad Educativa.

1 de mayo de 2015: Fiesta del Trabajo.
Específicamente en Logroño, se consideran días festivos:

San Mateo, del 22 al 26 de septiembre de 2014, ambos inclusive.

San Bernabé, los días 10 y 11 de junio de 2015.
B.5.2. Temporalización de contenidos.
Para Tecnología Industrial II, se disponen de 3 sesiones a la semana de 50 minutos. Las sesiones son,
los lunes de 9:00 a 9:50, los martes 10:00 a 10:50 y los jueves 13:00 a 13:50.
1ª EVALUACIÓN
SEPTEMBRE
OCTUBRE
L
M
J
L
M
B1
B1
11
B1
B1
B1 B1 B1 20
B2
B2
B2
B1 B1
2ª EVALUACIÓN
DICIEMBRE
ENERO
L
M
J
L
M
4
B3 B3 B3
B3
B3 B3 B3 B3
B3
B3
B3
3ª EVALUACIÓN
MARZO
ABRIL
L
M
J
L
M
B5
B5 B5 B5 B4
B4
B5 B5 B5 B4
B4
B5 B5 B5 B4
B4
B5 B5
J
B1
B1
B2
B2
NOVIEMBRE
L
M
B2
B2
B2
B2
B2
B2
B2
25
J
B2
B2
B2
J
B3
B3
B3
B3
FEBRERO
L
M
B3
B3
B5
B5
B5
B5
B5
B5
J
5
B5
B5
J
B4
B4
B4
MAYO
L
M
B4
B4
B4
REP
REP
J
B4
SELECTIVIDAD
JUNIO
L
M
J
REP REP
REP
REP
Tablas 3. Temporalización de Tecnología Industrial II, dividida en bloques de contenidos.
33
A continuación, una tabla Excel con el cómputo de Sesiones por Unidad Didáctica.
El número de horas lectivas dedicada a cada Unidad Didáctica, es orientativo y puede sufrir ajustes no
sustanciales.
TERCERA
EVALUACIÓN
SEGUNDA
EVALUACIÓN
PRIMERA EVALUACIÓN
TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II. BACHILLERATO
Sesiones
Bloque 1
Unidad 1: Estructura at. y cristalina de materiales. Prop. Mec.. Ensayos. 3
Bloque 1
Unidad 2: Materiales: Aleaciones y diagramas de fases.
3
Bloque 1
Unidad 3: Tratamientos de los materiales. Oxidación y corrosión
3
Bloque 1
Unidad 4: Materiales no férreos.
3
Bloque 2.
Unidad 5: Motores térmicos. Funcionamiento, clasific. y aplicaciones.
4
Bloque 2.
Unidad 6: Circuito frigorífico y bombas de calor.
4
Bloque 2.
Unidad 7: Motores eléctricos de corriente continua.
4
Bloque 2.
Unidad 8: Motores eléctricos de corriente alterna.
4
Bloque 1
EXÁMEN 1ª EVALUACIÓN
1
Bloque 1
Unidad 13: Sistemas Automáticos de Control.
6
Bloque 1
Unidad 14: Componentes de un sistema de control (1ª parte).
6
Bloque 1
Unidad 15: Componentes de un sistema de control (2ª parte).
6
Bloque 2.
Unidad 16: Sistemas digitales combinacionales.
9
Bloque 2.
EXÁMEN 2ª EVALUACIÓN
1
Bloque 2.
Unidad 17: Sistemas digitales secuenciales (y previsión por atrasos)
12
Bloque 4.
Bloque 4.
Unidad 9: Neumática e hidráulica. Fundamentos físicos.
3
Unidad 10: Técnicas de prod.,cond. y dep. del aire comp. y de fluidos
hidráu.
3
Bloque 4.
Unidad 11: Elementos de accionam. De trabajo y de regulac. y control.
4
Bloque 4.
Unidad 12: Circuitos característicos de aplicación. Normativa.
3
EXÁMEN 3ª EVALUACIÓN
1
DÍAS DE REPASO. EXÁMEN FINAL Y DE RECUPERACIONES
TOTAL SESIONES
7
90
Tabla 4. Temporalización de Tecnología Industrial II. Cómputo de Sesiones por Unidad Didáctica.
34
B.6. METODOLOGÍA.
La metodología didáctica es el conjunto de estrategias, procedimientos y acciones organizadas y
planificadas por el profesorado, de manera consciente y reflexiva, con la finalidad de posibilitar el
aprendizaje del alumnado y el logro de los objetivos planteados.
B.6.1. Principios de intervención educativa:
En la práctica, el método didáctico se traduce en actividades de enseñanza aprendizaje, basadas en los
siguientes principios:
1. Partir del nivel y experiencias del alumnado, buscando los conocimientos aplicables.
2. Asegurar la construcción de aprendizajes significativos, con dificultades graduales.
3. Propiciar una intensa actividad por parte del alumno, haciéndole ver que aprende haciendo.
4. Procurar la interactividad educativa entre profesorado y alumnado, buscando la cooperación en el
aula e intercambio de información y experiencias. (feedback)
Las actividades, por tanto, se desarrollarán a lo largo de una secuencia evolutiva y continua en la que
participan las experiencias previas del alumno y las pretensiones del profesor.
B.6.2. Distintos tipos de actividades a lo largo del proceso de enseñanza – aprendizaje.
Distinguiremos las siguientes en orden a sus características y aparición:
B.6.2.1. Actividades de exploración inicial.
Destinadas a conocer el nivel de partida del alumno, para conocer dónde y qué nos encontramos en el
aula. Desde el aprendizaje constructivo, esta apartado será fundamental para conocer hasta dónde
podemos llegar. Al inicio de cada Unidad Didáctica se podrá realizar un test para conocer la formación
tecnológica anterior del alumnado.
B.6.2.2. Actividades iniciales o de motivación.
Introductorias a la Unidad Didáctica correspondiente, deberán crear el ambiente adecuado para iniciar
el proceso de la enseñanza. El alumno deberá ver una utilidad práctica y real de lo que va a aprender. Se
podrán realizar lecturas extraídas de un libro de texto. También pueden proyectarse vídeos, pero, sobre
todo, se realizarán actividades prácticas. Se intentarán establecer pequeños debates.
B.6.2.3. Actividades de desarrollo, identificación o reconocimiento.
Destinadas a la construcción de aprendizajes significativos, con ellas se manifiesta el proceso de
aprendizaje de los contenidos globales propuestos. Como las anteriores, el ámbito de su realización será
el aula, elaboradas por los alumnos y corregidas con ellos. Aunque la realización de actividades puede ser
35
muy variada: Trabajos prácticos, exposición y debate de los mismos, resolución de problemas, juegos de
simulación, búsqueda de información a través de consultas bibliográficas y encuestas, investigaciones,
etc. se optará por la resolución de problemas.
B.6.2.4. Actividades de refuerzo o ampliación.
Atienden al principio de diversidad del alumnado, elaboradas para grupos específicos de alumnos que
presenten problemas de adquisición de determinados contenidos o, por el contrario, muestren una gran
facilidad en la adquisición de los mismos.
B.6.2.5. Actividades de conclusión o evaluación.
Constituyen el epílogo de la evaluación sumativa de los contenidos y proporcionan información sobre
el grado de adquisición de los objetivos didácticos. Se afianzarán los conocimientos adquiridos mediante
actividades de aplicación, debates sobre noticias de prensa, trabajos individuales, etc.
B.6.2.6. Actividades de recuperación.
Se realizan con los alumnos que no han alcanzado los objetivos programados.
B.6.3. Decisiones excluyentes tomadas sobre la metodología para Tecnología Industrial II.
Sin perder de vista la P.A.U. y la motivación extra que esta prueba supone para los alumnos de cara a
adquirir los conocimientos pretendidos, en este curso, debido también a la cantidad de contenidos a tratar,
no se tiene previsto utilizar, en principio, los siguientes recursos o técnicas de motivación con los
alumnos para que éstos alcancen sus objetivos:

Utilización del aula – taller.

Trabajos de investigación o de búsqueda de información.

Debates o exposición de trabajos al resto de compañeros.

PBL, Proyectos o actividades de análisis completo de un objeto.

Trabajos en equipo fuera del horario de clase.

Trabajos con software.

Comunicaciones con el profesor – alumno de forma on-line.

Dinámicas de trabajo en grupo más allá de, la resolución de ejercicios en clase o la
corrección de exámenes.
Aunque estas técnicas sí se aplicarán en el Proyecto de Innovación, en el que está implicada esta
asignatura, y cuya participación es de carácter voluntario para los alumnos de 2º de Bachillerato. (El
trabajo de innovación comprende el tercer punto del TFM)
36
B.6.4. Metodología finalmente elegida.
Visto lo anterios, para dentro de las aulas y para este curso, la resolución de problemas es la
estrategia de aprendizaje que más en consonancia está con el método constructivista. El procedimiento
que se seguirá, será el siguiente:
B.6.4.1. Planteamiento del problema.
Se partirá de una propuesta del profesor o basada en el entorno, o que active la curiosidad y el interés
del alumno por el contenido del tema que se va a tratar o de la tarea que se va a realizar. Se intentarán
seleccionar ejemplos familiares a los alumnos, con sus experiencias, con sus conocimientos previos o con
sus valores.
Se acotará el problema con el fin de que esté delimitado y se interiorice.
Su resolución se marcará como un objetivo más de la Unidad Didáctica.
Se predispondrá al alumno, en definitiva, para el cumplimiento de los contenidos actitudinales.
B.6.4.2. Conocimientos previos.
El profesor repasará y tanteará los conocimientos previos de los alumnos necesarios para la resolución
del problema.
B.6.4.3. Explicación de contenidos.
El profesor aprovechará para introducir al alumno en los nuevos contenidos y procedimentales
necesarios para la resolución del problema, recurriendo a distintas fuentes de información y haciendo ver
al alumno/a los nuevos conocimientos y destrezas necesarios con el fin de elegir la solución viable.
B.6.4.4. Planificación y ejecución.
Se dejará tiempo al alumno para que resuelva el problema en distintas fases del mismo para después
pasar a hacerlo el profesor. El alumno/a no tiene sólo que prestar atención a cómo se resuelve; Tiene que
adquirir la destreza para resolverlo de una manera ágil.
B.6.4.5. Evaluación de la solución.
Se analizarán los posibles errores en los que podamos incurrir en la resolución del problema.
B.6.4.6. Presentación de la solución.
Se resolverá el problema hasta el final o se presentará la solución para su resolución por parte del
alumno como trabajo para casa.
Se le hará ver al alumno que “No sólo hay que ser,… sino parecer, …saber …y saber hacer”, por lo
que una buena presentación, el orden y la limpieza, son importantes.
37
B.7. ATENCIÓN A LA DIVERSIDAD DEL ALUMNADO.
La Orden 6/2014, obliga a la elaboración de un Plan de Atención a la Diversidad en los centros
docentes.
Resumo el del Instituto Tomás Mingot, en lo referente al grupo de Tecnología Industrial II, con
apuntes y comentarios al mismo en cursiva:
B.7.1. La Atención a la diversidad.
Entendemos por atención a la diversidad es el conjunto de propuestas curriculares y
organizativas que intentan dar respuesta a las necesidades educativas , temporales o permanentes
de los alumnos del Centro y, entre ellos, a los que requieren una actuación específica derivada de
factores personales o sociales relacionados con situaciones de desventaja sociocultural,
de altas capacidades, de compensación lingüística, comunicación y del lenguaje o de
discapacidad física, psíquica, sensorial o con trastornos graves de personalidad,
de conducta o del desarrollo. *
* (En este grupo de Tecnología Industrial II, tan sólo hay que prestar atención a alumnos con
altas capacidades intelectuales y a alumnos repetidores provenientes de otros Institutos, por eso se
han tachado los demás factores.)
B.7.2. Objetivos del Plan de Atención a la Diversidad.
1. Promover una atención más ajustada a las posibilidades de cada alumno/a.
2. Dar respuesta a las necesidades del conjunto del alumnado del Centro.
3. Asegurar un tratamiento equilibrado de los tres tipos de contenidos: , procedimentales y
actitudinales.
4. Superar una forma de actuar basada en que es el alumno el que tiene el problema para
sustituirlo por un modelo educativo que se centra en las ayudas que los alumnos van a necesitar
para progresar en su aprendizaje.
5. Adquirir, por parte de todos, una actitud de respeto por la diversidad de opiniones,
motivaciones, intereses,…
6. Favorecer la cooperación entre el profesorado y las familias, fomentando la implicación de
éstas en el proceso educativo de sus hijos e hijas.
7. Que los alumnos adquieran hábitos de estudio y esfuerzo como base para su progreso personal
e intelectual.
8. Contribuir al desarrollo de las competencias básicas iniciadas en la etapa anterior.
38
B.7.3. Medidas propuestas para conseguir los objetivos establecidos.
B.7.3.1 Medidas Ordinarias.
Son las actuaciones organizativas o de adecuación curricular no significativa dirigidas a
prevenir, compensar y facilitar la superación de dificultades. Su finalidad es que todos los
alumnos alcancen las capacidades establecidas en los objetivos generales de curso o de etapa.
(Estas medidas se concretan en 8 programas, pero ninguno es de aplicación para los alumnos
de Tecnología Industrial II).
B.7.3.2 Medidas Específicas.
Son las actuaciones dirigidas a dar respuesta a las necesidades educativas que requieren cambios
organizativos y modificaciones curriculares significativas.
-
Programa para alumnos con necesidades educativas específicas asociadas a altas capacidades
o sobredotación intelectual.
Aunque hay alumnos con altas capacidades intelectuales en la clase, este programa no se aplica
a los alumnos de Tecnología Industrial II, perfectamente integrados con el resto de sus
compañeros, con una actitud catalizadora en las clases y a los que se les hará ver para este
curso, simplemente que:
1) Pueden participar de manera voluntaria en un Proyecto de Innovación Educativa, en el que
está inmerso este departamento. (Y que se desarrolla en la última parte de este trabajo).
2) La P.A.U. tiene un tipo de preguntas que, aunque parezcan en un principio asequibles a todo
el mundo, dejan la puerta abierta a un desarrollo infinito de las mismas, con el único
condicionante del tiempo para resolverlas y que suele ser más del que se deja en los
exámenes de esta asignatura.
Por comprobar y dejar esta programación flexible para cambios de criterio, se puede ver que el
Programa (5.10 del P.E.C.), no es de aplicación para los alumnos de esta asignatura, aunque,
por otra parte, el Proyecto de Innovación desarrollado en la tercera parte sí que ayuda a
desarrollar parte del potencial de estos alumnos.
B.7.3.3. Programa para ACNEES asociados a Altas Capacidades y Sobredotación
intelectual. (Programa 5.10. del P.E.C.)
B.7.3.3.1. Objetivos
1. Potenciar al máximo sus capacidades
2. Ajustar el currículum a sus posibilidades
3. Favorecer que sean capaces de aprender a aprender, lo que implica que:
 adquieran habilidades para buscar información
39
 aprendan los principios de la investigación
 desarrollen un aprendizaje autónomo
4. Insistir en la enseñanza de los procedimientos y estrategias de búsqueda que les
faciliten en aprendizaje.
5. Favorecer el establecimiento de relaciones sociales
6. Suscitarles interrogantes, procurar el equilibrio entre sus reacciones sociales y
emocionales.
B.7.3.3.2. Respuesta educativa
a) Detectar a estos alumnos e identificar sus necesidades
b) Comparar la información recogida con las programaciones de cada una de las áreas, para
determinar si la programación responde o no a los objetivos a conseguir con estos
alumnos.
c) Evaluación psicopedagógica
d) Respuesta educativa y curricular:
- Flexibilizar el periodo de escolarización.
- Adaptación curricular de ampliación.
B.7.3.4 Medidas Extraordinarias.
Dirigidas a dar respuesta a las necesidades extraordinarias de la diversidad del alumnado mediante
modificaciones esenciales en el ámbito organizativo y/o en los elementos esenciales del currículo.
Un programa posible de aplicación en este punto, podría ser:
-
Alumnado en situación de absentismo escolar.
Ya que, dada la dificultad de este curso en sí mimo, se ha dado alguna vez la circunstancia de que
algún alumno empieza a faltar a las clases de todas las asignaturas a mitad de año. Cuando se da
cuenta de que la opción elegida de cursar 2º de Bachiller no ha sido la más correcta para su futuro.
B.7.3.5. Principios generales de la atención a la diversidad.
Estos principios se tendrán en cuenta para los alumnos repetidores provenientes de otros
Institutos, para los que tampoco hace falta la redacción de ningún Plan Específico.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
40
Favorecer la integración escolar y la inclusión social.
Tener en cuenta la organización del Centro.
Inmersión en el currículo.
Reflexión conjunta y colaboración entre el profesorado.
Cooperación entre profesorado y familia.
Apertura del Instituto al entorno y el uso de recursos sociales de la Comunidad.
B.8. TEMAS TRANSVERSALES.
B.8.0. Marco teórico.
Según la LOMCE, que para 2º de Bachillerato no tiene previsto implantarse hasta el curso 2016 – 2017, la
designación “temas transversales” estará en desuso y será sustituida por “tratamiento transversal de la
educación en valores” (Art. 121 de la LOE-LOMCE) o “elementos transversales” (art. 10 del Real Decreto
126/2014).
Desde esta Programación Didáctica se hace referencia a los articulados en el Plan Educativo del Centro.
Salvo un nuevo valor de la LOMCE, “el espíritu emprendedor”, los demás ya fueron expuestos en la
LOGSE y se podrían resumir para las asignaturas tecnológicas de la siguiente manera:
Para el fomento de estos valores y el interés por la lectura y la capacidad para expresarse correctamente,
(objetivos comunes al Proyecto de Innovación que se desarrolla en el último apartado), cada alumno/a podrá
realizar un Blog a imagen y semejanza del realizado por el departamento, con contenidos que incluyan los
temas transversales propuestos en las unidades didácticas.
En el blog del departamento, por ejemplo, se desarrollarán los siguientes temas transversales y se dejarán
enlaces de vídeos a la página web www.ted.com:
B.8.1. Educación del consumidor:
Materiales: Calificación de materiales estudiados por su precio en el mercado.
Contenidos en internet: El problema de la piratería en la informática.
https://www.ted.com/talks/andy_yen_think_your_email_s_private_think_again
B.8.2. Educación ambiental:
Materiales: Nuestras antiguas acerías. Espacios regenerados para el disfrute de todos.
Motores térmicos vs eléctricos. Cuáles contaminan menos.
La importancia de los avances tecnológicos en el impacto ambiental.
El reciclado de materiales.
https://www.ted.com/talks/topher_white_what_can_save_the_rainforest_your_used_cell_phone
B.8.3. Educación para la salud:
Motores eléctricos: Medidas de prevención de riesgos laborales.
Desarrollando hábitos saludables durante el estudio.
http://www.ted.com/talks/eric_topol_the_wireless_future_of_medicine
41
B.8.4. Educación moral y cívica.
Circuitos neumáticos – hidráulicos: Plataformas colaborativas en internet con contenidos de
Tecnología.
Pensando en la posibilidad de utilización de la tecnología explicada en los países en vías de
desarrollo.
https://www.ted.com/talks/rebecca_saxe_how_brains_make_moral_judgments
B.8.5. Educación para la paz.
La tecnología como vehículo de comunicación para la tolerancia y la convivencia.
El trabajo en equipo como forma de trabajar en Tecnología en un clima de cooperación y tolerancia
para aceptar las ideas
https://www.ted.com/talks/vijay_kumar_robots_that_fly_and_cooperate
B.9. EVALUACIÓN.
B.9.1. Criterios para evaluar.
Los criterios de evaluación son el referente específico para evaluar el aprendizaje del alumnado.
Describen aquello que se quiere valorar y que el alumnado debe lograr, tanto en conocimientos como en
competencias, respondiendo a lo que se pretende conseguir en cada asignatura.
Según el Decreto 45/2008, de 27 de junio, por el que se establece el currículo de bachillerato de la C.
A. de La Rioja, los criterios de Evaluación específicos para la asignatura de Tecnología Industrial II de
Bachillerato son:
1. Seleccionar materiales para una aplicación práctica determinada, considerando sus propiedades
intrínsecas y factores técnicos relacionados con su estructura interna. Analizar el uso de los nuevos
materiales como alternativa a los empleados tradicionalmente.
Se trata de comprobar si se saben aplicar los conceptos relativos a las técnicas de ensayo y medida
de
propiedades, para elegir el material idóneo en una aplicación real, valorando críticamente los
efectos que conlleva el empleo del material seleccionado.
2. Determinar las condiciones nominales de una máquina o instalación a partir de sus características de
uso.
Con este criterio se puede establecer la capacidad para identificar los parámetros principales del
funcionamiento de un producto técnico o instalación, en régimen normal, comparando su
funcionamiento.
3. Identificar las partes de motores térmicos y eléctricos y describir su principio de funcionamiento.
42
Se pretende comprobar si se aplican los conceptos básicos de la termodinámica y electrotecnia en la
determinación de los parámetros que definen el uso de los motores térmicos y eléctricos, analizando
la función de cada componente en el funcionamiento global de la máquina.
4. Analizar la composición de una máquina o sistema automático de uso común e identificar los
elementos de mando, control y potencia. Explicar la función que corresponde a cada uno de ellos.
Se trata de comprobar si se identifican, en un automatismo de uso habitual, los elementos
responsables de su funcionamiento y en su caso, la programación del mismo.
5. Aplicar los recursos gráficos y técnicos apropiados a la descripción de la composición y
funcionamiento de una máquina, circuito o sistema tecnológico concreto.
6.Con este criterio se quiere valorar en qué medida se utiliza el vocabulario adecuado, los
conocimientos
adquiridos sobre simbología y representación normalizada de circuitos, la
organización esquemática de ideas, las relaciones entre elementos y secuencias de efectos en un
sistema.
7. Montar un circuito eléctrico o neumático a partir del plano o esquemas de una aplicación
característica.
Se pretende verificar que se es capaz de interpretar el plano de una instalación, reconocer el
significado de sus símbolos, seleccionar los componentes correspondientes y conectarlos, sobre un
armazón o en un simulador, de acuerdo con las indicaciones del plano, para componer un circuito
que tiene una utilidad determinada.
8. Montar y comprobar un circuito de control de un sistema automático a partir del plano o esquema de
una aplicación característica.
Se evaluará la capacidad de interpretar los esquemas de conexiones de circuitos de control de tipo
electromecánico, electrónico, neumático e hidráulico, seleccionar y conectar de forma adecuada los
componentes y verificar su correcto funcionamiento.
B.9.2. Fases de la evaluación.
La evaluación debe ser continua y se refiere tanto al profesor, al alumno o a la marcha del proceso.
La evaluación continua contempla tres fases en su proceso:
B.9.2.1. Evaluación diagnóstico o inicial.
Es la determinación del nivel previo de capacidades que el alumno tiene que poseer para iniciar un
proceso de aprendizaje. Mediante esta evaluación se determinan las causas fundamentales de las
dificultades en el aprendizaje.
43
B.9.2.2. Evaluación formativa o de procesos.
Es la realimentación o feedback del alumno y del profesor sobre el progreso del alumno durante el
proceso de aprendizaje y la identificación de los problemas más comunes de aprendizaje para
solucionarlos mediante actividades y organizar la recuperación.
B.9.2.3. Evaluación sumativa o final.
Es la que certifica que una etapa determinada del proceso se ha culminado.
Momento
Información buscada
Al comienzo de Situación de los alumnos con
la sesión de respecto al tema
clase
Grado de disposición hacia las
actividades de la sesión
Detectar posibles dificultades que
pueden surgir debido a problemas
externos a la clase
Interés por
Durante
la Nivel de atención
el
tema
sesión de la
clase
Dificultades individuales y en
grupo en el aprendizaje
Con el fin de…
Iniciar la transmisión del mensaje. Recordar
información anterior
Cantidad de información que
llega al alumno y cómo la asimila.
Dudas que pueden surgir
Grado de participación individual
en las actividades tanto de grupo
completo como de grupos de
trabajo
Si los recursos didáctico facilitan
el aprendizaje
Volver a explicar. Ampliar información.
Realizar ejercicios de comprensión. Modificar
el ritmo de presentación de la información
Orientar individualmente
Reestructurar la marcha de la clase
Utilizar elementos motivadores distintos a los
previstos
Solucionarlos flexiblemente
Emplear elementos
motivadores, Hacer
preguntas.
Activar métodos
Utilizar algún tipo de ayudas personales o de
recuperaciones inmediatas
Apoyar con explicaciones
Cambiar los recursos
Final de la Nivel de logro de los objetivos de Reformular los objetivos si es necesario
sesión de clase la clase
Reestructurar la información de la próxima
sesión de trabajo
Procurar la recuperación de aprendizajes no
logrados
Opinión del alumno sobre Revisar metodología
actividades y metodología
Tabla 4. Fases de la evaluación
Por lo tanto, la evaluación debe ser continua, práctica y no debe confundirse con la calificación.
44
B.9.3. Calificación. Criterios.
Los criterios de calificación para los exámenes de 2º de Bachillerato tienen como referente principal el
cumplimiento de los objetivos y la aplicación de los criterios de evaluación antes expuestos, los cuales
están relacionados con los contenidos de cada una de las unidades didácticas.
Pero estando 2º de Bachillerato considerado como una preparación para la P.A.U. o para la Prueba de
Acceso a los ciclos Formativos Superiores de Formación Profesional, se han querido ajustar los criterios
de calificación de esta prueba con los de los exámenes de la asignatura, sin tener en cuenta para la
calificación final, las evaluaciones continuas al alumno, salvo en los criterios de recuperación de la
asignatura.
Por lo tanto, estos son los criterios de Calificación:
B.9.3.0.- NÚMERO DE EXÁMENES EN LA ASIGNATURA.
Tres. Uno por evaluación.
B.9.3.1.-.- DURACIÓN DE LOS EXÁMENES DE EVALUACIÓN.
1:30 horas.
B.9.3.2.- ESTRUCTURA DEL EXÁMEN.



Estará formado por dos opciones, y cada opción contendrá 5 cuestiones para su desarrollo y 2
problemas
El alumno elegirá una sin mezclar preguntas de distintas opciones.
La puntuación que se otorgará a cada pregunta será:
o Cuestión: máximo 1 punto/cuestión
o Problema: máximo 2.5 puntos/problema
B.9.3.3.- CRITERIOS ESPECÍFICOS DE CORRECCIÓN.
Se valorarán positivamente las contestaciones ajustadas a las preguntas propuestas, la coherencia
en la exposición, el rigor conceptual, la correcta utilización de unidades, la incorporación, en su
caso, de figuras o diagramas y el empleo de símbolos normalizados.
Cuando en un problema se precise la utilización de resultados obtenidos en apartados anteriores,
no se tendrá en cuenta la posible incorrección de estos resultados en la calificación de los
posteriores. Es decir, los apartados se valorarán independientemente.
B.9.3.4.- POSIBLES EXIGENCIAS MATERIALES PARA LA REALIZACIÓN DE LA PRUEBA.
Se permitirán útiles de dibujo y calculadora NO programable.
45
B.9.3.5.- ORIENTACIONES PARA LOS PROBLEMAS DE EXÁMEN, DE CADA UNO DE LOS
BLOQUES.
1. Materiales. En los problemas de este bloque, se incidirá especialmente en “diagramas de
equilibrio” y “ensayo de tracción”.
2. Principios de máquinas En los problemas de este bloque, se incidirá especialmente en “motores
eléctricos de corriente continua”, y en “motores térmicos” (par motor, cilindrada,
rendimiento,…).
3. Sistemas automáticos En los problemas de este bloque, se incidirá especialmente en los
problemas de “sistemas combinacionales”.
4. Circuitos neumáticos y oleohidraúlicos. En los problemas relativos a "circuitos neumáticos y
oleohidráulicos" no se plantearán "diagramas de fase".
En los problemas de este bloque se incidirá especialmente en la interpretación de los circuitos
con simbología normalizada, identificación de componentes, funcionamiento del circuito y
cálculos de caudales, presiones y fuerzas.
5. Control y programación de sistemas automáticos. En los problemas de este bloque, se incidirá
especialmente en los relacionados con “sistemas combinacionales”.
B.9.3.6. – CRITERIOS DE RECUPERACIÓN.
En las recuperaciones, se tendrán en cuenta:
· Pruebas objetivas: El 80% o el 100%, de la calificación, lo que sea mejor para el alumno.
(Como medida de apoyo a la lectura, las faltas de ortografía en los exámenes, podrán
descontar como máximo un 15% de la nota). (Todo alumno sorprendido copiando, tendrá
un “0” en el examen).
· Trabajos individuales y trabajo de clase: El 20 % o el 0%, lo que sea mejor para el alumno.
B.9.4. Factores de valoración de los trabajos individuales y de la evaluación continua.
1 Seguimiento diario del alumnado, asistencia a clase. 2%
2 Comportamiento en el aula. 3%
3 Grado de participación. 5%
4 Responsabilidad y grado de atención. 5%
5 Presentación de trabajos individuales escritos y cuidado de materiales. 5%
Aquellos alumnos/as que suspendan alguna evaluación, es decir, no superar el 50% de lo planteado,
tendrán la posibilidad de hacer un examen de recuperación de cada trimestre en el examen final, en la
convocatoria ordinaria de Mayo y global en la extraordinaria de Septiembre.
46
B.9.5. Ejemplo de examen para la convocatoria extraordinaria de Septiembre.
47
48
49
50
B.9.6. Estándares de aprendizaje evaluables: Conocimientos mínimos exigibles.
1. Identificar las estructuras cristalinas fundamentales en los metales.
2. Aplicar la regla de la palanca para resolver los porcentajes de cada fase en los diagramas de
equilibrio.
3. Realizar y analizar diagramas de esfuerzo de deformación.
4. Determinar cuantitativamente la dureza de diversos materiales mediante ensayos de
penetración.
5. Realizar cálculos relativos a ensayos de tracción, dureza, etc.
6. Elegir el tratamiento térmico más adecuado para mejorar las propiedades seleccionadas.
7. Conocer los principales de máquinas térmicas que existen y su clasificación.
8. Explicar los principios termodinámicos fundamentales.
9. Resolver problemas relativos a los motores de combustión interna.
10. Analizar el funcionamiento de los circuitos, frigoríficos, así como los elementos que lo
componen.
11. Calcular el balance de potencias y el rendimiento en una máquina térmica de refrigeración.
12. Describir el funcionamiento de las bombas de calor, y calcular su rendimiento.
13. Definir el principio de funcionamiento de los motores de corriente continua.
14. Explicar las diferentes configuraciones de excitación de motores de CD.
15. Interpretar las curvas características de los motores CD.
16. Resolver problemas sobre motores CD.
17. Explicar en qué consiste el campo magnético giratorio.
18. Deducir las fórmulas del par de fuerzas en el inducido y la f.c.e.m. producida en motores de
C.A.
19. Describir los procesos de arranque de los motores de C.A.
20. Explicar el funcionamiento del motor monofásico de inducción.
21. Resolver problemas de motores de C.A.
22. Conocer los distintos elementos básicos empleados en neumática.
23. Diseñar circuitos neumáticos de unas especificaciones técnicas.
24. Conocer las leyes físicas sobre las que se basa la neumática .
25. Conocer los distintos elementos básicos empleados en oleohidráulica.
26. Diseñar circuitos oleohidráulicos de unas especificaciones técnicas.
27. Conocer las leyes físicas sobre las que se sustentan la oleohidráulica.
28. Describir el funcionamiento de un sistema de control de lazo cerrado.
29. Explicar los diferentes tipos de transductores en los sistemas de control.
30. Elegir el mejor tipo de comparador que se ajuste a una aplicación de control determinada.
31. Describir la función importante de los amplificadores en los circuitos de control,
así como los diferentes tipos estudiados.
32. Elegir el tipo de actuador más adecuado para un sistema de control determinado.
33. Realizar análisis de circuitos combinacionales .
34. Diseñar circuitos combinacionales a partir de tablas de verdad.
35. Realizar análisis de circuitos secuenciales.
36. Resolver problemas de circuitos de c.c. y c.a.
51
B.10. MEDIDAS PARA ESTIMULAR LA LECTURA.
La lectura y escritura son fundamentales para la comprensión de la materia de tecnología, en la que
podemos encontrar con que una de las dificultades que tienen los alumnos es la adquisición del
vocabulario técnico apropiado y la comprensión de los enunciados de los problemas (lo que disminuye
notablemente la probabilidad de resolverlos correctamente). Otro problema muy común es la utilización
de las máquinas, bien sea un ordenador o un simple mecanismo. El alumno tiende a actuar en lugar de
leer las instrucciones o recomendaciones de su utilización, lo que le lleva a cometer errores en su manejo.
B.10.1. Actividades que se proponen para estimular la lectura:

Las faltas de ortografía en los exámenes, podrán descontar como máximo un 15% de la nota.

Realización de un Blog voluntario por parte del alumno, de contenido libre, pero que guarde los
mismos criterios y trate sobre los mismos temas que el blog desarrollado por el departamento. Los
alumnos podrán hacer breves exposiciones de sus blogs en clase, con las instrucciones del
profesor, con lo que se desarrollará también, su capacidad de expresión oral.

Publicación en el blog del departamento, de enlaces a artículos relacionados con cada unidad
didáctica y temas transversales.

Leer en voz alta los enunciados de problemas y ejercicios que se realizan en clase, y elaborar
estrategias para analizar el significado, recoger datos y organizarlos.

Dejar espacio para la adquisición (o elaboración – Ver proyecto de Innovación) de más libros para la
biblioteca del colegio. Se quiere que cada alumno tenga siempre, durante el curso, un libro de esta
colección.
Y por supuesto:

El Proyecto de Innovación Lingüística del departamento; “Animación a la lectura en inglés con
contenidos de tecnología”, proyecto sobre el que versa la tercera parte de este trabajo.
B.11. MATERIALES Y RECURSOS DIDÁCTICOS.
(Se aprovecha este apartado para recopilar bibliografía de este TFM)
B.11.1. Libros para seguir la asignatura.

Tecnología Industrial II. Mc Graw Hill.

Tecnología Industrial I. Mc Graw Hill.

Tecnología Industrial II. Ed. Everest. (Será el libro de texto del alumno).

Tecnología Industrial I. Ed. Everest.
B.11.2. Espacios y medios:
52

Aula 24. (Pizarra digital, cañón de vídeo)

Aula Informática.

Aula Taller.

Acceso a internet.

Departamento de Tecnología.

Biblioteca del centro y del departamento.
B.11.3. Otros Materiales del Centro:

Material digital elaborado por el departamento.

Colección de ejercicios elaborados por el departamento.

Cuaderno de apuntes y ejercicios del alumno.

Presentaciones y transparencias.

Materiales del aula taller del Centro.


(No se tienen previsto utilizar los espacios del aula taller Tecnología en este curso).
Tecnología Industrial II. Mc Graw Hill.
B.11.4. Libros, blogs y páginas web de referencia para elaborar el TFM:

Blog de Ángel Fidalgo: Innovación Educativa.

Creación de materiales para la innov. Educ. con nuevas tecnolo. ICE U. de Málaga. 1998.
Manuel C. S.y otros.

Creatividad y Arpendizaje. Natalia Bernabeu y Andy Goldstein.

Del proyecto educativo a la programación de aula. Serafín Antúnez, Luis M. y Francesc I..
Editorial Grao.

Educar para la diversidad en el s. XXI. Mira Editores. 2001. Mª Antonia Casanova
Rodríguez y otros.

Guía para el Trabajo Fin de Máster de Profesorado de la Universidad de La Rioja.

Imaginar con Tecnologías. Relaciones entre tecnologías y conocimiento. Editorial Stella.
2006. Carina León.

La excelencia en los centros educativos. Fermín Navaridas, Leonor González, Rubén
Fernández. Editorial CCS

Nuevas Tecnologías aplicadas a la educación. Mc Graw Hill. 2007. Julio Cabero.

Nuevas Tecnologías en el aula. Editorial Grao. ICE Universidad de Barcel. 1999. Antonio R.

Orientaciones didácticas. MEC. Secundaria Obligatoria.

Tecnología educativa. Implicaciones educativas del desarrollo tecnológico. Ed. La Muralla.
2006. Ana G.–V.

Tecnología Programación Didáctica. José Antonio Martínez Gea / José A. Martínez Asís /
Víctor López.MAD
53

Tecnología: investigación, innovación y buenas prácticas. David Cervera. Editorial Grao.

Teoría (imperfecta) de la innovación. José Luis Larrea. Editorial Pirámide.
B.11.4. Otras páginas web:

https://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Portada

http://es.opitec.com/opitec-web/st/Home

www.educarioja.com

https://innovacioneducativa.wordpress.com/

www.librosnet.com

www.ti.profes.net

www.divulcat.com

www.edutec.es

www.cubeecraft.com

www.tecno12-18.com

http://blog.educastur.es/blog/2010/07/26/educastur-blog/

http://jjdeharo.blogspot.com
B.12. ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS EXTRAESCOLARES.
Una de las metodologías más eficaces es la comparación de lo estudiado con la realidad y
viceversa.
Por esta razón, se propondrán una serie de actividades extraescolares a lo largo de todos los
temas, incluida la del Proyecto de Innovación (que no se detalla aquí).
Las actividades extraescolares enriquecen y estimulan al alumnado, favoreciendo también los
aprendizajes transversales y en la consecución de algunos de los objetivos de la asignatura.
Se proponen estas actividades:
1.
Visita a “La Casa de las Ciencias” de Logroño.
2.
Visita a la Casa de las Ciencias de Barcelona o Valencia.
3.
Participación en la liga de Lego Mindstroms.
4.
Participación en el día de puertas abiertas de la Universidad de La Rioja.
5.
Participación en concursos organizados por “La Casa de las Ciencias”.
6.
Visita a la Central de ciclo combinado de Arrubal.
7.
Visita a la empresa Mercedes de Vitoria o General Motors de Zaragoza.
8.
Visita a la depuradora de Logroño.
9.
Participación y organización de otros concursos, actos y celebraciones que se convoquen en
el Centro o fuera de él, teniendo relación con la materia de Tecnología.
10. Colaboración interdisciplinar con aquellos departamentos que lo propongan.
Estas actividades se podrán modificar, suprimir o añadir otras nuevas en función disponibilidades
de las empresas, de la oferta cultural del curso, etc.
La participación no contará para las evaluaciones trimestrales, pero sí que se tendrá en cuenta
dentro de la evaluación continua de las evaluaciones finales.
54
B.13. UNIDADES DIDÁCTICAS.
B.13.1. Unidad 1: Estructura atómica y cristalina de materiales. Propiedades
mecánicas. Ensayos.
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Primera Evaluación
3
Bloque 1
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.1.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Conocer la estructura atómica de los cristales.
2- Comprender y describir las propiedades mecánicas de los materiales.
3- Analizar y describir los principales tipos de esfuerzos y ensayos de medida.
B.13.1.2. Contenidos :
1.- Estructura atómica.
2.- Modelos atómicos.
3.- Enlace químico. Covalente e iónico.
4.- Estructura cristalina. Sistemas cristalinos.
5.- Densidad y peso específico.
6.- Elasticidad. Ley de Hooke.
7.- Esfuerzos mecánicos
7.1. Tracción
7.2. Compresión
7.3. Cortadura
7.4. Flexión
7.5. Torsión
8.- Dureza.
9.- Tenacidad y fragilidad.
10.-Fatiga.
11.-Tipos de los ensayo
11.1. Ensayo de Dureza
11.2. Ensayo de Resiliencia
11.3. Ensayo de Fatiga.
55
B.13.1.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Realización de ensayos experimentales en laboratorio, en taller o visionado de vídeos.
3.- Visitas a talleres, fábricas e industrias o visionado de vídeos.
4.- Realización de ensayos experimentales sobre cualidades de aceros y su tratamiento o videos.
5.- Lecturas en revistas especializadas y posteriores comentarios críticos.
B.13.1.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Fomento de una manera de pensar seria, razonada y crítica.
2.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
tecnológicos.
3.- Fomento del interés de la ciencia y la tecnología como medio de progreso de la sociedad.
4.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
B.13.1.5. Criterios de evaluación:
1.- Identificar las estructuras cristalinas fundamentales en los metales.
2.- Realizar y analizar diagramas de esfuerzo de deformación.
3.- Determinar cuantitativamente la dureza de diversos materiales mediante ensayos de
penetración.
4.- Realizar cálculos relativos a ensayos de tracción, dureza, etc.
B.13.2. Unidad 2: Materiales: Aleaciones y diagramas de fases.
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Primera Evaluación
3
Bloque 1
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.2.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Describir o interpretar los diferentes tipos de diagramas de equilibrio.
2.- Realizar análisis de fases (número de fases presentes, cantidades presentes, cantidades
relativas
de cada fase etc.) de las aleaciones formadas por dos elementos.
B.13.2.2. Contenidos :
1.- Concepto de aleaciones.
2.- Cristalización de los metales puros y de las aleaciones.
3.- Regla de las fases de Gibbs.
4.- Diagrama de equilibrio de fases. Regla de la palanca.
5.- Diagramas isomórficos binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido.
56
6.- Aplicación a la aleación Cu-Ni.
7.- Aleaciones hierro-carbono: composición, constitución y estructura.
8.- Diagrama de equilibrio con transformaciones en estado sólido.
9.- Análisis del diagrama Fe-C.
10.- Aleaciones férricas.
11.- Clasificación de los aceros.
12.- Fundiciones.
B.13.2.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Realización de ensayos experimentales en laboratorio, en taller o visionado de vídeos.
3.- Visitas a talleres, fábricas e industrias o visionado de vídeos.
4.- Lecturas en revistas especializadas y posterior comentarios críticos.
B.13.2.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
2.- Fomento de una manera de pensar seria, razonada y crítica.
3.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
tecnológicos.
4.- Fomento del interés de la ciencia y la tecnología como medio de progreso de la sociedad.
B.13.2.5. Criterios de evaluación:
1.- Concepto de aleación.
2.- Aplicar la regla de la palanca para resolver los porcentajes de cada fase en los diagr. de equil.
3.- Interpretación de los diagramas de equilibrio.
4.- Interpretación del diagrama Fe-C.
5.- Clasificación de los aceros según sus componentes. Clasificación de las aleaciones.
B.13.3. Unidad 3: Tratamientos de los materiales. Oxidación y corrosión
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Primera Evaluación
3
Bloque 1
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.3.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Explicar en qué consiste un tratamiento térmico y que finalidad se persigue con ello.
2.- Saber elegir el tipo de tratamiento térmico adecuado para conseguir unas determinadas
propiedades en función de su utilización posterior.
3.- Clasificar y conocer las diferentes técnicas de acabado de los metales.
4.- Conocer las causas y efectos de la corrosión sobre los materiales.
5.- Conocer la normativa existente sobre seguridad e higiene en el trabajo de la metalurgia.
57
B.13.3.2. Contenidos :
1.- Clasificación del acabado y tratamiento de los metales.
2.- Acabado de los metales
2.1- Esmerilado
2.2- Rasqueteado
2.3- Bruñido
2.4- Pulido
2.5- Barnizado
3.-Tratamiento de los metales
3.1-Tratamientos térmicos
3.1.1-Temple
3.1.2-Reconocido
3.1.3-Normalizado
3.1.4-Revenido
3.2.-Tratamientos Termoquímicos
3.1.1-Cementación
3.1.2-Nitruración
3.1.3-Cianuración
3.1.4-Sulfinización
4.- La oxidación, corrosión y sus efectos
5.- Normas de precaución y seguridad en el manejo de materiales
6.-Riesgos de la metalurgia de la transformación
6.1. Desbarbado y pulido
6.2. Tratamientos térmicos
6.3. Tratamientos galvánicos
6.4. Mecanizado
6.5. Soldadura
6.6. Barnizado y pintado.
7.-Riesgos y normas de seg. derivadas del manejo de máq. y herramientas por arranque de viruta.
8.- Normas de precaución en máquinas que trabajan por abrasión.
9.- Normas de precaución en máquinas que trabajan por deformación del metal.
B.13.3.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Lecturas en revistas especializadas y posterior comentarios críticos.
3.- Estudio de fenómenos de oxidación y corrosión que afectan a los materiales utilizados en l
Tecnología, repercutiendo de forma negativa en las condiciones de funcionamiento y
limitando considerablemente su vida útil. Entender que todo ello implica graves
problemas, tanto de tipo técnico como económico.
4.- Estudio de la oxidación, haciendo hincapié en la acción protectora que representa en muchos
casos la capa de óxido formada, así como en los factores que influyen en ella. También
58
análisis de las distintas maneras de prevenir la oxidación por medio de aleantes o de
recubrimientos especiales.
5.- Consideración de los fundamentos electroquímicos de las reacciones que originan la oxidación
para comprender los fenómenos de oxidación – reducción que tienen lugar en las pequeñas
celdas galvánicas existentes en las fronteras intergranulares y en las impurezas de los
materiales.
B.13.3.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Fomento de una manera de pensar seria, razonada y crítica.
2.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
tecnológicos.
3.- Fomento del interés de la ciencia y la tecnología como medio de progreso de la sociedad.
4.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
B.13.3.5. Criterios de evaluación:
1.- Elegir el tratamiento térmico más adecuado para mejorar las propiedades seleccionadas.
2.- Describir y explicar los acabados de los metales más importantes.
3.- Describir los riesgos y precauciones a tener en cuenta en la metalurgia de la transformación.
4.- Analizar los tipos de accidente más comunes en las personas que trabajan con máquinasherramientas por arranque de viruta.
B.13.4. Unidad 4: Materiales no férreos.
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Primera Evaluación
3
Bloque 1
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.4.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Conocer las principales aleaciones no férricas utilizadas en la industria.
2.- Recordar los principales productos cerámicos y sus procesos de fabricación y puesta en el
mercado.
3.- Recordar los principales productos plásticos y sus procesos de fabricación y puesta en el
mercado.
4.- Importancia de los tratamientos de residuos como método de conservación del medioambiente
y la calidad de vida de los ciudadanos.
5.- La recuperación y/o reutilización como principio del tratamiento de los residuos.
B.13.4.2. Contenidos :
1.- Aleaciones no férricas.
2.- Materiales cerámicos.
3.- Polímeros
4.- Elastómeros.
59
5.- Residuos.
6.- Residuos sólidos urbanos. Tratamientos.
7.- Residuos tóxicos y peligrosos.
8.- Técnicas de tratamientos de los RTP.
9.- Recuperación o reutilización de los RTP.
B.13.4.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Lectura o visionado de artículos especializados y posterior comentario crítico.
B.13.4.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
2.- Fomento de una manera de pensar seria, razonada y crítica.
3.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
tecnológicos.
4.- Fomento del interés de la ciencia y la tecnología como medio de progreso de la sociedad.
5.- Estimulación del ahorro de energía y el posible y eficaz reciclado de los residuos.
6.- Estimulación de la participación en actividades destiandas al fomento de recogida de papel y
de vidrio como medio de ahorro urbano y social.
B.13.4.5. Criterios de evaluación:
1.- Describir y explicar las características de un metal no férrico.
2.- Conocer los procesos de obtención de los plásticos y sus principales propiedades técnicas.
3.- Comprender las diferencias entre los distintos tipos de residuos.
4.- Conocer la importancia de la recuperación en los procesos de tratamiento de los residuos
como fuente de financiación del proceso.
B.13.5.
Unidad
5:
Motores
térmicos.
Funcionamiento,
clasificación
y
aplicaciones.
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Primera Evaluación
4
Bloque 2.
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.5.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Conocer las transformaciones termodinámicas
2.- Analizar y comprender el principio de funcionamiento de los motores de dos y cuatro tiempos.
3.- Describir el funcionamiento de las motores de combustión externa.
B.13.5.2. Contenidos :
1.- Primer principio de Termodinámica
60
2.- Transformaciones Termodinámicas
2.1 Isotérmicas
2.2 Isócoras
2.3 Isóbaras
2.4 Adiabáticas
2.5 Ciclo de Carnot
3.- Segundo Principio de Termodinámica
4.- Clasificación de las máquinas Térmicas
5.- Motores de combustión interna.
5.1 Motores de 4 tiempos. Ciclo de Otto
5.2 Motores de 2 tiempos
5.3 Motor diesel
6.- Motores de combustión externa.
6.1 Turbinas de gas. Aplicaciones
6.2 Máquinas de vapor. Ciclo de Rankine
7.- Potencia mecánica
8.- Energía útil.
9.- Par motor en el eje.
10.- Perdidas de energía en las máquinas.
11.- Rendimiento.
B.13.5.2. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Interpretación de esquemas y planos de motores térmicos y eléctricos.
3.- Reconocimiento real en máquinas de uso frecuente de los diversos elementos que las
componen y descripción de la misión que corresponde a cada uno.
4.- Visitas a talleres e industrias.
5.- Proyecciones de vídeos.
6.- Explicación de cuestiones relativas al funcionamiento de las máquinas y descripción de sus
elementos esenciales.
7.- Explicación y resolución de problemas en orden de dificultad creciente.
B.13.5.3. Contenidos Actitudinales:
1.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
tecnológicos.
2.- Fomento del interés de la técnica como medio de progreso de la sociedad.
3.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
4.- Fomento de la sensibilidad hacia la realización cuidadosa de medidas y de operaciones de
taller.
5.- Desarrollar el sentido crítico a la hora de reconocer el funcionamiento de una máquina.
6.- Fomento del ahorro de energía y del cuidado del medio ambiente.
61
7.- Fomento del cumplimiento de las normas de seguridad en el funcionamiento de las máquinas.
B.13.5.4. Criterios de evaluación:
1.- Conocer los principales de máquinas térmicas que existen y su clasificación.
2.- Explicar los principios termodinámicos fundamentales.
3.- Resolver problemas relativos a los motores de combustión interna.
B.13.6. Unidad 6: Circuito frigorífico y bombas de calor.
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Primera Evaluación
4
Bloque 2.
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.6.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Diferenciar entre las máquinas térmicas generadoras de energía mecánica y consumidoras de
energía mecánica.
2.- Conocer las partes fundamentales de una máquina frigorífica
3.- Comprender el funcionamiento de una máquina frigorífica y el ciclo de Carnot en sentido
inverso.
B.13.6.2. Contenidos :
1.- Máquina frigorífica de comprensión.
2.- Elementos fundamentales de un circuito frigorífico.
3.- Máquinas frigoríficas de absorción.
4.- Diagrama general de una máquina frigorífica
4.1.- Foco caliente, foco frío y trabajo mecánico realizado
4.2.- Coeficiente de operación de una máquina frigorífica
5.- Ciclo de Carnot en sentido inverso.
5.1- Coeficiente de operación de una máquina frigorífica según el Ciclo.
6.- Bomba de calor.
7.- Rendimiento de una bomba de calor.
8.- Rendimiento de una bomba de calor en ciclo de Carnot.
B.13.6.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Interpretación de esquemas y planos de circuitos frigoríficos y bombas de calor.
3.- Estudio de las distintas maneras de producir frío a escala industrial. Consideración de los
fluidos refrigerantes o frigoríficos, analizando razonadamente las propiedades características
que deben poseer.
4.- Estudio del funcionamiento teórico de la máquina frigorífica de Carnot, que sirve de punto de
partida para la realización de máquinas frigoríficas de compresión mecánica, que trabajan
reversiblemente con una eficiencia menor que la de Carnot.
62
5.- Estudio de las instalaciones frigoríficas de absorción, así como de los distintos procedimientos
que se utilizan para llevar a cabo la licuación de gases.
B.13.6.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
tecnológicos.
2.- Fomento del interés de la técnica como medio de progreso de la sociedad.
3.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
4.- Desarrollar el sentido crítico a la hora de reconocer el funcionamiento de estas máquinas.
5.- Fomento del ahorro de energía y del cuidado del medio ambiente.
6.- Fomento del cumplimiento de las normas de seguridad en el funcionamiento de estas
máquinas.
B.13.6.5. Criterios de evaluación:
1.- Analizar el funcionamiento de los circuitos, frigoríficos, así como los elementos que lo
componen.
2.- Calcular el balance de potencias y el rendimiento en una máquina térmica de refrigeración.
3.- Describir el funcionamiento de las bombas de calor, y calcular su rendimiento.
B.13.7. Unidad 7: Motores eléctricos de corriente continua.
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Primera Evaluación
4
Bloque 2.
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.7.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Comprender el principio básico de funcionamiento de los motores eléctricos
2.- Conocer las partes fundamentales de un motor CD.
3.- Clasificar y estudiar los motores eléctricos según su modo de excitación.
B.13.7.2. Contenidos:
1.- Principio básico de funcionamiento.
2.- Partes básicas de una máquina de CD.
3.- Funcionamiento en vacío carga y cortocircuito.
4.- Tipos de excitación magnética.
4.1.- Independiente.
4.2.- Autoexcitados: serie, paralelo, compound.
5.- F.c.e.m. obtenida.
6.- Par electromagnético obtenido.
7.- Potencia
8.- Expresión y regulación de la velocidad.
9.- Estudio y análisis de curvas caract. en las distintas configuraciones: serie, paralelo y
compound.
63
B.13.7.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Interpretación de esquemas y planos de motores eléctricos de corriente continua.
3.- Estudio de las características generales de las máquinas eléctricas rotativas, analizando las
partes de que constan, así como su funcionamiento.
4.- Análisis detallado de las distintas formas posibles de excitación en las máquinas de corriente
continua, y construcción de esquemas correspondientes.
5.- Consideración de las distintas potencias que entran en juego durante el funcionamiento de un
motor de corriente continua, analizando las pérdidas energéticas que tienen lugar y
representando finalmente las conclusiones en forma de “símil hidráulico”.
6.- Estudio de las curvas características de funcionamiento de un motor de corriente continua,
analizando cuidadosamente las diferencias que existen entre las correspondientes a los
distintos tipos de excitación, y justificación de las razones de estas diferencias. Consideración
de las distintas maneras de invertir el sentido de giro y de efectuar el frenado en estos motores,
analizando las condiciones en que se puede llevar a cabo.
B.13.7.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
tecnológicos.
2.- Fomento del interés de la técnica como medio de progreso de la sociedad.
3.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
4.- Desarrollar el sentido crítico a la hora de reconocer el funcionamiento de los motores eléctricos
de corriente continua.
5.- Fomento del ahorro de energía y del cuidado del medio ambiente.
6.- Fomento del cumplimiento de las normas de seguridad en el funcionamiento de estas
máquinas.
B.13.7.5. Criterios de evaluación:
1.- Definir el principio de funcionamiento de los motores de corriente continua.
2.- Explicar las diferentes configuraciones de excitación de motores de CD.
3.- Interpretar las curvas características de los motores CD.
4.- Resolver problemas sobre motores CD.
64
B.13.8. Unidad 8: Motores eléctricos de corriente alterna.
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Primera Evaluación
4
Bloque 2.
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.8.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Identificar los distintos tipos de motores CA utilizados en aparatos domésticos.
2.- Comprender el principio básico de funcionamiento de los motores síncronos y asíncronos.
3.- Saber los diferentes tipos de arranque de los motores de CA.
B.13.8.2. Contenidos:
1.- Clasificación de los motores de CA.
2.- Partes fundamentales de los motores de CA.
3.- Campos magnéticos giratorios.
4.- Motores síncronos. Velocidad de sincronismo.
5.- Procedimiento de arranque en los en los motores síncronos.
6.- Motores asíncronos de inducción.
6.1 Motores bifásicos y trifásicos.
7.- Motores monofásicos.
8.- Procedimientos de arranque.
8.1-Arranque en motores trifásicos: Estrella-Triangulo.
8.2-Arranque en motores monofásicos: fase partida.
9.- Magnitudes eléctricas de motores asíncronos.
9.1- Deslizamiento.
9.2- Fuerza contra electro motriz en el estator y en el rotor.
9.3- Par interno de un motor asíncrono.
10.- Cambio de giro de un motor polifásico.
11.- Regulación de la velocidad.
B.13.8.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Interpretación de esquemas y planos de motores eléctricos de corriente alterna.
3.- Estudio de los motores asíncronos trifásicos, prestando especial atención a las dos formas
típicas de rotor; de jaula de ardilla y bobinado. Comprender el principio de
funcionamiento de estos motores, lo que debe conducir a los conceptos de
velocidad de sincronismo y deslizamiento.
4.- Analizar el significado de este parámetro y los valores posibles que puede adoptar en el
transcurso del funcionamiento del motor.
65
5.- Establecimiento de un balance de las potencias que intervienen en los motores asíncronos,
expresando las conclusiones en forma de “símil hidráulico”, asimismo, deducir la forma de
las curvas características de estos motores.
6.- Estudio de distintos métodos para llevar a cabo el arranque de los motores asíncronos,
analizando ventajas e inconvenientes. Estudio de las diferentes maneras de regular la
velocidad en estos motores.
B.13.8.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
tecnológicos.
2.- Fomento del interés de la técnica como medio de progreso de la sociedad.
3.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
4.- Desarrollar el sentido crítico a la hora de reconocer el funcionamiento de los motores eléctricos
de corriente continua.
5.- Fomento del ahorro de energía y del cuidado del medio ambiente.
6.- Fomento del cumplimiento de las normas de seguridad en el funcionamiento de estas
máquinas.
B.13.8.5. Criterios de evaluación:
1.-Explicar en que consiste el campo magnético giratorio.
2.-Deducir las fórmulas del par de fuerzas en el inducido y la f.c.e.m. producida en motores de
C.A.
3.-Describir los procesos de arranque de los motores de C.A.
4.-Explicar el funcionamiento del motor monofásico de inducción.
5.-Resolver problemas de motores de C.A.
B.13.9. Unidad 9: Neumática e hidráulica. Fundamentos físicos.
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Tercera Evaluación
4
Bloque 2.
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.9.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Conocer la importancia de la neumática e hidráulica en los diversos campos de la industria.
2.- Conocer las propiedades de los líquidos que justifiquen su utilización en los sistemas
hidráulicos; Densidad, presión de vapor, viscosidad, tensión superficial, etc…
66
3.- Análisis de las diferencias existentes entre los regímenes laminar y turbulento de los fluidos a lo
largo de una conducción, poniendo de manifiesto los valores del número de Reynolds que
determinan la aparición de uno u otro régimen.
4.- Saber aplicar el principio de Pascal, la ecuación de continuidad y del teorema de Bernoulli para
poder explicar el funcionamiento de las instalaciones hidráulicas.
B.13.9.2. Contenidos :
1.- Ecuaciones fundamentales de la mecánica de fluidos (hidráulica y oleohidráulica):

Principio de Pascal. La prensa hidráulica.

La ecuación de continuidad.

La ecuación de energía; (Ecuación de Bernouilli).

Ecuación de cantidad de movimiento.
2.- Las ecuaciones fundamentales de la neumática, además de las ya dichas:

Ley de Boyle – Mariotte.

Leyes de Gay – Lussac.

Ecuación de estado de los gases.

Las ley fundamental de los gases.
3.- Tipos de fluidos / flujos:

Fluidos newtonianos, no newtonianos.

Fluidos no newtonianos.

Flujos compresibles, Flujos incompresibles.

Flujos laminares, turbulentos. Número de Reynolds.
4.- Propiedades y conceptos de los fluidos:

Densidad, Presión.

Compresibilidad

Viscosidad

Presión de vapor. Cavitación
B.13.9.3. Contenidos Procedimentales:
Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con:
1.- Compresibilidad de fluidos..
2.- Viscosidad de fluidos.
3.- La ecuación de continuidad.
4.- El teorema de Bernouilli.
5.- Las pérdidas de carga.
6.- Las bombas hidráulicas.
7.- La ecuación de la cantidad del movimiento
67
B.13.9.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Interés por la hidráulica y neumática y su desarrollo tecnológico
2.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
tecnológicos.
3.- Fomento del interés de la ciencia y la tecnología como medio de progreso de la sociedad.
4.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
B.13.9.5. Criterios de evaluación:
1.- Resolución de ejercicios numéricos utilizando preferiblemente el S.I. de unidades y justificando
adecuadamente los cálculos realizados.
2.- Conocer las leyes físicas sobre las que se basa la neumática.
3.- Conocer las leyes físicas sobre las que se sustenta la oleohidráulica.
4.- Entender y saber aplicar en pequeños ejercicios las propiedades de los líquidos que justifican su
utilización en los sistemas hidráulicos. Densidad, presión de vapor, viscosidad, tensión
superficial,…
5.- Saber distinguir las diferencias existentes entre los regímenes laminar y turbulento de los fluidos
a lo largo de una conducción, poniendo de manifiesto los valores del número de Reynolds que
determinan la aparición de uno u otro régimen.
6.- Saber aplicar el principio de Pascal, la ecuación de continuidad y el teorema de Bernoulli en la
explicación del funcionamiento de las instalaciones hidráulicas.
7.-Concienciación de que la resolución del problema no es sólo la aplicación de una fórmula,
también el ser capaz de decidir en cada caso qué magnitudes son las que intervienen en el
fenómeno al que se refiere el problema propuesto, justificando razonadamente las fórmulas que
debe utilizar.
B.13.9.6. Competencias clave desarrolladas.
B.13.9.6.1. Comunicación lingüística.
1.- Aplicar correctamente recursos verbales durante el montaje de dispositivos de naturaleza
neumática e hidráulica o en actividades en grupo.
2.- Adquirir y emplear el vocabulario específico para la resolución de documentos técnicos.
3.- Utilizar la terminología adecuada propia de la unidad didáctica
B.13.9.6.2. Competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología.
1.- Resolución de ejercicios numéricos utilizando preferiblemente el S.I. de unidades, y justificando
adecuadamente los cálculos realizados, etc…
2.- Utilizar las herramientas matemáticas apropiadas para analizar los objetos tecnológicos
mediante cálculos sencillos de magnitudes.
68
B.13.9.6.3. Competencia digital (y de tratamiento de la información)
1.- Diseño de circuitos neumáticos y comprobación de su correcto funcionamiento.
2.- Leer otras referencias al tema propuestas por el profesor.
B.13.9.6.4. Aprender a aprender.
1.- Ejecutar de forma práctica actividades de taller y de laboratorio reconociendo errores y
proponiendo soluciones en cada caso.
2.- Lecturas en sitios recomendados.
B.13.9.6.5. Competencias sociales y cívicas.
1.- Fomento del análisis y la crítica razonada de aquellos instrumentos y dispositivos técnicos en
relación con sus aplicaciones condiciones de funcionamiento y seguridad y evaluación de su
calidad.
2.- Fomento del interés por la ciencia y la tecnología como medio de progreso de la sociedad.
3.- Estimación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas tecnológicos y
de ahorro de energía.
B.13.9.6.6. Sentido de iniciativa y espíritu emprendedor.
1.- Fomento de la capacidad de manipulación de instrumentos neumáticos u oleohidráulicos,
actuando con responsabilidad y criterio de aplicación.
2.- Desarrollo de una actitud imaginativa en el diseño y planificación de sistemas neumáticos e
hidráulicos.
B.13.9.6.7. Conciencia y expresiones culturales.
1.- Concienciación de que la resolución del problema no es sólo la aplicación de una fórmula,
también el ser capaz de decidir en cada caso qué magnitudes y que sistema de unidades elegir.
2.- Explicación de las aplicaciones de la neumática e hidráulica.
B.13.10. Unidad 10: Técnicas de producción, conducción y depuración de aire
comprimido y de fluidos hidráulicos.
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Tercera Evaluación
3
Bloque 4.
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.10.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Conocer la importancia de la neumática e hidráulica en los diversos campos de la industria.
2.- Aprender el funcionamiento de las partes fundamentales de un circuito neumático.
3.- Interpretación de esquemas de montaje, identificando los distintos elementos.
69
B.13.10.2. Contenidos :
1.- Generación de aire comprimido.
 Compresores.
 Reguladores de presión.
 Secadores y refrigeradores.
 Acumuladores.
 Unidad de mantenimiento (filtro, regulador, manómetro, lubricador)
2.- Componentes en un circuito oleohidráulico.
Bomba hidráulica.


Depósito de aceite.

Filtro.
Manómetro.


Tuberías y conducciones.
B.13.10.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Interpretación del funcionamiento de los distintos tipos de compresores (volumétricos y
dinámicos), así como el de los componentes destinados al tratamiento del aire comprimido
(filtros, reguladores de presión y lubricadores). Incidiendo en los elementos de consumo,
que transforman la energía del aire en trabajo útil. Los cilindros y motores, requieren un
conocimiento no solo cualitativo, sino también será necesario saber el cálculo
teórico de los volúmenes y fuerzas implicadas.
3.- Reconocimiento experimental de los diversos elementos que componen un circuito hidráulico o
neumático y la misión que desempeña cada uno.
B.13.10.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
hidráulicos y neumáticos.
2.- Fomento del interés de la neumática e hidráulica como medio de progreso de la sociedad.
3.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
4.- Animación para visitar talleres, instalaciones industriales, museos de la ciencia, vídeos o
páginas de internet especializados en la hidráulica y la neumática.
B.13.10.5. Criterios de evaluación:
1.- Conocer las leyes físicas sobre las que se basa la neumática.
2.- Conocer las leyes físicas sobre las que se sustenta la oleohidráulica.
70
B.13.11. Unidad 11: Elementos de accionamiento. De trabajo y de regulación y
control.
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Tercera Evaluación
3
Bloque 4.
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.11.1. Objetivos didácticos específicos de la unidad:
1.- Conocer la importancia de la neumática e hidráulica en los diversos campos de la industria.
2.- Aprender el funcionamiento de las partes fundamentales de un circuito neumático.
3.- Diseño de circuitos neumáticos y comprobación de su correcto funcionamiento.
4.- Estudios de las partes de que constan las instalaciones hidráulicas (grupo de accionamiento,
elementos de transporte y de trabajo), tanto en lo que respecta a la misión que desempeñan
como al
diseño constructivo de las mismas que determina su funcionamiento.
B.13.11.2. Contenidos :
1.- Distribución de aire comprimido.
2.- Distribución de aire comprimido.
Actuadores.
Cilindros neumáticos.
Motores neumáticos. (De paletas, de pistones, de engranajes, turbomotores.
3.- Válvulas. Clasificación. Designaciones, símbolos.

Válvulas de bloqueo.

Válvulas de presión.

Válvulas combinadas. ( Programadores)
4.- Actuadores en un circuito oleohidráulico. Cilindros. Motores.
5.- Válvulas en circuitos oleohidráulicos.
B.13.11.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Estudio de válvulas. Dispositivos encargados de controlar la energía que se transmite a través
del fluido, hacia los elementos de consumo.
3.- Clasificación de las válvulas de acuerdo con la función que realizan y análisis de aquellas que
controlan la dirección y el sentido de circulación del aire comprimido. Establecimiento de
71
conceptos de vías y posiciones y caracterización por números, que sirven para identificar
una válvula determinada.
4.- Distinción de las válvulas de asiento y correderas, así como de los distintos tipos de válvulas
existentes según los dispositivos de mando de que vayan provistas. Estudio elemental de
electroválvulas, válvulas pilotadas neumáticamente, unidireccionales, selectoras, de escape
rápido y de simultaneidad.
5.- Estudio de las válvulas de control de caudal reguladoras unidireccionales y bidireccionales,
además de las válvulas de control de presión, en sus diferentes tipos.
6.- Estudio de la misión que desempeñan los temporizadores en los circuitos neumáticos, y también
en la representación esquemática de los movimientos secuenciales, que da lugar a diagramas de
desplazamiento – fase y de desplazamiento – tiempo.
B.13.11.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
tecnológicos.
2.- Fomento del interés de la neumática e hidráulica como medio de progreso de la sociedad.
3.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
B.13.11.5. Criterios de evaluación:
1.- Conocer los distintos elementos de accionamiento, de trabajo y de regulación y control
empleados en la neumática y la oleohidráulica.
2.- Diseñar circuitos oleohidráulicos y neumáticos de unas especificaciones técnicas.
B.13.12. Unidad 12: Circuitos característicos de aplicación. Normativa.
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Tercera Evaluación
3
Bloque 4.
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.12.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Conocer la importancia de la neumática e hidráulica en los diversos campos de la industria.
2.- Aprender el funcionamiento de las partes fundamentales de un circuito neumático.
B.13.12.2. Contenidos :
1.- Trazado de esquemas en neumática.
72

Designación de los elementos.

Representación de los elementos.

Representación de las conducciones.

Circuitos neumáticos básicos.

Métodos sistemáticos de realización de circuitos neumáticos
2.- Representación de instalaciones oleohidráulicas.

Representación del esquema de mando de un cilindro de simple efecto.

Representación del esquema de mando de un cilindro de doble efecto.

Representación del esquema del regulador de la velocidad de avance de un cilindro.

Representación del esquema del regulador de presión.

Circuito de avance rápido.

Esquema de un motor oleohidráulico.
3.- Cálculos de un circuito hidráulico.

Selección del cilindro.

Válvula distribuidora.

Tuberías.

Selección de la bomba.

Válvula de seguridad.

Acumulador hidráulico.

Tanque

Refrigerador.
4.- Normativa
73

ISO 1219 Transmisiones hidráulicas y neumáticas. Símbolos gráficos.

ISO 4406 Calidad del aceite por su filtrado.

ISO 4413 Transmisiones hidráulicas. Reglas generales para la instalación.

ISO 4414 Ídem Neumáticas.

ISO 4572 Efectividad de un filtro según la prueba Multipas.

VDMA 605.12 Características de los aceites.

VDI/VDE 2173 Medidas características aerodinámicas de las válvulas (Factor de paso).

ISO 2909 Índice de viscosidad.

DIN 51519 Clasificación de la viscosidad.

DIN 51524 Clasificación de los aceites según su viscosidad.

DIN 24312 Presiones, definiciones, etapas de presión.

DIN 2391C Tuberías de acero al carbono, estirado sin soldadura en atmósfera de argón.
B.13.12.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Interpretación correcta de esquemas de conexiones y montajes en circuitos de control
correspondientes a sistemas neumáticos y oleohidráulicos.
B.13.12.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Desarrollar la capacidad de interpretación de gráficos y esquemas como símbolos de relaciones
entre elementos y secuencias de efectos en un dispositivo, una máquina, etc.
2.- Describir correctamente y de forma razonada los elementos que componen un circuito
hidráulico o neumático y la misión que desempeña cada uno.
3.- Potenciar la capacidad de montaje y desmontaje de circuitos hidráulicos y neumáticos para
asegurar el funcionamiento de un proceso, así como la calidad de producción.
4.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
B.13.12.5. Criterios de evaluación:
1.- Conocer los distintos elementos básicos empleados en la neumática y la oleohidráulica.
2.- Diseñar circuitos oleohidráulicos y neumáticos de unas especificaciones técnicas.
3.- Comentar de forma crítica el funcionamiento de circuitos neumáticos e hidráulicos, dando
razones científicas en cada caso.
4.- Resolver razonadamente cuestiones, ejercicios y problemas teóricos.
B.13.13. Unidad 13: Sistemas Automáticos de Control.
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias clave
desarrolladas
Segunda Evaluación
6
Bloque 1
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.13.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Comprender el papel importante que juegan los sistemas automáticos en el mundo actual.
2.- Distinguir y analizar los sistemas de lazo abierto y lazo cerrado.
B.13.13.2. Contenidos :
1.- Sistemas de control de lazo abierto y cerrado.
2.- Breve descripción de los bloques que forman un sistema de control de lazo cerrado.
3.- Variables que intervienen en un sistema de control.
4.- Sistemas lineales y no lineales.
5.- Función de transferencia.
6.- Diagramas de bloques.
6.1.Álgebra de los diagramas.
7.- Diagramas de flujo.
74
B.13.13.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Descripción e interpretación de sistemas y circuitos de control.
3.- Utilización de simbología internacional en la interpretación de circuitos y sistemas de control.
4.- Uso de revistas especializadas y medios audiovisuales.
5.- Estudio del concepto de sistema automático de control, distinguiendo la parte actuadora y la de
mando, con ejemplos adecuados.
6.- Estudio de los conceptos de entrada, salida y perturbación, que permiten la representación de
los sistemas de control en forma de diagramas de bloques, con los que se realizarán
operaciones de adición y sustracción.
7.- Análisis de la diferencia existente entre los sistemas de control de lazo abierto y cerrado para
permitir introducir los conceptos de transductor, actuador, regulador, error y realimentación.
8.- Estudio de la función de transferencia, que caracteriza a la teoría clásica de control y que
utiliza
métodos de cálculo basados en la transformada de Laplce.
B.13.13.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Fomento de una actitud favorable ante el progreso científico y tecnológico.
2.- Valoración de la necesidad de un lenguaje gráfico, aceptado internacionalmente, para
interpretar correctamente elementos de un sistema y su montaje.
3.- Motivación positiva hacia el trabajo en equipo.
4.- Valoración de la necesidad de los sistemas de control como garantía del funcionamiento de
una máquina, de la calidad de un producto y de la seguridad física del trabajador.
5.- Reconocimiento de la influencia de la ciencia y de la técnica en la calidad de vida de la
sociedad.
6.- Análisis crítico de los procesos de control en función de los factores económicos y sociales que
concurren en cada caso.
7.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
tecnológicos.
8.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
B.13.13.5. Criterios de evaluación:
1.-Describir el funcionamiento de un sistema de control de lazo cerrado.
2.-Resolver problemas de estabilidad aplicando el método de Ruth y diagramas de Bode.
3.-Hallar la función de transferencia de un sistema de regulación automático.
75
B.13.14. Unidad 14: Componentes de un sistema de control (1ª parte).
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Segunda Evaluación
6
Bloque 1
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.14.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Describir y conocer cada uno de los elementos que forman un sistema de control.
2.- Conocer los distintos tipos transductores y comparadores.
B.13.14.2. Contenidos conceptuales:
1.- Descripción de los elementos que componen un sistema de control.
2.- Estudio de los diferentes tipos de transductores.
2.1 Transductores resistivos
2.2 Transductores piezoeléctricos
2.3 Transductores de reactancia variable.
2.4 Transductores basados en efecto Hall.
2.5 Transductores ópticos.
2.6 Transductores de temperatura.
3.- Estudio de los diferentes tipos de comparadores en los sistemas de control.
3.1 Comparadores de señal basados en potenciómetros
3.1 Sincros.
3.2 Comparadores analógicos
3.3 Comparadores digitales.
B.13.14.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Descripción e interpretación de sistemas y circuitos de control.
3.- Utilización de simbología internacional en la interpretación de circuitos y sistemas de control.
4.- Estudio de elementos que componen un sistema de control. Considerando primeramente el
regulador, diferenciando con claridad las distintas maneras de generar la señal de control
(controladores P, I, D, PI, PD, PID), y ampliación en cada caso del campo de aplicación.
5.- Explicación de las diferencias, con ejemplos, entre transductores y captadores. En lo que
respecta a los primeros, se clasificarán según la naturaleza de la señal de mando, en
transductores de posición, proximidad, desplazamiento, velocidad, temperatura, presión e
iluminación. Cada uno de estos tipos requiere un estudio detallado de sus características,
complementado con actividades
76
de aplicación analíticas.
6.- Análisis del funcionamiento de los comparadores (neumáticos, mecánicos, eléctricos y
electrónicos) y de actuadores, atendiendo de manera especial en las válvulas de control, que
permiten variar el
caudal del fluido de control para que este modifique a su vez el valor de la
entrada medida.
B.13.14.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Fomento de una actitud favorable ante el progreso científico y tecnológico.
2.- Valoración de la necesidad de un lenguaje gráfico, aceptado internacionalmente, para
interpretar correctamente elementos de un sistema y su montaje.
3.- Motivación positiva hacia el trabajo en equipo.
4.- Valoración de la necesidad de los sistemas de control como garantía del funcionamiento de
una máquina, de la calidad de un producto y de la seguridad física del trabajador.
5.- Reconocimiento de la influencia de la ciencia y de la técnica en la calidad de vida de la
sociedad.
6.- Análisis crítico de los procesos de control en función de los factores económicos y sociales que
concurren en cada caso.
7.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
tecnológicos.
8.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas
B.13.14.5. Criterios de evaluación:
1.- Explicar los diferentes tipos de transductores en los sistemas de control.
2.- Elegir el mejor tipo de comparador que se ajuste a una aplicación de control determinada.
B.13.15. Unidad 15: Componentes de un sistema de control (2ª parte).
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Segunda Evaluación
6
Bloque 1
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.15.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Saber el funcionamiento de los diferentes tipos de amplificadores en los sistemas de control.
2.- Describir y conocer los principales elementos actuadores.
B.13.15.2. Contenidos conceptuales:
1.- Concepto de amplificación de señales en los circuitos de control.
77
2.- Amplificadores estáticos.
2.1 Amplificadores magnéticos.
2.2 Amplificadores electrónicos.
3.- Amplificadores rotativos.
4.- Amplificadores neumohidraúlicos.
5.- Amplificadores mecánicos (engranajes).
6.- Elementos actuadores.
7.- Motores paso a paso.
8.- Motor de CD controlado en el campo.
9.- Motor de CD controlado en el inducido.
10.- Motores de CA.
B.13.15.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Descripción e interpretación de sistemas y circuitos de control.
3.- Utilización de simbología internacional en la interpretación de circuitos y sistemas de control.
4.- Estudio de elementos que componen un sistema de control con amplificadores.
5.- Explicación de los diferencias tipos de actuadores, con estudio detallado de sus
características, complementado con actividades de aplicación analíticas.
6.- Análisis del funcionamiento de los amplificadores (neumáticos, mecánicos, eléctricos y
electrónicos), atendiendo de manera especial en las válvulas de control, que permiten variar
el caudal del fluido de control para que este modifique a su vez el valor de la entrada
medida.
B.13.15.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Fomento de una actitud favorable ante el progreso científico y tecnológico.
2.- Valoración de la necesidad de un lenguaje gráfico, aceptado internacionalmente, para
interpretar correctamente elementos de un sistema y su montaje.
3.- Motivación positiva hacia el trabajo en equipo.
4.- Valoración de la necesidad de los sistemas de control como garantía del funcionamiento de
una máquina, de la calidad de un producto y de la seguridad física del trabajador.
5.- Reconocimiento de la influencia de la ciencia y de la técnica en la calidad de vida de la
sociedad.
6.- Análisis crítico de los procesos de control en función de los factores económicos y sociales que
concurren en cada caso.
7.- Estimulación de la capacidad de elaboración de estrategias para abordar problemas
tecnológicos.
8.- Hábito de trabajo ordenado y bajo una secuenciación lógica en la resolución de problemas.
78
B.13.15.5. Criterios de evaluación:
1.- Describir la función importante de los amplificadores en los circuitos de control, así como los
diferentes tipos estudiados.
2.- Elegir el tipo de actuador más adecuado para un sistema de control determinado.
B.13.16. Unidad 16: Sistemas digitales combinacionales.
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Segunda Evaluación
9
Bloque 2.
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.16.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Diseñar y analizar circuitos digitales combinacionales.
B.13.16.2. Contenidos :
1.- Diferencia entre la Electrónica digital y analógica.
2.- Sistema binario.
3.- Álgebra de Boole.
4.- Variables, funciones lógicas y tablas de verdad.
5.- Simplificación de funciones lógicas.
6.- Generación de funciones lógicas elementales (puertas lógicas).
7.- Equivalencias entre puertas lógicas.
8.- Lógica NOR y lógica NAND.
9.- Análisis de circuitos lógicos.
10.- Síntesis de circuitos lógicos.
11.- Circuitos integrados M. S. I.
12.- Codificadores y decodificadores. Aplicaciones.
13.- Multiplexores y demultiplexores. Aplicaciones.
14.- Circuitos aritméticos.
79
B.13.16.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
2.- Representación de números decimales en códigos diversos, explicando el porqué de cada
caso.
3.- Explicación y ejecución de operaciones básicas en el álgebra de Boole. Simbolismos.
4.- Funciones de negación. Explicación de ejemplos y su simbolismo.
5.- Aplicaciones de las puertas lógicas universales (NOR y NAND).
6.- Cálculo de expresiones algebraicas de funciones a partir de tablas de verdad.
7.- Explicación y obtención de diagramas lógicos de automatismos.
8.- Estudio, descripción y manejo de computadoras de uso frecuente.
9.- Análisis valorativo del ordenador y de su influencia en el tratamiento de la información.
B.13.16.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Interpretación del progreso tecnológico como una contribución de la ciencia al progreso y
bienestar de la sociedad.
2.- Motivación hacia el uso de la informática como un servicio a la humanidad.
3.- Fomento del rechazo de las aplicaciones informáticas cuyo destino es perjudicial para la
intimidad de las personas físicas o jurídicas.
4.- Promoción del diseño y la gestión de procesos informáticos para automatizar procesos,
modificar condiciones de producción y de calidad, etc.
5.- Fomento de una manera de pensar seria, razonada y crítica para actuar con autonomía e
independencia de criterios.
B.13.16.5. Criterios de evaluación:
1.- Resolver cuestiones, ejercicios y problemas.
2.- Realizar análisis de circuitos combinacionales.
3.- Ejecutar actividades prácticas y llevar a cabo una posterior detección de errores y corrección
de los mismos.
4.- Utilizar recursos gráficos e interpretación de simbolismos.
5.- Diseñar circuitos combinacionales a partir de tablas de verdad.
80
B.13.17. Unidad 17: Sistemas digitales secuenciales (y previsión por atrasos)
Temporalización
Nº sesiones
Justif. Curricular
Competencias
clave
desarrolladas
Tercera Evaluación
12
Bloque 2.
1,2,3,4,5,6 y 7
B.13.17.1. Objetivos didácticos específicos para la unidad:
1.- Aprender a diseñar y analizar circuitos digitales secuenciales.
2.- Distinguir entre sistemas combinacionales y secuenciales.
B.13.17.2. Contenidos :
1.- Introducción a los sistemas secuenciales.
2.- Circuitos biestables con transistores.
3.- Flip - Flop: RS, D, JK,
4.- Registros: serie-serie, serie-paralelo, paralelo-serie, paralelo-paralelo.
5.- Registro universal.
B.13.17.3. Contenidos Procedimentales:
1.- Diferenciación entre los circuitos combinacionales y secuenciales. Explicación en cada caso de
aplicaciones prácticas, incidiendo especialmente en su importancia tecnológica.
2.- Resolución razonada de cuestiones y ejercicios relacionados con los contenidos .
3.- Diseño razonado y explicado de circuitos secuenciales.
4.- Análisis del funcionamiento de los codificadores, decodificadores, multiplexores y
convertidores de código.
5.- Clasificación de los circuitos secuenciales en asíncronos y síncronos. Estudio del
funcionamiento de los primeros representado mediante las llamadas tablas de fases, que
permiten implementar el circuito mediante puertas lógicas. Reducción de tablas de la
verdad para conseguir la forma combinacional.
B.13.17.4. Contenidos Actitudinales:
1.- Interpretación del progreso tecnológico como una contribución de la ciencia al progreso y
bienestar de la sociedad.
2.- Motivación hacia el uso de la informática como un servicio a la humanidad.
3.- Fomento del rechazo de las aplicaciones informáticas cuyo destino es perjudicial para la
intimidad de las personas físicas o jurídicas.
4.- Promoción del diseño y la gestión de procesos informáticos para automatizar procesos,
modificar condiciones de producción y de calidad, etc.
5.- Fomento de una manera de pensar seria, razonada y crítica para actuar con autonomía e
independencia de criterios.
81
B.13.17.5. Criterios de evaluación:
1.- Resolver cuestiones, ejercicios y problemas.
2.- Realizar análisis de circuitos secuenciales.
3.- Ejecutar actividades prácticas y llevar a cabo una posterior detección de errores y corrección
de los mismos.
4.- Utilizar recursos gráficos e interpretación de simbolismos.
5.- Diseñar circuitos secuenciales a partir de tablas de verdad.
82
C PROYECTO DE INNOVACIÓN EDUCATIVA.
C.1. DATOS GENERALES DEL PROYECTO DE INNOVACIÓN EDUCATIVA.
C.1.1.
Título.
Animación a la lectura en inglés con contenidos tecnológicos, para el alumnado de ESO y
Bachillerato.
C.1.2.
Palabras clave.
Tecnología, Innovación, Inglés.
C.1.3.
Datos del centro donde se desarrolla.
Este proyecto está pensado para ser integrado en cualquier IES de la C.A. de La Rioja donde
se vaya a desarrollar un PILC* de nivel B o C*
* Según la convocatoria vigente de 2015-2016 de Proyectos de Innovación Lingüística en
Centros de la C.A. de La Rioja.
C.1.4.
Profesores participantes en el proyecto.
Nombre del coordinador del proyecto. Según las normas de la convocatoria, el coordinador del
proyecto deberá ser un profesor del departamento de lengua extranjera. Del departamento de
Inglés, en este caso.
Autores; Para participar en la convocatoria sólo hace falta rellenar una instancia antes del día
26 de junio de 2015, pero antes del 10 de junio de 2016, el Coordinador deberá elaborar una
Memoria Final en donde se incluyen los informes docentes de cada uno de los profesores
participantes.
El material de este trabajo ha sido recopilado y elaborado por Miguel Hernández San Martín
pensando en el IES Tomás Mingot y en su tutor de prácticas.
C.1.5.
Breve descripción.
“Animación a la lectura en Inglés con contenidos tecnológicos, para el alumnado de ESO y
Bachillerato”:
- Quiere y debe nacer como un proyecto integrado dentro de otros proyectos de Innovación
Lingüística, con más rodaje dentro del Proyecto Educativo del Centro y bajo las directrices
de la convocatoria de PIL de la Consejería de Educación del Gob. de La Rioja.
- Quiere ofrecer a los alumnos del I.E.S. que participen de manera voluntaria, un material
docente, tecnológico y en inglés y unos contenidos seleccionados, que estén dentro del
Currículum Oficial de la materia de Tecnología.
83
- Quiere ofrecer a los profesores del I.E.S., un trabajo de investigación de los recursos
disponibles en Internet y una manera de proceder, para desarrollar futuros
proyectos similares. Para ello se va a recopilar material didáctico en inglés, para una Unidad
Didáctica por completo. La Unidad Didáctica elegida es la desarrollada en la primera parte
de este Trabajo: “Hidráulica y neumática. Fundamentos físicos”, U.D. nº9, de la
asignatura de Tecnología Industrial II, de 2º de Bachillerato.
C.1.6.
Datos del centro donde se desarrolla.
Este proyecto de innovación lingüística está pensado para ser desarrollado en el I.E.S. Tomás
Mingot de Logroño, como en la primera parte de este TFM, aunque algunos datos que vengan
referidos a él y a sus alumnos, se ha querido de manera consciente que no sean ciertos.
C.2. JUSTIFICACIÓN.
C.2.1. Justificación del proyecto.
Las principales líneas de actuación del “Centro de Formación, Innovación y Asesoramiento en
Materia Educativa”, perteneciente a la Consejería de Educación, Cultura y Turismo de la
Administración General de la C.A. de La Rioja, como se puede ver en su página web, son estas:

Lenguas extranjeras.

Evaluaciones externas.

Libro digital y

Aprender leyendo.
Este proyecto podrá integrarse dentro de la convocatoria de ayudas para los Proyectos de
Innovación Lingüística (PIL) del curso 2015-2016 que finaliza el 26 de Junio de 2015, aunque
también lo podría hacer, fácilmente, en otra convocatoria futura de innovación, de las de la rama
“Aprender leyendo”.
El blog de los proyectos de lectura comprensiva "Aprender leyendo", está pensado como punto
de encuentro e intercambio de ideas en torno a los proyectos de innovación de los Centros
riojanos relativos “a la lectura y su papel en el aprendizaje” http://edurioja.es/aprenderleyendo .
Por lo tanto, es fácil encontrar la justificación teórica a este tipo de proyectos de innovación, si
leyéramos los preámbulos de las bases de las últimas convocatorias de estos proyectos, o los
objetivos o justificaciones escritos en los propios blogs o que se derivan de ellos.
Según la convocatoria en vigor de PIL, este proyecto estaría dentro de la modalidad PILC A. en
cuanto a contenidos procedimentales y dentro de un PILC B, en cuanto a contenidos .
La
definición de cada uno de ellos es la siguiente:
84
PILC A- Utilización de la lengua extranjera para comunicarse con los alumnos en aspectos
relacionados con rutinas, saludos, indicaciones, instrucciones, enunciados, etc.
PILC B- Desarrollo de una Unidad Didáctica en lengua extranjera.


Este proyecto es de participación voluntaria para el alumnado, por lo que sólo se hará referencia
a él, en las clases, de una manera breve y en inglés, a ser posible.
Según la convocatoria:
“Los proyectos tendrán un enfoque metodológico, curricular y organizativo que contendrá los
principios del Aprendizaje Integrado de Contenidos en Lenguas Extranjeras (AICLE)”. Estos
principios los paso a desarrollar en el siguiente punto, fundamentación teórica.
C.2.2. Fundamentación teórica.
El Aprendizaje Integrado de Contenidos y Lenguas Extranjeras (AICLE, en inglés, Content and
Language Integrated Learning, CLIL) se utiliza con frecuencia como sinónimo de inmersión
lingüística. Es un término creado en 1994 por David Marsh para describir una corriente de
la lingüística aplicada que propugna que: “En los contextos escolares de aprendizaje de las lenguas
extranjeras a través de materias comunes, existe un mayor éxito en el aprendizaje de las mismas,
que en Centros donde se estudian las lenguas extranjeras por medio de los currículos funcionales,
que las tratan de una manera
aislada, en situaciones forzadas o inventadas y en asignaturas
independientes”.
C.2.2.1. Principios del AICLE.
El Aprendizaje Integrado de Contenidos y Lenguas Extranjeras se asienta en cuatros principios
clave:
● Primer Principio. Colocar con éxito el contenido y la adquisición de conocimientos, destrezas y
comprensión, inherentes a esa disciplina, en el corazón mismo del proceso de aprendizaje.
Para entender este primer principio, por ejemplo, si nuestra lengua materna fuera el inglés y
nuestro “amor por la Salsa” nos animara a aprender castellano, seguramente la lectura de
un libro titulado “La salsa y el merengue”, nos llamaría más la atención y este
esfuerzo sería más productivo para nosotros, que leer un libro de “Salsa
music and merengue dance” y otro de “Habla castellano con acento cubano”.
Y poniendo un ejemplo más acorde con la U.D. para la que he desarrollado el Proyecto:
Si te pidiera que me definieras “tubo capilar” o “el fenómeno de la capilaridad”, igual te
quedarías en blanco al principio; Pero si te dijera que te imaginaras a Leonardo Da Vinci
que fue el primero que estudió el fenómeno de la capilaridad y te pidiera que
me definieras “tubo capillare”, seguramente se te encendería algo sobre tu cabeza.
● El segundo principio define al lenguaje como conducto para la comunicación y el aprendizaje.
85
Desde ésta perspectiva, el lenguaje se aprende a través de su uso en situaciones no
ensayadas pero puestas como un “andamiaje” (las tareas deben ser planificadas
empezando por las más concretas a las más abstractas en paralelo con un lenguaje
concreto hasta el más abstracto: Desde al aprendizaje de lo concreto por lo concreto al
aprendizaje de lo abstracto por lo abstracto).
Es decir, el segundo principio dice dos cosas:
La primera, que aprender en castellano y en inglés una técnica que vas a poder aplicar en tu
futuro profesional, te va a ayudar a forjar un “andamiaje” más robusto sobre el que
construir futuros conocimientos en esta materia.
Y la segunda, lo explicaré con un ejemplo:
Pidámosle a Guardiola que te conjugue el Pretérito perfecto simple de una lista de
verbos en alemán
y seguramente no sepa hacerlo, pero pídele que te explique sus
sensaciones, en idioma Alemán, antes de un partido de fútbol, he igual consigues
que su cara de póker normal, antes de los partidos, comunique más sensaciones que
si lo hiciera en catalán.
● El tercer principio es que este tipo de aprendizaje, dice que debe suponer un reto cognitivo para
los alumnos: Para que puedan desarrollar sus destrezas de pensamiento en conjunción con
sus habilidades básicas de comunicación interpersonal y su competencia en el lenguaje
cognitivo-académico.
Esto quiere decir que la dificultad de la empresa va a ser inversamente proporcional a la
motivación de los alumnos para conseguirla.
… Presentemos pues este Proyecto voluntario para los alumnos, como un trabajo difícil, al
alcance de solamente los mejores.
● El cuarto principio comprende la multiculturalidad; Como la lengua, el pensamiento y la cultura
se encuentran ligados, el CLIL ofrece oportunidades a los alumnos de interactuar con otra/s
culturas.
Esto quiere decir que, en cualquier intercambio cultural con otro Instituto, por ejemplo, un/a
alumno/a
llamará más la atención positivamente a todos y tendrá más oportunidades de
interactuar con la otra cultura, si consigue hablar algo de tecnología en inglés, en clase de
tecnología, que si se sabe
desenvolverse de manera más o menos académica.
C.2.3. Análisis de necesidades. (Problemas, causas, alternativas / soluciones).
La conclusión del Informe Pisa sobre España dice:
“Los estudios evidencian que nuestros alumnos tienen dificultades para interpretar y/o descodificar
textos o mensajes (escritos o visuales) sobre lo que les rodea”.
86
Por otra parte, analizando este Proyecto con las necesidades humanas según la Pirámide de
Maslow y lo comparáramos con otro que estuviera más enfocado a cumplir los objetivos de las dos
materias, Inglés o Tecnología Industrial II por separado, seguramente ganaríamos nosotros: Empleo,
confianza, respeto, resolución de problemas, espontaneidad, creatividad, etc…
Figura 5. Pirámide de Maslow.
C.3. OBJETIVOS.
C.3.1. Objetivos generales.
1) Dentro del Marco estratégico para la cooperación europea en el ámbito de la educación y la
formación (ET 2020), en el informe de 2013 titulado “Un nuevo concepto de educación”, se
establece que:
El objetivo de los sistemas educativos no puede ser otro que el desarrollo de las aptitudes
o competencias básicas de sus ciudadanos”.
Recordamos que las nuevas competencias clave en el Sistema Educativo Español, eran:
a) Comunicación lingüística.
b) Competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología.
c) Competencia digital.
d) Aprender a aprender.
e) Competencias sociales y cívicas.
f) Sentido de iniciativa y espíritu emprendedor.
g) Conciencia y expresiones culturales.
Salta a primera vista que la forma en la que hemos enfocado ya este Proyecto de Innovación, las
va a desarrollar. Luego entraremos a desarrollarlas más.
También tenemos que cumplir con los Objetivos de cada una de las disciplinas en cada uno de
los cursos: Tecnología de 1º de la ESO, Taller de Tecnología de 2º, Tecnología de 3º o 4º,
Tecnología Industrial I y II, etc…Aunque me centraré en los objetivos específicos para la U.D.
nº 9, desarrollada en la primera parte de este TFM.
87
C.3.2. Objetivos específicos.
Los objetivos específicos se basan en cumplir:

Los principios del Aprendizaje Integrado de Contenidos en Lenguas Extranjeras
(AICLE), ya expuestos en el punto anterior.

Y los de la Unidad Didáctica elegida para su desarrollo, es decir, la U.D. 9, ya explicados
en la primera parte del Trabajo.
Además, habrá que recoger, una vez que el Proyecto se concretice en el Instituto elegido:

Los objetivos específicos del Proyecto Educativo del Centro que le afecten.

Los objetivos del Proyecto de Innovación Lingüística ya existente en el Instituto.
Serán objetivos que diferencian a este PIL de otros de la misma convocatoria, estos:
1) Motivar a los alumnos más motivados por la Tecnología, en el Inglés.
2) Motivar a los alumnos más motivados en el Inglés, por la Tecnología.
3) Que los alumnos vean a la asignatura de Tecnología como la asignatura que más retos
personales les brinda.
4) Que los alumnos que no tengan ordenador en casa, puedan participar en este proyecto.
Y como objetivos más específicos del bloque al que pertenece esta Unidad Didáctica, estarían
estos:
1) Become familiar with the different components of pneumatic and hydraulic circuits, and
how they are most commonly used in industrial systems.
2) Analyse the composition and the functionality of the elements that make up pneumatic and
hydraulic systems, and the function that they carry out when used in a system.
3) Learn to use and control the components of these systems, and to understand the main
factors that were involved when designing and constructing them.
4) Use knowledge acquired to design and build simple pneumatic and hydraulic circuits,
using the appropriate graphic resources, systems of symbols, vocabulary and technological
media.
5) Analyse and understand the influence on society of the use of new technologies, the
automation of processes and developments in robotics.
6) Develop an interest in technology, showing initiative by carrying out research on new
technological developments, and...
7) Understand the basic physical principles of the behaviour of pneumatic and hydraulic
fluids.
Finalmente, como podemos comprobar en la web del CeFIAME, el Centro de Formación,
Innovación y Asesoramiento en Materia Educativa de la C.A. de La Rioja, el I.E.S. Tomás Mingot,
88
participa con otros 4 centros en un Proyecto CLIC (Competencia lingüística integrada
en
centros), que tiene como objetivo principal:
“Sistematizar, estructurar y extender las buenas prácticas derivadas de la puesta en marcha de
diferentes PLC (Proyectos Lingüísticos de Centros), como parte de los Proyectos Educativos del
Centro”.
C.4. CONTENIDOS ESPECÍFICOS, ACTIVIDADES, METODOLOGÍA.
C.4.1. Metodología.
Este PIL, se ofrecerá como actividad voluntaria al alumnado que curse Tecnología Industrial I.
(Aunque también se puede ofrecer al alumnado que haya cursado Tecnología Industrial II, como
actividad voluntaria a realizar durante su verano).
La metodología de aplicación de este PIL, se podría resumir en las siguientes fases:
C.4.1.1. Fase 1ª.
Cada profesor del Departamento de Tecnología participante en el Proyecto de Innovación
Lingüística, se coordinará con un profesor del departamento de inglés para recopilar material
didáctico relativo a una U.D. de una asignatura de tecnología.
Para este ejemplo concreto, la U.D. elegida ha sido:
“Physical principles of the behaviour of pneumatic and hydraulic fluids”, la misma que la
desarrollada en la primera parte del Trabajo en castellano.
C.4.1.2. Fase 2ª.
En el caso de esta U.D. desarrollada, a mediados de la 2ª Evaluación de Tecnología Industrial I
de 1º de bachillerato, tras la explicación de la U.D.12 titulada, “Elementos mecánicos transmisores
del movimiento”…
… El profesor anunciará en clase la participación voluntaria del alumnado en este proyecto y
repartirá a todos 2 documentos:
 Una tabla con las palabras clave de la Unidad Didáctica, traducidas del inglés al castellano,
 Y una tabla con la conversión de unidades del Sistema Internacional, al Sistema
Norteamericano.
 Para el ejemplo concreto de la U.D. desarrollada, tendríamos estas:
89
Tabla 6. Palabras clave
Tabla 7. Unidades empleadas en la U.D.
90
Tabla 8. Conversión de unidades.
C.4.1.3. Fase 3ª.
El profesor dedicará 10 minutos al principio de cada clase, a proyectar vídeos de youtube de clases
magistrales en inglés referentes a la U.D., antes de que esta se explique en castellano, estando estos
contenidos cuidadosamente seleccionados y con el objetivo de que:

Sean similares a lo que se explicará en clase en castellano.

Exista una homogeneidad y seriedad científica en los mismos y quitando importancia a la
variedad de fuentes o la espectacularidad de los mismos.
Para el caso de la U.D. desarrollada, he elegido estos:
91

https://www.youtube.com/watch?v=vy2LW9tUFHA

https://www.youtube.com/watch?v=wTnI_kfPBhQ

https://www.youtube.com/watch?v=ev9XyuLwjuI

https://www.youtube.com/watch?v=C0ujLqKPWew

https://www.youtube.com/watch?v=wHMHxO9Ys_0

https://www.youtube.com/watch?v=wykn-JTnacE

https://www.youtube.com/watch?v=IneyT4kRDAU

https://www.youtube.com/watch?v=R7Fz8q0lOSo
Concepto de densidad.
Concepto de viscosidad
Concepto de tensión superficial.
Concepto de energía potencial y de presión.
Principio de Pascal.
Ecuación de continuidad
Ecuación de Bernouilli
Aplicación de la Ec. de Bernouilli.
Venturímetro.
Figuras 9. Propuesta de vídeos para la Fase 3ª
92
Flujo laminar – Flujo trubulento – Número de
Reynolds
C.4.1.4. Fase 4ª.
Presentación al alumnado de una primera batería de actividades de fácil y rápida resolución, teniendo
en cuenta los conocimientos que ya poseen en castellano sobre esta U.D.
Los mejores alumnos en esta pequeña prueba, tendrán derecho a una copia gratuita en papel de los textos
teóricos desarrollados en inglés.
Para el caso de la U.D. desarrollada, se proponen por ejemplo, estas:
Actividad 1. Preguntas cortas.
1. Fluids. What does the term of fluids include?
2. What does Hydrostatics and Hydrodynamics
study?
3. Compare and contrast the models of an ideal liquid
and an ideal gas.
4. Pressure. What is the unit of pressure, and what is
its dimension?
Fichas 10. Actividades propuestas para la Fase 4ª
Fichas 11. Actividades propuestas para la Fase 4ª
93
Actividad 1. Solución.
1. Fluids = Liquids + gases
2. Hydrostatics. Deals with liquids at rest.
Hydrodynamics. Studies liquids in motion
3.
Ideal
liquid.
Perfectly
(completely)
incompressible + perfectly fluid = non-viscous
Ideal gas; perfectly (completely) compressible +
perfectly fluid = non-viscous
4. Pressure. Pressure is a scalar quantity
[p] = Pascal = Pa = N/m2 p = F/S
- Where F – the magnitude of a normal force, and
- S is the area that is acted by the normal force
(perpendicularly)
Fichas 12. Actividades propuestas para la Fase 4ª
Fichas 13. Actividades propuestas para la Fase 4ª
Fichas 14. Actividades propuestas para la Fase 4ª
94
Fichas 15. Actividades propuestas para la Fase 4ª.
C.4.1.5. Fase 5ª.
Como he explicado antes, los mejores alumnos en esta pequeña prueba, tendrán derecho a una
copia prácticamente gratuita, en papel, de las lecturas técnicas en inglés seleccionadas:

Estos textos se presentarán en el mismo orden que los contenidos expuestos en castellano en
clase.

Se les avisará a los alumnos que estos contenidos están más desarrollados que lo explicado en
clase, pero que están seleccionados para que se puedan entender con los conocimientos
técnicos que ya tienen y su nivel de inglés.
Para el caso de la U.D. desarrollada, las lecturas seleccionadas se exponen en el Anexo II de este
Trabajo Fin de Máster.
C.4.1.5. Fase 6ª.
Se invitará a los alumnos a que desarrollen resúmenes, actividades, comentarios, notas aclaratorias,
esquemas, pequeñas actividades de dichos textos, etc… con el fin de compartirlas con el resto de
compañeros, o exponerlas brevemente en la clase de inglés o en la de tecnología.
En el caso concreto de la U.D. desarrollada, se han seleccionado una serie de actividades o
proyectos para que los alumnos/as se puedan juntar en grupos de trabajo con el objetivo final de hacer
una presentación al resto de la clase sobre lo trabajado.
Para el caso de la U.D. desarrollada, las actividades en grupo seleccionadas se exponen en la
segunda parte del Anexo II de este Trabajo Fin de Máster.
C.5. COMPETENCIAS CLAVE DESARROLLADAS.
A continuación, se expone la justificación de por qué las actividades del Anexo II, desarrollan las
competencias clave:
95
C.5.1. Comunicación lingüística.
- Estas actividades, no sólo enriquecen el conocimiento del componente lingüístico, sino su desarrollo
en situaciones comunicativas concretas y contextualizadas.
- Estas actividades, consideran la lectura como destreza básica y como fuente de disfrute y aprendizaje
a lo largo de la vida.
- Estas actividades están dentro del Proyecto Lingüístico de Centro que forme parte del Proyecto
Educativo de Centro y, con estas actividades, en un futuro, se pretende crear una biblioteca técnica en
inglés, encuadernada por Unidades Didácticas de Tecnología.
C.5.2. Competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología.
- En este proyecto se recopilan actividades para practicar conocimientos con números, medidas y
estructuras, así como operaciones y representaciones matemáticas y la comprensión de términos y
conceptos matemáticos.
- Actividades para emitir juicios fundados y seguir cadenas argumentales en la realización de cálculos.
- Análisis de gráficos y representaciones matemáticas, y manipulación de expresiones algebraicas.
- Actividades que relacionen el conocimiento conceptual y el conocimiento procedimental.
- Actividades que enseñan sobre la cuantificación del mundo, comprendiendo las mediciones, los
cálculos, las magnitudes, las unidades, los indicadores, el tamaño relativo y las tendencias y patrones
numéricos.
- Actividades para entender, las relaciones temporales y permanentes entre los objetos y las
circunstancias, donde los cambios se producen dentro de sistemas de objetos interrelacionados.
Utilizar modelos matemáticos adecuados para describirlo y predecirlo.
- Actividades para reconocer la admisión de incertidumbre y error en las mediciones y los
conocimientos sobre el azar. Interpretación y valoración de las conclusiones.
- Actividades que proporcionen un acercamiento al mundo físico y a la interacción responsable con él.
- Actividades para contribuir al desarrollo del pensamiento científico.
- Actividades para identificar, plantear y resolver situaciones de la vida cotidiana.
- Actividades para abordar los saberes o conocimientos científicos relativos a la física, las matemáticas
y la tecnología, los cuales se derivan de conceptos, procesos y situaciones interconectadas.
- Actividades para el fomento de destrezas que permitan utilizar y manipular herramientas y máquinas
tecnológicas, así como utilizar datos y procesos científicos para alcanzar un objetivo, es decir,
identificar preguntas, resolver problemas, llegar a una conclusión o tomar decisiones basadas en
pruebas y argumentos.
- Actividades para comprender los tecnológicos: derivados, básicamente, de la aplicación de los
saberes científicos a los usos cotidianos de instrumentos, máquinas y herramientas y al desarrollo de
nuevas tecnologías asociadas a las revoluciones industriales, que han ido mejorando el desarrollo de
los pueblos.
- Actividades de Investigación científica. Con propuestas de preguntas, búsqueda de soluciones,
indagación de caminos posibles para la resolución de problemas, contrastación de pareceres, etc…
- Actividades para comunicar la ciencia.
- Actividades para usar de modo correcto el lenguaje científico.
- Actividades para la unificación del lenguaje científico como medio para procurar el entendimiento.
96
C.5.3. Competencia digital.
- En este proyecto se recopilan actividades para saber transformar la información en conocimiento.
- Actividades para aprender a crear contenidos.
C.5.4. Aprender a aprender.
- En este proyecto se recopilan actividades para mejorar la habilidad para iniciar, organizar y persistir
en el aprendizaje.
- Actividades que desemboquen en un aprendizaje cada vez más eficaz y autónomo.
- Actividades para fomentar conocimientos y destrezas que requieren la reflexión y la toma de
conciencia de los propios procesos de aprendizaje.
- Actividades para fomentar destrezas de autorregulación y control inherentes a la competencia de
aprender a aprender.
- Actividades para manifestar Aprender a aprender tanto individualmente como en grupo.
C.5.5. Competencias sociales y cívicas.
- En este proyecto se recopilan actividades para fomentar destrezas como la capacidad de comunicarse
de una manera constructiva en distintos entornos sociales y culturales, mostrar tolerancia, expresar y
comprender puntos de vista diferentes, negociar sabiendo inspirar confianza y sentir empatía.
C.5.6. Sentido de iniciativa y espíritu emprendedor.
- En este proyecto se recopilan actividades para transformar las ideas en actos.
- Actividades para construir el cimiento de otras capacidades y conocimientos más específicos.
- Actividades para fomentar las siguientes destrezas o habilidades esenciales: Capacidad de análisis,
capacidad de adaptación al cambio y resolución de problemas, comunicación, presentación, habilidad
para trabajar, tanto individualmente como dentro de un equipo, pensamiento crítico, autoconfianza,
evaluación y auto-evaluación, etc…
C.5.7. Conciencia y expresiones culturales.
- En este proyecto se recopilan actividades para que incorporen un componente expresivo referido a la
propia capacidad estética y creadora y al dominio de aquellas capacidades relacionadas con los
diferentes códigos científicos y culturales, para poder utilizarlas como medio de comunicación y
expresión personal.
- Actividades que fomenten la adquisición de conocimientos que permitan acceder a las distintas
manifestaciones sobre la herencia cultural (patrimonio cultural, tecnológico, medioambiental, etcétera)
a escala local, nacional, europea y mundial.
C.6. MATERIAS O ASIGNATURAS REALCIONADAS.
Tecnología Industrial II, Tecnología Industrial I, Inglés y Matemáticas, principalmente.
97
C.7. EQUIPO DOCENTE QUE LO VA A LLEVAR A LA PRÁCTICA.
Este apartado, que precisamente es lo único que pide la Consejería para poder inscribirse en la
convocatoria, aún no está decidido. Por lo que se adjunta la Ficha de Inscripción descargada de la web.
PROYECTOS DE INNOVACIÓN LINGÜÍSTICA EN CENTROS
(Curso 2015/2016)
ANEXO I: Modelo de solicitud
D./ Dª. ________________________________________________________________________
(Nombre y dos apellidos)
DIRECTOR/A DEL CENTRO ___________________________________________________________
(Denominación oficial del centro)
DE
_________________________________________________________________________________
(Localidad)
Solicita participar en un Proyecto de Innovación Lingüística en Centros, en los términos y condiciones
que se señalan en la convocatoria para el curso 2015/2016.
El número total de docentes participantes es de ____, de los cuales el Coordinador del
Proyecto es: D./Dª. ______________________________________________________
Correo electrónico: _________________________________
Las medidas organizativas adecuadas (Base Undécima, 1) previstas para posibilitar la puesta en
marcha y el desarrollo del proyecto, son:
-..
……………………., a……… de ………………... de 2015
Fdo.:
ILMO. SR. CONSEJERO DE EDUCACIÓN, CULTURA Y TURISMO DEL GOBIERNO DE LA RIOJA
Profesorado Participante. (Por orden alfabético)
APELLIDOS -NOMBRE
MODALIDAD
IDIOMA
C
C (*), datos del/de la Coordinador/a
Ficha 16. Ficha de Inscripción al Proyecto de Innovación.
98
ETAPA EDUCATIVA
ÁREA/MATERIA
ANEXO II: PROYECTO DE CADA PARTICIPANTE
(Los anexos de todos los participantes deberán aparecer ordenados alfabéticamente en la solicitud)
NOMBRE Y APELLIDOS……………………………………………………………., D.N.I. ……………………
CENTRO…………………………………………………………………………………………………………….
MODALIDAD POR LA QUE PARTICIPA (A), (B) O (C): ……………...ETAPA EDUCATIVA EN LA QUE
VA
A
DESARROLLAR
EL
PROYECTO……………………………………………………………………………….
(Especificar curso o ciclo formativo)
ÁREA
O
MATERIA
DEL
EN
EN
PROYECTO…………………………………………
IDIOMA
……………………..
PARTICIPACIÓN
PILC
EL
CENTRO
ACTUAL
(SI/NO)
………..
EN
OTRO
CENTRO(SI/NO)…………(EN CASO AFIRMATIVO INDICAR AÑO/S Y NOMBRE DEL/DE LOS
CENTRO/S)
…………………………………………………………………………………………………………………………
…
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO (Puede ampliar espacio electrónicamente o con hoja adicional)
1.- Objetivos:
2- Aspectos (Modalidad A) y contenidos (Modalidad B y C) que se impartirán en la lengua extranjera:
3.- La metodología, recursos y medidas que se van a utilizar para que el desarrollo de este proyecto no
afecte negativamente al proceso de enseñanza aprendizaje ni a las calificaciones finales de los
alumnos son las siguientes:
................................., a ………… de ………………... de 2015
Fdo.:
ILMO. SR. CONSEJERO DE EDUCACIÓN, CULTURA Y TURISMO DEL GOBIERNO DE LA RIOJA
Ficha 17. Ficha de Inscripción al Proyecto de Innovación.
99
C.8. PARTICIPACIÓN DEL RESTO DE LA COMUNIDAD EDUCATIVA.
C.8.1. Alumnos.
Los contenidos de este Proyecto de Innovación Lingüística, se tienen que basar en el Currículum
Oficial de las asignaturas de Tecnología, pero creemos que el triple salto mortal que significa para el
alumno aprender esos mismos contenidos en inglés, no debería de hacerse por obligación o con la
amenaza de una mala calificación, ya que esto podría desembocar en comportamientos de rechazo y
estrés hacia estas asignaturas.
Si lo hiciéramos, correríamos el riesgo de conseguir un alumno bien formado en ambas materias,
pero también habríamos conseguido que, al final, las que hubieran cogido manía él y su familia.
Creemos que este tipo de aprendizaje interdisciplinar no se debería de hacer por obligación.
Creemos que este tipo de aprendizaje no se debería de hacer con unos contenidos encorsetados y sí con
una tutorización del profesor, para que el alumno/a que quiera hacerlo voluntariamente, no se salga
demasiado de los contenidos de la asignatura.
También con la acción del profesor y/o la familia como herramientas catalizadoras, para que el
alumnado se sienta apoyado desde fuera.
En resumen, evaluando lo trabajado, pero no calificándolo de manera negativa.
C.8.2. Familia.
La participación de las familias se hará a través del Consejo Escolar. El Claustro y el Consejo
Escolar deben de aprobar este proyecto de innovación antes de su implantación. (Base QuintaRequisitos de la convocatoria).
Las familias verán como algo positivo que, para este trabajo, el alumno/a no va a necesitar de tiempo
de trabajo delante de la pantalla del ordenador, con lo que se favorecerán los cauces de comunicación
entre alumno y familia. Estar en el salón, todos leyendo, sin tener la televisión encendida, es un bonito
objetivo para las familias.
C.8.3. Otros Centros e Instituciones.
Este Proyecto está dentro de las principales líneas de actuación del “Centro de Formación,
Innovación y Asesoramiento en Materia Educativa”, perteneciente a la Consejería de Educación,
Cultura y Turismo de la Administración General de la C.A. de La Rioja.
Además, los proyectos de innovación relativos a las lenguas extranjeras, son los más activos en el
“CeFIAME, en su página, hay tres blogs creados donde se puede poner en común con otros Centros,
experiencias similares y distintos proyectos de innovación de esta rama. Son estos:
1) Competencia lingüística integrada en Centros: http://edurioja.es/clic
100
2) El foro de las lenguas: http://forolenguas.edurioja.org
3) El espacio colaborativo del grupo de trabajo de lenguas: http://let.edurioja.org
Este proyecto podrá integrarse dentro de la convocatoria de ayudas para los Proyectos de Innovación
Lingüística (PIL) del curso 2015-2016 que finaliza el 26 de Junio de 2015, pero lo podría hacer
fácilmente en otro tipo de convocatoria.
C.9. RECURSOS.
C.9.1. Materiales.
Es nuestro deseo que a lo largo de los años se consiga recopilar un dossier en inglés con contenidos
tecnológicos, encuadernado por Unidades Didácticas, que esté siempre en circulación entre los
alumnos del Centro.
Se propone dejar previsto, como premio para incentivar a los alumnos participantes, varios e-Books
de regalo.
C.9.2. TICs a utilizar.
A parte de ordenador con conexión a internet y cañón para proyectar en el aula a todo el alumnado
los vídeos propuestos , se partirá del principio de que los alumnos participantes no tienen acceso a las
TIC fuera del Instituto y sí dentro de él.
Para ello se reservará una hora a la semana de un aula de ordenadores con conexión a internet.
Durante esa hora, los alumnos podrán consultar sus dudas referentes al texto que tienen en papel y
preparar el día de su exposición al resto de la clase.
C.10. CRONOGRAMA DE IMPLANTACIÓN.
1º Preparación de la U.D.
Durante el mes de Junio y Septiembre de 2015.
2º Presentación a los alumnos del proyecto de las “key words” y “las tablas de unidades”.
Semana del 1 al 5 de Febrero de 2016.
3º Proyección de vídeos en inglés.
Semana del 8 al 12 de Febrero de 2016.
4º Pequeña prueba de control.
Semana del 15 al 19 de Febrero de 2016.
5º Copia en papel de las lecturas técnicas en inglés seleccionadas.
Antes de las Vacaciones de Semana Santa de 2016.
6º Presentación por grupos de lo trabajado, al resto de la clase.
Durante el mes de Junio.
7º Autoevaluación del PIL e redacción del informe final
Durante el mes de Junio.
101
C.11. EVALUACIÓN.
C.11.1. Evaluación continua.
Se dice expresamente en la convocatoria de estos PIL que, “el desarrollo de este proyecto no afecte
negativamente al proceso de enseñanza aprendizaje, ni a las calificaciones finales de los alumnos”.
Como se ha comentado en varias fases de este proyecto, se van a hacer evaluaciones en las distintas
fases:
1º Fase. El proyecto deberá aprobarse por la comunidad educativa. (Según normas de la convocatoria).
4º Fase. Una pequeña prueba de control servirá para identificar a los alumnos verdaderamente
interesados en participar en este Proyecto, recibiendo prácticamente gratis, el material preparado.
6º Las presentaciones de los trabajos en clase, servirán para que los alumnos se midan y autoevalúen.
C.11.2. Evaluación final.
Según la convocatoria; Base decimotercera:
“Los centros participantes deberán presentar a la Comisión de Selección y Seguimiento hasta el día 10
de junio de 2016, inclusive, una Memoria Final en soporte digital. Dicha memoria, elaborada por el
Coordinador, incluirá una valoración global del desarrollo del Proyecto y los informes de cada uno de
los docentes que hayan participado en el Proyecto de Innovación Lingüística en Centros. Estos
informes han de contener los siguientes apartados: - Diseño de la/s unidad/es didáctica/s con la
planificación de actividades y secuenciación de las mismas según la aplicación del enfoque
metodológico, curricular y organizativo que contiene los principios del aprendizaje integrado de
contenidos y lengua extranjera (AICLE). - Materiales elaborados y/o utilizados en el desarrollo del
proyecto en formato digital. – Y valoración del grado de consecución de los objetivos previstos en el
Proyecto.
C.12. FORMACIÓN (DE LOS DOCENTES)
Según la convocatoria, (Base Decimocuarta) este proyecto computa como 20 horas de formación para
los participantes de la modalidad de PIL del tipo A, 45 en los PIL de tipo B y 70 horas en los PIL de
tipo C.
No se cree necesaria una formación extra de los docentes para este PIL, ya que dentro de los requisitos
de la convocatoria:
“b) Los docentes que soliciten participar, deberán justificar con los certificados oportunos, los
conocimientos de inglés, de acuerdo con lo siguiente:
Nivel B2 para los PIL de las modalidades B o C.
Nivel B1 para los PIL de la modalidad A”
102
C.13 PRESUPUESTO
C.13.1. Presupuesto inicial de implantación. (Autofinanciamiento, subvenciones).
(P.A.) Partida Alzada a Justificar.
P.A. de consultor independiente al Centro
200 €
P.A. de formación de profesorado
200 €
P.A: de material fotocopiable y encuadernable
200 €
P.A. de amortización de TICs del Centro y renovación de las mismas
800 €
P.A. de material para poder realizar actividades
200 €
P.A. de incentivos a alumnos en premios
200 €
P.A. de publicidad a familias y otra divulgación
200 €
Total. 2.000 Euros.
C.12.2. Presupuesto de conservación.
P.A. anual, de consultor independiente al Centro
100 €
P.A. anual, de formación de profesorado
100 €
P.A: anual, de material fotocopiable y encuadernable
100 €
P.A. anual, de amortización de TICs del Centro y renovación.
400 €
P.A. anual, de material para poder realizar actividades
100 €
P.A. anual, de incentivos a alumnos en premios
100 €
P.A. anual, de publicidad a familias y otra divulgación
100 €
Total. 1.000 Euros.
En Logroño, a 22 de Junio de 2015
Miguel Hernández San Martín.
103
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
ANEXO I
TRABAJO FIN DE MÁSTER
MÁSTER UNIVERSITARIO EN PROFESORADO DE ESO, FP,
ENSEÑANZA DE IDIOMAS Y BACHILLERATO
ESPECIALIDAD DE TECNOLOGÍA
Actividades y problemas de la U.D. 9.
NEUMÁTICA E HIDRÁULICA, FUNDAMENTOS FÍSICOS.
Autor: Miguel Hernández San Martín
Tutor; Antonio Moisés Zorzano Martínez
Escuela de Máster y Doctorado
Curso 2014 - 2015
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
1) Breve introducción a la neumática y a la hidráulica. ..........................................................................................3
2) Esquema general de conceptos estudiados en la U.D. ........................................................................................4
3) Definición de densidad absoluta, relativa y peso específico. ..............................................................................5
4) Problema de compresibilidad. ............................................................................................................................5
5) Problema de viscosidad. .....................................................................................................................................6
6) Ecuación de continuidad. ...................................................................................................................................8
7) Teorema de Bernouilli (Sin pérdidas de carga). ..................................................................................................8
8) Aplicaciones hidráulicas de la Ecuación de Bernouilli. ........................................................................................9
8.1.) Velocidad de salida de agua por un orificio. ................................................................................................................. 9
8.2.) El tubo Venturi. ......................................................................................................................................................... 10
8.3.) El tubo de Pitot. ........................................................................................................................................................ 10
9) Teorema de Bernouilli con pérdidas de carga. .................................................................................................. 11
10) Ejemplos de representaciones del teorema de Bernouilli con pérdidas de carga. .......................................... 12
11) El régimen laminar, el régimen turbulento y el número de Reynolds. ............................................................ 13
11) Potencia de Bombas y Turbinas. ..................................................................................................................... 14
12) Presión de vapor y cavitación. ........................................................................................................................ 14
13) Ecuación de la cantidad de Movimiento y ejercicio. ....................................................................................... 15
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
1) Breve introducción a la neumática y a la hidráulica.
- Neumática;
Proviene del griego pneuma, ‘aire’). Tecnología del aire.
- Hidráulica;
Del griego hydraulikós; palabra compuesta formada por “hidro” (agua) y “áulikos” (tubo).
- Ramas de la mecánica de fluidos (Estudia el movimiento de los fluidos y las fuerzas que lo provocan).
Otras ramas; Acústica, Aerodinámica, Aeroelasticidad, Oleohidráulica, Hidrostática e hidrodinámica
(Partes de la Hidráulica), Hemodinámica, Reología y Tránsito vehicular.
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
2) Esquema general de conceptos estudiados en la U.D.
- Ecuaciones fundamentales de la mecánica de fluidos (hidráulica y oleohidráulica):
1) Principio de Pascal. La prensa hidráulica.
2) La ecuación de continuidad.
3) La ecuación de energía; (Ecuación de Bernouilli).
4) Ecuación de cantidad de movimiento.
- Las ecuaciones fundamentales de la neumática, además de las ya dichas:
1) Ley de Boyle – Mariotte.
2) Leyes de Gay – Lussac.
3) Ecuación de estado de los gases.
4) Las ley fundamental de los gases.
- Tipos de fluidos / flujos:
- Fluidos newtonianos. (Viscosidad constante en el tiempo)
- Fluidos no newtonianos. (Miel, geles, sangre) (Ojo resistencia a oxidación de los aceites)
- Flujos compresibles. (Los gases)
- Flujos incompresibles. (Los líquidos son prácticamente incompresibles.)
Para unos problemas supondremos líquidos incompresibles y para otros no.
- Flujos laminares. (Movimiento ordenado) (A lo largo de unas líneas de corriente)
- Flujos turbulentos. Número de Reynolds.
- Propiedades y conceptos de los fluidos:
Densidad.
Compresibilidad
Viscosidad
Densidad; (Común a todos los sólidos, líquidos y gases)
Presión de vapor
=> Cavitación
Resistencia a la oxidación.
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
3) Definición de densidad absoluta, relativa y peso específico.
A) Densidad absoluta: relación entre masa y volumen
B) Densidad relativa:
r 

m
V
f
 a Densidad absoluta / Densidad del agua destilada a 4ºC
C) Peso específico: relación entre el peso (en Nw) y el volumen (m3).
4) Problema de compresibilidad.
Enunciado:
Una esfera hueca, indeformable, de 2 m. de diámetro, se encuentra llena de agua.
Se le conecta un tubo de 1 cm . de Ø y de 10 m de altura con una válvula cerrada en su parte inferior.
Se llena el tubo de agua y se abre la válvula.
Se pide; Calcular la altura que alcanzará el agua en el tubo al llegar a su posición de equilibrio.
DATO; MÓDULO DE COMPRESIBILIDAD DEL AGUA; 2.10⁸ Kp./m²
Conocimientos teóricos:
. Masa de 1 m³ de H₂O; 1000 kg
; Peso H₂O=1000 kg . 9’8 m/s²
kg.m/ s²=N = Newton
ɣ H₂O = Peso específico del agua.
1.000 kgf/ m³= ɣ H₂O = Peso específico del agua.
9.800 N/m³=
= Módulo de compresibilidad.
V₀ . ΔP . cte = ΔV →
[ ]=
Volumen de una esfera; V₀ .
. π. R³
;
Para el agua
Volumen de un cilindro; Base. h = s . h
PRINCIPIO DE PASCAL.
La presión ejercida sobre un fluido
confinado en un recipiente, se transmite
íntegramente en todas las direcciones,
actuando perpendicularmente a las
paredes del recipiente
= ΔP
ΔP =
=
También se cumple
V1 = V2 → A1.S1 = A2.S2
RESOLUCIÓN DEL PROBLEMA:
ΔP =
=
Por el principio de Pascal; Siendo h la altura de equilibrio.
Volumen inicial de agua en la esfera. V₀ .
. π. R³
Volumen que desciende el agua al abrir la válvula = V₁ = s. (10 – h) = Volumen que ha pasado a la esfera.
La disminución de volumen en la esfera está relacionada con
→
V₁ = ΔV Sustituyendo y despejando en la ecuación, nos da h=7’89 m
5) Problema de viscosidad.
Conocimientos teóricos:
Se define viscosidad de un fluido, a la relación existente entre el esfuerzo cortante entre las partículas de
un fluido y la velocidad de las mismas.
La viscosidad sólo se manifiesta en los líquidos en movimiento.
La viscosidad se manifiesta, como oposición del fluido a sus deformaciones tangenciales.
Viscosidad dinámica = Viscosidad absoluta;
Unidades; [μ ]=
=
N/m² . s = Pa.s
g/s.cm = poise
=
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
Viscosidad cinemática. (Es el cociente entre μ y su densidad).
ν
y [ ρ] =
Unidades; Como [μ ]=
[ ]=
=
m²/s
o
cm²/s =stoke
Como en el sistema CGS la densidad del agua es 1 g/m³, en el agua, 1 poise = 1 stoke
Más conocimientos previos;
Densidad relativa = Cociente entre la densidad de una sustancia.
La del agua destilada a 4ºC y 1 atm = 1 g/cm³)
La del aire a 0ºC y 1 atm = 1,29 kg/m³
ρ=
Enunciado del problema:
Un cilindro circular de “P 700 gr” kg de peso, “r”=0,1 m de radio y “L”=0,3m de altura,
puede deslizar por el interior de otro de longitud indefinida y cuyo radio es “r+Δr”
Están impregnados de aceite con
ν = 5 cm²/s y densidad relativa 0,8
(
=0,8 g/cm³).
Se pide calcular la velocidad de descenso del cilindro, suponiendo velocidad constante.
Resolución:
Si v=cte ; a = 0 , por lo tanto, Las fuerzas tangenciales generadas por la viscosidad, una vez que el
cilindro se ponga en movimiento, contrastarán al peso.
τ
→Ftangenciales = τ . (2.π . r.) . L
La tensión tangencial [ ] =
P = Ftangenciales
τ=
ν
[ ]=
P = τ . (2.π . r.) . L
=
= 36,39 N/m2
=
=
Luego
=
=
Despejamos la velocidad y sustituimos…
vel]=
[
7
=
=27,3 m/s
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
6) Ecuación de continuidad.
Q1  Q2
1) En todo fluido incompresible con flujo estacionario, el
caudal se mantiene constante. Es decir,
2)
La velocidad de un punto cualquiera de una tubería es
inversamente proporcional al área, en dicho punto.
7) Teorema de Bernouilli (Sin pérdidas de carga).
Sea un fluido ideal, sin viscosidad, ni rozamiento, en régimen
de circulación por un conducto cerrado;
La energía que posee el fluido permanece constante a lo
largo de su recorrido. (A lo largo de una línea de corriente).
Fluido (Sea gas o líquido)
Sin viscosidad (No hay fuerzas que se opongan a las variaciones de velocidad)
Sin rozamiento (No hay pérdidas de carga)
La energía consta de tres componentes:
= cte
1) Energía cinética 2) Energía potencial 3) Energía debida a la presión del fluido.
Aunque esta ecuación, se suele exprear, dividiendo por el peso:
: m.g
= cte
=
Esta ec. representa 3 sumandos, 3 alturas que se pueden representar gráficamente:
8
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
En el dibujo de la página anterior, la válvula está cerrada
(Notar que las presiones atmosféricas no se representan, a no ser que exista riesgo de cavitación)
1 atmósfera = 101 325 Pa
1 atm. = 10,33 mca
Ejercicio propuesto 1; Dibujar las líneas de energía, con la válvula abierta, y sin pérdidas de carga
Ejercicio propuesto 2; Dibujar las líneas de energía, con la válvula abierta, sin pérdidas de carga,
pero con un estrechamiento de tubo.
8) Aplicaciones hidráulicas de la Ecuación de Bernouilli.
8.1.) Velocidad de salida de agua por un orificio.
9
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
8.2.) El tubo Venturi.
El Venturi, es un conducto que sirve para medir el caudal.
Calcula el caudal del de la figura, con Ø1 = 65 cm y Ø2 = 35 cm, cuando la diferencia de altura entre las
lecturas de los tubos piezométricos es de 16 cm.
z = h + P/
z1 +
→
=
8.3.) El tubo de Pitot.
10
z2 +
= 16 cm
v=
Despejando Q = 0,229 m³/s
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
El Tubo de Pitot, se utiliza para calcular la presión total, también denominada presión de estancamiento,
presión remanente o presión de remanso.
= cte
2) Energía cinética 2) Energía potencial 3) Energía debida a la presión del fluido.
9) Teorema de Bernouilli con pérdidas de carga.
En la práctica, siempre hay pérdidas de carga a lo largo de una línea de corriente y la ecuación de
Bernouilli, se adapta a ellas, así.
α1
+
B
=
+
T+
i.I i+
L
Siendo:
B
=
T=
Incremento de H de carga, proporcionado por dispositivos bombas, ventiladores,…
Altura absorbida por dispositivos tales, como turbinas.
i.I i Pérdidas de carga continuas a lo largo de una longitud de tubo L (I = Pendiente de pérdidas)
L
Pérdidas de carga localizadas.(Codos, aristas,…)
α1 = Coeficiente de Coriolis;
(En régimen turbulento, lo normal, vale 1)
(En régimen laminar, vale 2) ¿Por qué?
Porque con viscosidad (régimen laminar) hay fuerzas que se oponen a
la disminución de velocidad. El líquido, tiene más cantidad de
movimiento, es más difícil pararlo.
11
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
10) Ejemplos de representaciones del teorema de Bernouilli con pérdidas de carga.
12
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
11) El régimen laminar, el régimen turbulento y el número de Reynolds.
Régimen laminar: el fluido se desplaza dentro de la conducción de forma ordenada.
El flujo sigue una trayectoria definida por la línea de corriente.
Cada línea de corriente tiene diferente velocidad, mayor en el centro.
Las partículas se mueven de forma que las líneas de corriente son paralelas
Régimen Turbulento: Se caracteriza por un movimiento irregular e indeterminado de las partículas del
fluido en direcciones transversales a la dirección principal de flujo.
La distribución de velocidades es más uniforme a través del diámetro de la tubería.
Si estamos en régimen laminar o turbulento, lo sabemos por el número de Reynolds.
NR 
Dv 


Dv

D = diámetro de la tubería
v = velocidad del fluido
ρ = densidad
µ = viscosidad dinámica o absoluta
υ = viscosidad cinemática
13
Cuando el nº de Reynolds <=2000, estamos en régimen laminar.
Cuando el nº de Reynolds es > 12400, estamos en un régimen
turbulento, plenamente desarrollado.
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
11) Potencia de Bombas y Turbinas.
Porque 1 W = 1,341 HP o CV
Porque 1 W = 1,341 HP o CV
12) Presión de vapor y cavitación.
Presión de vapor; Dado un recipiente cerrado, la presión de vapor es aquella en la que el líquido está en
un equilibrio dinámico entre la evaporación y la condensación.
Cavitación;
Es un fenómeno que tiene efectos negativos sobre las bombas, las turbinas y las hélices.
Efecto hidrodinámico de un fluido, que pasa a gran velocidad por una arista afilada y produce una
descompresión del fluido, que puede dar lugar a una ebullición y posteriormente a una condensación.
Su aparición se demuestra con la Ec. de Bernouilli.
14
Anexo I. Unidad didáctica 9: Neumática e Hidráulica. Fundamentos físicos.
Miguel Hernández San Martín. Mater Profesorado Universidad de La Rioja.
13) Ecuación de la cantidad de Movimiento y ejercicio.
Si al tomar una sección de referencia, la velocidad de entrada es distinta de la de la salida; Esa variación
de velocidades, trae como consecuencia una aceleración y, por lo tanto, una fuerza cuya componente es
la suma vectorial de ambas velocidades.
Hay que tener en cuenta que;
15
m.a =
.Q.v
ANEXO II
TRABAJO FIN DE MÁSTER
MÁSTER UNIVERSITARIO EN PROFESORADO DE ESO, FP,
ENSEÑANZA DE IDIOMAS Y BACHILLERATO
ESPECIALIDAD DE TECNOLOGÍA
English lectures and activities for D.U. 9.;
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF
PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Material recopilado por: Miguel Hernández San Martín
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
2
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
A) LECTURES. ................................................................................................................................ 9
1. Mass and Weight ....................................................................................................................... 9
1.1. Mass ................................................................................................................................... 9
1.2. Weight ................................................................................................................................ 9
1.3. The International System - SI ............................................................................................ 10
1.4. The British Gravitational System - BG .............................................................................. 10
1.5. The English Engineering System - EE ............................................................................... 11
2. Imperial and SI Fluid Mechanics Dimensions and Units .......................................................... 12
3. Pressure Units .......................................................................................................................... 13
4. Ideal Gas Law.......................................................................................................................... 14
4.1. The Ideal Gas Law and the Individual Gas Constant - R .................................................... 14
4.2. The Ideal Gas Law and the Universal Gas Constant - Ru ................................................... 14
5. Compression and Expansion of Gases ...................................................................................... 17
5.1. Isothermal and Isentropic processes................................................................................... 17
5.2. Isothermal Compression/Expansion Processes ................................................................... 17
5.3. Isentropic (or adiabatic) Compression/Expansion Processes .............................................. 17
5.4. Polytropic Compression/Expansion Process ...................................................................... 17
6. The Individual and Universal Gas Constant ............................................................................. 18
7. Technical Terms in Fluid Mechanics ....................................................................................... 19
8. Density, Specific Weight and Specific Gravity ........................................................................ 23
8.1. Density.............................................................................................................................. 23
8.2. Specific Weight ................................................................................................................. 24
8.3. Specific Gravity (Relative Density) .................................................................................. 24
9. Dynamic, Absolute and Kinematic Viscosity ........................................................................... 26
Dynamic, absolute and kinematic viscosity - and how to convert between CentiStokes (cSt),
CentiPoises (cP), Saybolt Universal Seconds (SSU) and degree Engler ....................................... 26
9.1. Dynamic (absolute) Viscosity............................................................................................ 26
9.2. Kinematic Viscosity .......................................................................................................... 28
9.3. Viscosity and Reference Temperature ............................................................................... 29
9.4. Other Viscosity Units ........................................................................................................ 29
10. Water - Absolute or Dynamic Viscosity ................................................................................. 33
11. Water - Dynamic and Kinematic Viscosity ............................................................................ 34
Imperial Units (BG units) ............................................................................................................ 34
12. Liquids - Kinematic Viscosities ............................................................................................. 35
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Kinematic viscosities of some common liquids - motor oil, diesel fuel, peanut oil and many more
.................................................................................................................................................... 35
13. Absolute or Dynamic Viscosity Converter ............................................................................. 36
14. Dynamic Viscosity of some common Liquids ........................................................................ 37
15. Dynamic or Absolute Viscosity Converting Chart .................................................................. 37
16. Kinematic Viscosity Table. .................................................................................................... 38
17. Kinematic Conversion Diagram ............................................................................................. 39
18. Pressure ................................................................................................................................. 40
18.1. Introduction to pressure - relationship psi and Pa- online pressure units converter ........... 40
18.2. Absolute Pressure ............................................................................................................ 40
18.3. Gauge Pressure................................................................................................................ 41
18.4. Atmospheric Pressure ...................................................................................................... 41
18.5. Standard Atmospheric Pressure ....................................................................................... 41
18.6. Pressure Units ................................................................................................................. 41
18.7. Some Pressure Levels ...................................................................................................... 41
18.8. Some Alternative Units of Pressure ................................................................................. 42
19. Static Pressure and Pressure Head in Fluids ........................................................................... 42
19.1. Specific Weight ............................................................................................................... 43
19.2. Static Pressure in a Fluid ................................................................................................. 43
19.3. The Pressure Head........................................................................................................... 44
20. Pascal's Laws ......................................................................................................................... 45
20.1. A Hydraulic Jack Lifting a Car ........................................................................................ 46
21. Pressure Coefficient ............................................................................................................... 47
22. Bulk Modulus and Fluid Elasticity ......................................................................................... 47
23. Surface Tension ..................................................................................................................... 49
23.1. Alternative Units ............................................................................................................. 49
23.2. Surface Tension of Water ................................................................................................ 49
23.3. Surface Tension of some common Fluids ........................................................................ 50
24. Capillarity.............................................................................................................................. 50
24.1. Surface Tension .............................................................................................................. 51
25. Equations in Fluid Mechanics ................................................................................................ 51
25.1. The Bernoulli Equation ................................................................................................... 51
25.2. Conservation laws ........................................................................................................... 51
25.3. Darcy-Weisbach Equation ............................................................................................... 51
4
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
25.4. Euler Equations ............................................................................................................... 51
25.5. Laplace's Equation .......................................................................................................... 51
25.6. Ideal Gas Law ................................................................................................................. 51
25.7. Navier-Stokes Equations ................................................................................................. 52
25.8. Mechanical Energy Equation ........................................................................................... 52
25.9. Pressure........................................................................................................................... 52
26. Equation of Continuity........................................................................................................... 52
27. Pipe Fluid Flow Velocity ....................................................................................................... 54
27.1. Imperial units .................................................................................................................. 54
27.2. SI units ............................................................................................................................ 54
28. Bernoulli Equation ................................................................................................................. 55
28.1. Head of Flow .................................................................................................................. 57
28.2. Dynamic Pressure ........................................................................................................... 57
28.3. Vented tank ..................................................................................................................... 58
28.4. Pressurized Tank ............................................................................................................. 58
28.5. Coefficient of Discharge - Friction Coefficient ................................................................ 58
29. Energy and Hydraulic Grade Line .......................................................................................... 59
29.1. The Bernoulli Equation ................................................................................................... 59
29.2. The Head......................................................................................................................... 59
29.3. The Total Head ............................................................................................................... 60
29.4. The Piezometric Head ..................................................................................................... 60
29.5. The Energy Line.............................................................................................................. 60
29.6. The Hydraulic Grade Line ............................................................................................... 60
30. Hydrostatic Pressure .............................................................................................................. 61
31. Pressure Energy ..................................................................................................................... 63
32 Flow of Liquids from Containers ............................................................................................ 64
32.1. Base Apertures ................................................................................................................ 64
32.2. Small Lateral Appertures ................................................................................................. 64
33.3. Large Lateral Apertures................................................................................................... 65
33.4. Excess Pressure in Container ........................................................................................... 65
33. Total Pressure or Head Loss in Pipe or Duct Systems ............................................................ 66
33.1. Major and minor loss in pipe, tubes and duct systems ...................................................... 66
33.2. Summarized Major Losses .............................................................................................. 66
33.3. Summarized Minor Losses .............................................................................................. 66
5
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Compiled by Miguel Hernández San Martín.
33.4. Total Head Loss in a Single Pipe or Duct ........................................................................ 67
33.5. Total Head Loss in Serial Connected Pipes...................................................................... 67
34. Orifice, Nozzle and Venturi Flow Rate Meters....................................................................... 67
34.1. The Bernoulli Equation ................................................................................................... 67
34.2. The Orifice Plate ............................................................................................................. 69
34.3. The Venturi Meter ........................................................................................................... 70
34.4. The Nozzle ...................................................................................................................... 71
34.5. Flow Rate and Change in Pressure Difference ................................................................. 73
34.6. Transmitters and Control System..................................................................................... 73
35. Reynolds Number .................................................................................................................. 73
35.1. Reynolds Number for a Pipe or Duct ............................................................................... 74
35.2. Reynolds Number for a Pipe or Duct in Imperial Units .................................................... 74
36. Laminar, Transitional or Turbulent Flow ............................................................................... 75
36.2. Laminar flow................................................................................................................... 75
36.3. Turbulent flow ................................................................................................................ 75
36.4. Transitional flow ............................................................................................................. 75
36.5. Reynolds Number ........................................................................................................... 75
37. Water Flow in Tubes - Reynolds Number .............................................................................. 76
38. Hydraulic Diameter ............................................................................................................... 77
38.1. Hydraulic diameter of ducts and tubes ............................................................................. 77
38.2. Hydraulic Diameter of a Circular Tube or Duct ............................................................... 77
38.3. Hydraulic Diameter of a Circular Tube with an inside Circular Tube ............................... 78
38.4. Hydraulic Diameter of Rectangular Tubes or Ducts ......................................................... 78
38.6. Equivalent diameter......................................................................................................... 79
39. Friction Coefficient at Laminar Flow ..................................................................................... 80
40. Darcy-Weisbach Equation for Pressure and Head Loss .......................................................... 80
40.1. Head Loss ....................................................................................................................... 81
40. Major loss in Ducts, Tubes and Pipes ..................................................................................... 81
40.1. Pressure and Pressure Loss .............................................................................................. 81
40.2. Head and Head Loss ........................................................................................................ 82
40.3. Friction Coefficient - λ .................................................................................................... 82
40.4. Friction Coefficient for Laminar Flow ............................................................................. 82
40.5. Friction Coefficient for Transient Flow ........................................................................... 83
40.6. Friction Coefficient for Turbulent Flow ........................................................................... 83
6
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41. Minor Loss Coefficients for Air Duct Components ................................................................ 85
42. Minor Loss Coefficients in Pipes and Tubes Components ...................................................... 86
43. Minor Loss in Pipe or Duct Components ............................................................................... 87
43.1. Minor Loss ...................................................................................................................... 87
43.2. Minor Loss Coefficient ................................................................................................... 87
43.3. Equivalent Length ........................................................................................................... 88
44. Moody Diagram .................................................................................................................... 88
44.1. SI based Moody Diagram ................................................................................................ 89
45. Hazen-Williams Equation - calculating Friction Head Loss in Water Pipes ............................ 90
46. Pipes in Series and Parallel .................................................................................................... 90
46.1. Pipes in Series ................................................................................................................. 90
46.2. Pipes in Parallel ............................................................................................................... 90
47. Conservation of Mass ............................................................................................................ 91
48. Equation of Mechanical Energy ............................................................................................. 92
48.1. The Mechanical Energy Equation in Terms of Energy per Unit Mass .............................. 92
48.2. Efficiency........................................................................................................................ 93
48.3. The Mechanical Energy Equation in Terms of Energy per Unit Volume .......................... 93
48.4. The Mechanical Energy Equation in Terms of Energy per Unit Weight involving Heads . 93
49. Pumps, Compressors, Blowers and Fans ................................................................................ 94
49.1. Pumps ............................................................................................................................. 95
49.2. Compressors ................................................................................................................... 95
49.3. Blowers ........................................................................................................................... 95
49.4. Fans ................................................................................................................................ 95
50. Centrifugal Pumps ................................................................................................................. 95
50.1. Pressure and Head ........................................................................................................... 96
50.2. Different Types of Pump Head ........................................................................................ 96
50.3. Pump Efficiency .............................................................................................................. 97
51. Specific Work of Turbo Machines - Pumps, Compressors and Fans ....................................... 98
51.1. Specific Work of a Pump or Fan ...................................................................................... 98
51.2. Specific Work of a Turbine ............................................................................................. 98
51.3. Specific Work of a Compressor ....................................................................................... 98
51.4. Specific Work of a Gas Turbine ...................................................................................... 99
51.5. Head in Turbomachines ................................................................................................... 99
52. Types of Air Compressors ................................................................................................... 100
7
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52.1. Reciprocating Air Compressors ..................................................................................... 100
52.2. Rotary Screw Compressors ........................................................................................... 101
52.3. Centrifugal Compressors ............................................................................................... 101
53. Kv Diagram Water Valves ................................................................................................... 102
54. Cavitation - an Introduction ................................................................................................. 103
54.1. What is Cavitation? ....................................................................................................... 103
54.2. Avoiding Cavitation ...................................................................................................... 103
54.3. Reengineering of Components Initiating High Speed Velocity and Low Static Pressure 104
54.4. Increasing the Total or Local Pressure in the System ..................................................... 104
54.5. Reducing the Temperature of the Fluid .......................................................................... 104
55. Cavitations Number ............................................................................................................. 105
B) ACTIVITIES. .......................................................................................................................... 106
Activity 1: Archimedes' Principle, Pascal's Law and Bernoulli's Principle ................................. 106
Activity 2: Bernoulli's Principle ................................................................................................. 107
Activity 3: Reading and Remembering. Moments and Mechanical Advantage. .......................... 108
Activity 4: Understanding Fluid Power Capabilities .................................................................. 109
Activity 5: Bernoulli’s Equation – Energy Conservation ............................................................ 113
Activity 6: Reading and making as speech of these activity; Fluid Power Basics ....................... 116
Activity 7: Energy Storage ........................................................................................................ 126
Activity 8: What is Pascal’s Law? ............................................................................................. 128
Activity 9: What is Fluid Flow? ................................................................................................. 131
Activity 10: Measuring Viscosity .............................................................................................. 133
Activity 11: Viscous Fluids ....................................................................................................... 141
Activity 12: Read and explain us this activity: ........................................................................... 150
Take Your Best Shot Worksheet. (Answers) .............................................................................. 150
Activity 13: Pump It! ................................................................................................................. 154
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Compiled by Miguel Hernández San Martín.
A) LECTURES.
1. Mass and Weight
Mass and weight are two common often misused and misunderstood terms in mechanics
and fluid mechanics.
The fundamental relation between mass and weight is defined by Newton's Second Law.
Newton's Second Law can be expressed as
F=ma
(1) where
F = force (N, lbf)
m = mass (kg, slugs)
a = acceleration (m/s2, ft/s2)
1.1. Mass
Mass is a measure of the amount of material in an object, being directly related to the
number and type of atoms present in the object. Mass does not change with a body's
position, movement or alteration of its shape, unless material is added or removed.

An object with a mass of 1 kg on earth would have the same mass of 1 kg on the moon
The mass is a fundamental property of an object, a numerical measure of its inertia and a
fundamental measure of the amount of matter in the object.
1.2. Weight
Weight is the gravitational force acting on a body mass. The generic expression of
Newton's Second Law (1) can be transformed to express weight as a force by replacing the
acceleration - a - with the acceleration of gravity - g - as
W=mg
(2) where
W = weight or gravitational force - F (N, lbf)
m = mass (kg, slugs)
g = acceleration of gravity on earth (9.81 m/s2, 32.17405 ft/s2)
Example - The Weight of a Body on Earth vs. Moon
The acceleration of gravity on the moon is approximately 1/6 of the acceleration of gravity
on the earth. The weight of a body with mass 1 kg on the earth can be calculated as
Wearth = (1 kg) (9.81 m/s2) = 9.81 N
The weight of the same body on the moon can be calculated as
Wmoon = (1 kg) (9.81 m/s2) / 6
= 1.64 N
The handling of mass and weight depends on the systems of units that is used. The most
common systems of units are the
9
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
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


International System - SI
British Gravitational System - BG
English Engineering System - EE
One newton is


≈ the weight of one hundred grams - 101.972 gf (gF) or 0.101972 kgf (kgF, kp)
≈ halfway between one-fifth and one-fourth of a pound - 0.224809 lb or 3.59694 oz
1.3. The International System - SI
In the SI system the mass unit is the kg and since the weight is a force - the weight unit is
the Newton (N). Equation (2) for a body with 1 kg mass can be expressed as:
w = (1 kg) (9.807 m/s2)
= 9.807 (N) where
9.807 m/s2 = standard gravity close to earth in the SI system
As a result:

a 9.807 N force acting on a body with 1 kg mass will give the body an acceleration of 9.807
m/s2
a body with mass of 1 kg weights 9.807 N

More about the SI System - A tutorial introduction to the SI-system.

1.4. The British Gravitational System - BG
The British Gravitational System (Imperial System) of units is used by engineers in the
English-speaking world with the same relation to the foot - pound - second system as the
meter - kilogram - force second system (SI) has to the meter - kilogram - second system.
For engineers who deals with forces, instead of masses, it's convenient to use a system
that has as its base units length, time, and force, instead of length, time and mass.
The three base units in the Imperial system are the foot, the second, and the pound-force.
In the BG system the mass unit is the slug and is defined from the Newton's Second
Law (1). The unit of mass, the slug, is derived from the pound-force by defining it as the
mass that will accelerate at 1 foot per second per second when a 1 pound-force acts upon
it:
1 lb = (1 slug)(1 ft/s2)
In other words, 1 lb (pound) force acting on 1 slug mass will give the mass an acceleration
of 1 ft/s2.
The weight of the mass from equation (2) in BG units can be expressed as:
w (lb) = m (slugs) g (ft/s2)
10
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With standard gravity - g = 32.17405 ft/s2 - the mass of 1 slug weights 32.17405 lbf (poundforce).
1.5. The English Engineering System - EE
In the English Engineering system of units the primary dimensions are are force, mass,
length, time and temperature. The units for force and mass are defined independently


the basic unit of mass is pound-mass (lbm)
the unit of force is the pound (lb) alternatively pound-force (lbf).
In the EE system 1 lb of force will give a mass of 1 lbm a standard acceleration of 32.17405
ft/s2.
Since the EE system operates with these units of force and mass, the Newton's Second
Law can be modified to
F = m a / gc
(3) where
or transformed to weight
gc = a proportionality constant
w = m g / gc
(4)
The proportionality constant gc makes it possible to define suitable units for force and mass.
We can transform (4) to
1 lbf = (1 lbm) (32.174 ft/s2) / gc
or
gc = (1 lbm) (32.174 ft/s2) / (1 lbf)
Since 1 lbf gives a mass of 1 lbm an acceleration of 32.17405 ft/s2 and a mass of 1 slug an
acceleration of 1 ft/s2, then
1 slug = 32.17405 lbm
Example - Weight versus Mass
A car's mass is 1,644 kg. The weight can be calculated:
w = (1,644 kg) (9.807 m/s2)
= 16122.7 N = 16.1 kN
- there is a force (weight) of 16.1 kN between the car and the earth.

1 kg gravitation force = 9.81 N = 2.20462 lb f
11
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2. Imperial and SI Fluid Mechanics Dimensions and Units
The table below list the most common units used in the


Imperial or USCS - United States Customary Units
International System of Units - SI system
L – length; F – force; T – time
Terminology
Dimensions
Acceleration due to gravity
Area
Chezy roughness coefficient
Density
Flow rate
Force
Hazen Williams roughness coefficient
Head loss due to friction
Head of height, Head of weir
Hydraulic radius
Kinematic viscosity
Length, depth, diameter
Mass
Modulus of elasticity
Perimeter, Weir Height
Pressure
Radius
Shear stress
Size of roughness
Specific weight
Surface tension
Thickness
L / T2
L2
L1/2 / T
F T 2 / L4
L3 / T
F
L0.37 / T
L
L
L
L2 / T
L
F T2 / L
F / L2
L
F / L2
L
F / L2
L
F / L3
F/L
L
Imperial Units
(USCS)
ft/s2
ft2
ft1/2/s
lb s2/ ft4
ft3/s
lb
ft0.37/s
ft
ft
ft
ft2/s
ft
lb s2/ft
lb/in2 (psi)
ft
lb/ft2
ft
lb/ft2
ft
lb/ft3
lb/ft
ft
Time
Total head
T
L
s
ft
s
m
Unit flow rate
Velocity
Viscosity
L3 / T L
L/T
F T / L2
ft3/(s ft)
ft/s
lb s/ft
m3/(s ft)
m/s
Pa s
12
SI-units
m/s2
m2
m1/2/s
N s2/m4
m3/s
N
m0.37/s
m
m
m
m2/s
m
N s2/m
Pa
m
Pa
m
Pa
m
kg/m3
kg/m
m
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Terminology
Dimensions
Weight
F
Imperial Units
(USCS)
lbf
SI-units
N
3. Pressure Units

1 Torr = 1 mm Hg
Convert to
atmosphere mm Hg
Convert
from
Pa (N/m )
bar
Pa (N/m2)
1
10-may
9.87 10-6
0.0075
bar
105
1
0.987
atmosphere
1.01 105
1.013
mm Hg
133.3
mm H2O
m H2O
2
mm H2O
m H2O
kg/cm2
10-abr
1.02 10-5
750
0.1
1.0197
104
10.197
10.197
1
759.9
10332
10.332
1.03
1.33 10-3
1.32 10-3
1
13.3
0.013
1.36 10-3
10
0.000097
9.87 10-5
0.075
1
0.001
1.02 10-4
104
0.097
9.87 10-2
75
1000
1
0.102
0.98
0.97
735
10000
10
1
47.8
4.78 10-4
4.72 10-4
0.36
4.78
4.78 10-3
4.88 10-4
pound
square
inches (psi)
inches Hg
6894.76
3377
0.069
0.0338
0.068
0.033
51.7
25.4
689.7
337.7
0.690
0.337
0.07
0.034
inches H2O
248.8
2.49 10-3
2.46 10-3
1.87
25.4
0.0254
0.0025
2
kg/cm
pound
square feet
9.8 10
4
Convert to
Convert from
pound
square
feet
Pa (N/m2)
bar
inches Hg
inches
H2O
0.021
2090
psi
1.450326
10-4
14.50
2.96 10-4
29.61
4.02 10-3
402
atmosphere
mm Hg
2117.5
2.79
14.69
0.019
29.92
0.039
407
0.54
mm H2O
0.209
1.45 10-3
2.96 10-3
0.04
m H2O
209
1.45
2.96
40.2
kg/cm2
pound square
feet (psf)
2049
14.21
29.03
394
1
0.0069
0.014
0.19
13
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
pound square
inches (psi)
inches Hg
144
70.8
1
0.49
2.04
1
27.7
13.57
inches H2O
5.2
0.036
0.074
1
4. Ideal Gas Law
In perfect or ideal gas the change in density is directly related to the change of temperature
and pressure as expressed by the Ideal Gas Law.
4.1. The Ideal Gas Law and the Individual Gas Constant - R
The Ideal Gas Law - or Perfect Gas Law - relates pressure, temperature, and volume of
an ideal or perfect gas. The Ideal Gas Law can be expressed with the Individual Gas
Constant:
pV=mRT
(1)
where
p = absolute pressure (N/m2, lb/ft2);
V = volume (m3, ft3);
R = individual gas constant (J/kg.oK, ft.lb/slugs.oR);
m = mass (kg, slugs)
T = absolute temperature (oK, oR)
This equation (1) can be modified to:
p=ρRT
(2)
where the density
ρ=m/V
(3)
The Individual Gas Constant - R - depends on the particular gas and is related to the
molecular weight of the gas.
Equation (1) can also be modified to
p1 V1 / T1 = p2 V2 / T2
(4)
expressing the relationship between different states for a given mass of gas.
4.2. The Ideal Gas Law and the Universal Gas Constant - Ru
The Universal Gas Constant is independent of the particular gas and is the same for all
"perfect" gases. The Ideal Gas Law can be expressed with theUniversal Gas Constant:
p V = n Ru T
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=NkT
(5)
where
p = absolute pressure (N/m2, lb/ft2)
V = volume (m3, ft3)
n = is the number of moles of the gas present
Ru = universal gas constant (J/mol.oK, lbf.ft/(lbmol.oR) = 8.3145 J/mol K
T = absolute temperature (oK, oR)
N = number of molecules
k = Boltzmann constant = 1.38066 10-23 J/K = 8.617385 10-5 eV/K
One mole of an ideal gas at STP occupies 22.4 liters.

Example - The Ideal Gas Law
A tank with volume of 1 ft3 is filled with air compressed to a gauge pressure of 50 psi. The
temperature in tank is 70 oF.
The air density can be calculated with a transformation of the ideal gas law (2) to:
ρ = p / (R T)
(6)
ρ= [((50 lb/in2) + (14.7 lb/in2)) (144 in2/ft2)] / [(1716 ft.lb/slug.oR) ((70 oR)+ (460 oR))]
= 0.0102 (slugs/ft3)
The weight of the air is the product of specific weight and the air volume. It can be
calculated as:
w=ρgV
(7)
w = (0.0102 slugs/ft3) (32.2 ft/s2) (1 ft3)
= 0.32844 (slugs.ft/s2)
= 0.32844 (lb)
Note!
The Ideal Gas Law is accurate only at relatively low pressures and high temperatures. To
account for the deviation from the ideal situation, another factor is included. It is called the
Gas Compressibility Factor, or Z-factor. This correction factor is dependent on pressure and
temperature for each gas considered.
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The True Gas Law, or the Non-Ideal Gas Law, becomes:
P V = Z n R T (7)
Where; Z = Gas Compressibility Factor and n = number of moles of gas present
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5. Compression and Expansion of Gases
5.1. Isothermal and Isentropic processes
The relationship between pressure and density when compressing or expanding gases
depends on the nature of the process.



isothermal
isentropic or adiabatic
polytropic
5.2. Isothermal Compression/Expansion Processes
If a compression or expansion takes place under constant temperature conditions - the
process is said to be isothermal. The isothermal process can with the Ideal Gas Law be
expressed as
p / ρ = constant
(1)
where p = absolute pressure
ρ = density
The isothermal process can also be expressed as
pV = constant
(1a) or
p1V1 = p2V2
(1b)
where
V = gas volume (m3, ft3...)
suffix1 denotes initial conditions and suffix2 denotes final conditions
5.3. Isentropic (or adiabatic) Compression/Expansion Processes
If a compression or expansion of a gas takes place with no flow of heat energy either into or
out of the gas - the process is said to be isentropic or adiabatic.The isentropic (adiabatic)
process can be expressed with the Ideal Gas Law as
p / ρk = constant
(2)
where
k = cp / cv - the ratio of specific heats - the ratio of specific heat at constant pressure - cp - to
the specific heat at constant volume - cv
The isentropic or adiabatic process can also be expressed as
pVk= constant
(2a)
or
p1V1k = p2V2k
(2b)
5.4. Polytropic Compression/Expansion Process
An isothermal process must occur very slowly to keep the temperature in the gas constant.
The adiabatic process must occur very rapidly without any flow of energy in or out of the
system. In practice most expansion and compression processes are somewhere in
between, or said to be polytropic.
The polytropic process can be expressed as
pVn= constant
17
(3a)
or
p1V1n = p2V2n
(3b)
where
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n = polytropic index or exponent (ranging 1 to 1.4)
6. The Individual and Universal Gas Constant
The Individual and the Universal Gas Constant are known from the Ideal Gas Law.
The Individual Gas Constant – R - depends on the particular gas and is related to the
molecular weight of the gas. The value is independent of temperature.
In the imperial system the units for the individual gas constant are ft lb/slug oR. In the SI
system the units are J/kg K.
The Individual Gas Constant for some common gases are listed below:
Individual Gas Constant - R
Molecular
Imperial Units
SI Units
Weight
Gas
(ft lb/slug oR)
(J/kg K)
(g/mole)
Carbon Dioxide, CO2
Hydrogen, H2
Nitrogen, N2
Oxygen, O2
Air
Water vapor
1130
24660
1775
1554
1716
2760
188.9
4124
296.8
259.8
286.9
461.5
44.01
2.016
28.02
32
28.97
18.02
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7. Technical Terms in Fluid Mechanics
Acoustic theory

Relating to mathematical description of sound waves.

Aerodynamics is the study of the flow of gases.

Aeronautics is the mathematics and mechanics of flying objects, in particular airplanes.

The Bernoulli's Equation describes the behavior of moving fluids along a streamline.

The boundary layer is the layer of fluid in the immediate vicinity of a bounding surface.
Aerodynamics
Aeronautics
Bernoulli's equation
Boundary layer
Cavitations
Compressible flow




In a compressible flow the compressibility of the fluid must be taken into account.
The Ideal Gas Law - For a perfect or ideal gas the change in density is directly related to the
change in temperature and pressure as expressed in the Ideal Gas Law.
Properties of Gas Mixtures - Special care must be taken for gas mixtures when using the
ideal gas law, calculating the mass, the individual gas constant or the density.
The Individual and Universal Gas Constant - The Individual and Universal Gas Constant is
common in fluid mechanics and thermodynamics.
Coanda effect

The Coanda Effect is the tendency of a stream of fluid to stay attached to a convex surface,
rather than follow a straight line in its original direction.
Conservation laws



The conservation laws states that particular measurable properties of an isolated physical
system does not change as the system evolves.
conservation of energy (including mass)
Fluid Mechanics and Conservation of Mass - The law of conservation of mass states that
mass can neither be created or destroyed.
Darcy-Weisbach Equation

Pressure Loss and Head Loss due to Friction in Ducts and Tubes - Major loss - head loss or
pressure loss - due to friction in pipes and ducts.
Density

Density, Specific Weight and Specific Gravity - An introduction and definition of density,
specific weight and specific gravity. Formulas with examples.
Euler equations

In fluid dynamics, the Euler equations govern the motion of a compressible, inviscid fluid.
They correspond to the Navier-Stokes equations with zero viscosity, although they are
usually written in the form shown here because this emphasizes the fact that they directly
represent conservation of mass, momentum, and energy.
Euler Number

The Euler Number - An introduction to and a definition of the Euler Number.
19
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Flow Coefficient - Cv - Kv

Flow Coefficient Cv and Flow Factor Kv - The difference between the flow
coefficient Cv and Kv.
Flow measurement


Fluid Flowmeters - Tools and information regarding fluid flowmeters.
Fluid Flow Measurement - An introduction to different types of fluid flowmeters - Orifices,
Venturies, Nozzles, Rotameters, Pitot Tubes, Calorimetrics, Turbine, Vortex,
Electromagnetic, Doppler, Ultrasonic, Thermal, Coriolis.
Fluids



The Bernoulli Equation - A statement of the conservation of energy in a form useful for
solving problems involving fluids. For a non-viscous, incompressible fluid in steady flow, the
sum of pressure, potential and kinetic energies per unit volume is constant at any point.
Equations in Fluid Mechanics - Continuity, Euler, Bernoulli, Dynamic and Total Pressure
Laminar, Transitional or Turbulent Flow? - It is important to know if the fluid flow is laminar,
transitional or turbulent when calculating heat transfer or pressure and head loss.
Froude number

The Froude Number - An introduction to and a definition of the Froude Number.

The Ideal Gas Law - For a perfect or ideal gas the change in density is directly related to the
change in temperature and pressure as expressed in the Ideal Gas Law.
Properties of Gas Mixtures - Special care must be taken for gas mixtures when using the
ideal gas law, calculating the mass, the individual gas constant or the density.
The Individual and Universal Gas Constant - The Individual and Universal Gas Constant is
common in fluid mechanics and thermodynamics.
Gas


Hydraulics

Hydraulics is a branch of science and engineering concerned with the use of liquids to
perform mechanical tasks.
Hydrodynamics

Hydrodynamics is the fluid dynamics applied to liquids, such as water, alcohol, and oil.

The Ideal Gas Law - For a perfect or ideal gas the change in density is directly related to the
change in temperature and pressure as expressed in the Ideal Gas Law.
Properties of Gas Mixtures - Special care must be taken for gas mixtures when using the
ideal gas law, calculating the mass, the individual gas constant or the density.
The Individual and Universal Gas Constant - The Individual and Universal Gas Constant is
common in fluid mechanics and thermodynamics.
Ideal Gas


Knudsen number

Used by modelers who wish to non dimensionless speed

Laminar, Transitional or Turbulent Flow? - It is important to know if the fluid flow is laminar,
transitional or turbulent when calculating heat transfer or pressure and head loss.
Laminar Flow
Laplace's equation

Describes the behavior of gravitational, electric, and fluid potentials.
20
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Lift (force)

Lift consists of the sum of all the aerodynamic forces normal to the direction of the external
airflow.
Liquids

Equations in Fluid Mechanics - Continuity, Euler, Bernoulli, Dynamic and Total Pressure

When an object travels through a medium, then its Mach number is the ratio of the object's
speed to the speed of sound in that medium.
The Mach Number - An introduction to and a definition of the Mach Number.
Mach number

Navier-Stokes Equations

The motion of a non-turbulent, Newtonian fluid is governed by the Navier-Stokes equation.
The equation can be used to model turbulent flow, where the fluid parameters are
interpreted as time-averaged values.
Newtonian Fluid


A fluid is Newtonian if viscosity is constant applied to shear force.
Dynamic, Absolute and Kinematic Viscosity - An introduction to dynamic, absolute and
kinematic viscosity and how to convert between CentiStokes (cSt), CentiPoises (cP), Saybolt
Universal Seconds (SSU) and degree Engler.
Non-Newtonian fluid

Non-Newtonian fluid viscosity changes with the applied shear force.

Prandtl Number is a Dimensionless number approximating the ratio of momentum diffusivity
and thermal diffusivity.
Prandtl number
Pressure
Reynolds Number

Calculate laminar or turbulent flow with the Reynolds number.

A dimensionless number that expresses the ratio of potential to kinetic energy.

A shock wave is a strong pressure wave produced by explosions or other phenomena that
create violent changes in pressure.
Richardson number
Shock wave
Sound barrier


The sound barrier is the apparent physical boundary stopping large objects from becoming
supersonic.
The Mach Number Speed of Sound - Speed of sound in air, fluids and solids. Formulas and
values for different materials.
Streamline - Stream function

a streamline is the path that an imaginary particle would follow if it was embedded in the
flow.
Strouhal number


The Strouhal number is a quantity describing oscillating flow mechanisms.
The Strouhal Number - An introduction to and a definition of the Strouhal Number.
21
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Supersonic Flow



Flow with speed above the speed of sound, 1,225 km/h at sea level, is said to be
supersonic.
The Mach Number - An introduction to and a definition of the Mach Number.
Speed of Sound - Speed of sound in air, fluids and solids. Formulas and values for different
materials.
Surface tension

Surface tension is a force within the surface layer of a liquid that causes the layer to behave
as an elastic sheet.
Transonic


Flow with speed at velocities just below and above the speed of sound is said to be
transonic.
The Mach Number
Turbulent Flow - Turbulence

Laminar, Transitional or Turbulent Flow? - It is important to know if the fluid flow is laminar,
transitional or turbulent when calculating heat transfer or pressure and head loss.
Vapor pressure

For a particular substance at any given temperature there is a pressure at which the vapor of
that substance is in equilibrium with its liquid or solid forms.
Velocity

The Bernoulli Equation - A statement of the conservation of energy in a form useful for
solving problems involving fluids. For a non-viscous, incompressible fluid in steady flow, the
sum of pressure, potential and kinetic energies per unit volume is constant at any point.
Venturi

A Venturi is a system for speeding the flow of the fluid, by constricting it in a cone-shaped
tube.
Viscosity

Dynamic, Absolute and Kinematic Viscosity

Vorticity is defined as the circulation per unit area at a point in the flow field.

Wave drag refer to a sudden and very powerful drag that appears on aircrafts flying at highsubsonic speeds.
Vorticity
Wave drag
22
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8. Density, Specific Weight and Specific Gravity
8.1. Density
Density is defined as mass per unit volume. Mass is a property.
Density can be expressed as
ρ = m / V = 1 / vg
(1) where
ρ = density (kg/m3, slugs/ft3) m = mass (kg, slugs)
V = volume (m3, ft3)
vg = specific volume (m3/kg, ft3/slug)
The SI units for density are kg/m3 - the Imperial (U.S.) units are slugs/ft3.
Pounds per cubic foot - lb/ft3 - is often used as a measure of density in the US, but pounds
are really a measure of force, not mass. Slugs are the correct measure of mass. You can
multiply slugs by 32.2 for a rough value in pounds (lbm).


1 slug = 32.174 lbm = 14.594 kg
1 kg = 2.2046 lbm = 6.8521x10-2 slugs
On atomic level - particles are packed tighter inside a substance with higher density.
Density is a physical property - constant at a given temperature and pressure - and may
helpful for identification of substances.
Example - Density of a Golf ball
A golf ball has a diameter of 42 mm and a mass of 45 g. The volume of the golf ball can be
calculated as
V = (4 / 3) π ((42 mm) (0.001 m/mm) / 2)3 = 3.8 10-5 m3
The density of the golf ball can then be calculated as
ρ = (45 g) (0.001 kg/g) / (3.8 10-5 m3) = 1184 kg/m3
Example - Density to Identify a Material
An unknown liquid substance has a mass of 18.5 g and occupies a volume of 23.4 ml
(milliliter).
The density of the substance can be calculated as
ρ = [(18.5 g) / (1000 g/kg)] / [(23.4 ml) / (1000 ml/l) (1000 l/m 3)]
= (18.5 10-3 kg) / (23.4 10-6 m3) = 790 (kg/m3)
If we look up densities of some common liquids, we find that ethyl alcohol - or ethanol - has
a density of 789 kg/m3. The liquid may be ethyl alcohol!
23
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Example - Density to Calculate Volume Mass
The density of titanium is 4507 kg/m3. The mass of 0.17 m3 volume titanium can be
calculated as
m = (0.17 m3) (4507 kg/m3)
= 766.2 (kg)
8.2. Specific Weight
Specific Weight is defined as weight per unit volume. Weight is a force.
Specific Weight can be expressed as
γ=ρg
(2) where γ = specific weight (N/m3, lb/ft3)
ρ = density (kg/m3, slugs/ft3)
g = acceleration of gravity (9.807 m/s2, 32.174 ft/s2)
The SI units for specific weight are N/m3. The imperial units are lb/ft3.
Local acceleration g is (under normal conditions) 9.807 m/s2 in SI units and 32.174 ft/s2 in
imperial units.
Example - Specific Weight Water
The density of water is 1000 kg/m3 at 4 oC (39 oF). The specific weight in SI units is
γ = (1000 kg/m3) (9.81 m/s2) = 9810 (N/m3) = 9.81 (kN/m3)
The density of water is 1.940 slugs/ft3 at 39 oF (4 oC). The specific weight in Imperial units is
γ = (1.940 slugs/ft3) (32.174 ft/s2)
= 62.4 (lb/ft3)
Specific Weight for Some common Materials
Specific Weight
Product
-γImperial Units
SI Units
(lb/ft3)
(kN/m3)
Gasoline
Seawater
42.5
64
6.67
10.1
Water
62.4
9.81
8.3. Specific Gravity (Relative Density)
Specific Gravity - SG - is a dimensionless unit defined as the ratio of the density of a
substance to the density of water - at a specified temperature, and can be expressed as
SG = ρsubstance / ρH2O
24
(3)
where
SG = Specific Gravity of the substance
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ρsubstance = density of the fluid or substance (kg/m 3)
ρH2O = density of water - normally at temperature 4 oC (kg/m3)
It is common to use the density of water at 4 oC (39oF) as a reference since water at this
point has its highest density of 1000 kg/m3 or 62.4 lb/ft3.
Specific Gravity - SG - is dimensionless and has the same value in the SI system and the
imperial English system (BG). Water is normally also used as reference when calculating
the specific gravity for solids.

Thermal Properties of Water - Density, Freezing temperature, Boiling temperature, Latent
heat of melting, Latent heat of evaporation, Critical temperature ...
Specific Gravities for some common Materials
Substance
Air, dry
Petrol
Specific
Gravity
- SG 0.0013
0.72
Water (4oC)
Water, sea
1.00
1.02
Example - Specific Gravity of Iron
The density of iron is 7850 kg/m3. The specific gravity of iron related to water with
density 1000 kg/m3 is
SG = (7850 kg/m3) / (1000 kg/m3) = 7.85
Specific Gravities of Gases
The Specific Gravity of a gas is normally calculated with reference to air - and defined
as the ratio of the density of the gas to the density of the air - at a specified temperature
and pressure.
The Specific Gravity can be calculated as
SG = ρgas / ρair
(3)
where
SG = specific gravity of gas
ρgas = density of gas (kg/m3)
ρair = density of air (normally at NTP - 1.205 kg/m3)

NTP - Normal Temperature and Pressure - defined as 20oC (293.15 K, 68oF) and 1 atm (
101.325 kN/m2, 101.325 kPa, 14.7 psia, 0 psig, 30 in Hg, 760 torr)
Molecular weights can be used to calculate Specific Gravity if the densities of the gas and
the air are evaluated at the same pressure and temperature.
25
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9. Dynamic, Absolute and Kinematic Viscosity
Dynamic, absolute and kinematic viscosity - and how to convert
between CentiStokes (cSt), CentiPoises (cP), Saybolt Universal
Seconds (SSU) and degree Engler
The viscosity is an important fluid property when analyzing liquid behavior and fluid motion
near solid boundaries. Viscosity of a fluid is a measure of its resistance to gradual
deformation by shear stress or tensile stress. The shear resistance in a fluid is caused by
intermolecular friction exerted when layers of fluid attempt to slide by one another.

viscosity is the measure of a fluid's resistance to flow



molasses is highly viscous
water is medium viscous
gas is low viscous
There are two related measures of fluid viscosity


dynamic (or absolute)
kinematic
9.1. Dynamic (absolute) Viscosity
Absolute viscosity - coefficient of absolute viscosity - is a measure of internal resistance.
Dynamic (absolute) viscosity is the tangential force per unit area required to move one
horizontal plane with respect to an other plane - at an unit velocity - when maintaining an
unit distance apart in the fluid.
The shearing stress between the layers of a non turbulent fluid moving in straight parallel
lines can be defined for a Newtonian fluid as
The dynamic viscosity can be expressed
τ = μ dc / dy
26
(1)
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where
τ = shearing stress (N/m2)
μ = dynamic viscosity (N s/m2)
dc = unit velocity (m/s)
dy = unit distance between layers (m)
Equation (1) is known as the Newtons Law of Friction.
In the SI system the dynamic viscosity units are N s/m2, Pa s or kg/(m s) - where

1 Pa s = 1 N s/m2 = 1 kg/(m s)
Dynamic viscosity may also be expressed in the metric CGS (centimeter-gramsecond) system as g/(cm s), dyne s/cm2 or poise (p) where

1 poise = 1 dyne s/cm2 = 1 g/(cm s) = 1/10 Pa s = 1/10 N s/m2
For practical use the Poise is normally too large and the unit is often divided by 100 - into
the smaller unit centiPoise (cP) - where


1 p = 100 cP
1 cP = 0.01 poise = 0.01 gram per cm second = 0.001 Pascal second = 1 milliPascal
second = 0.001 N s/m2
Water at 20.2oC (68.4oF) has the absolute viscosity of one - 1 - centiPoise.
Liquid
Absolute
Viscosity *)
(Pa s)
Air
1.983 x 10-5
Water
1 x 10-3
Olive Oil
1 x 10-1
Glycerol
1 x 100
Liquid Honey
1 x 101
Golden Syrup
1 x 102
Glass
1 x 1040
*) at room temperatura

Absolute or Dynamic Viscosity of some common Liquids
27
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9.2. Kinematic Viscosity
Kinematic viscosity is the ratio of - absolute (or dynamic) viscosity to density - a quantity in
which no force is involved. Kinematic viscosity can be obtained by dividing the absolute
viscosity of a fluid with the fluid mass density.
ν=μ/ρ
(2)
where
ν = kinematic viscosity (m2/s)
μ = absolute or dynamic viscosity (N s/m 2)
ρ = density (kg/m3)
In the SI-system the theoretical unit of kinematic viscosity is m2/s - or Stoke (St) where
1 St (Stokes) = 10-4 m2/s = 1 cm2/s

Since the Stoke is a large unit it is often divided by 100 into the smaller unit Centistoke
(cSt) - where
1 St = 100 cSt
1 cSt (centiStoke) = 10-6 m2/s = 1 mm2/s


The specific gravity for water at 20.2oC (68.4oF) is almost one, and the kinematic viscosity
for water at 20.2oC (68.4oF) is for practical purpose 1.0 mm2/s (cStokes). A more exact
kinematic viscosity for water at 20.2oC (68.4oF) is 1.0038 mm2/s (cStokes).
Kinematic Viscosity of Some common Liquids and Fluids

A conversion from absolute to kinematic viscosity in Imperial units can be expressed as
ν = 6.7197 10-4 μ / γ
(2a)
where
ν = kinematic viscosity (ft2/s)
μ = absolute or dynamic viscosity (cP)
γ = specific weight (lb/ft3)
28
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9.3. Viscosity and Reference Temperature
The viscosity of a fluid is highly temperature dependent - and for dynamic or kinematic
viscosity to be meaningful the reference temperature must be quoted. In ISO 8217 the
reference temperature for a residual fluid is 100oC. For a distillate fluid the reference
temperature is 40oC.
for a liquid - the kinematic viscosity decreases with higher temperature
for a gas - the kinematic viscosity increases with higher temperature


9.4. Other Viscosity Units
Saybolt Universal Seconds (or SUS, SSU)
Saybolt Universal Seconds (or SUS) is an alternative unit for measuring viscosity. The
efflux time is Saybolt Universal Seconds (SUS) required for 60 milliliters of a petroleum
product to flow through the calibrated orifice of a Saybolt Universal viscometer - under a
carefully controlled temperature and as prescribed by test method ASTM D 88. This method
has largely been replaced by the kinematic viscosity method. Saybolt Universal Seconds is
also called the SSU number (Seconds Saybolt Universal) or SSF number (Saybolt Seconds
Furol).
Kinematic viscosity in SSU versus dynamic or absolute viscosity can be expressed as
νSSU = B μ / SG
= B νcentiStokes
(3)
where
νSSU = kinematic viscosity (SSU)
B = 4.632 for temperature 100 oF (37.8 oC)
B = 4.664 for temperature 210oF (98.9 oC)
μ = dynamic or absolute viscosity (cP)
SG = Specific Gravity
νcentiStokes = kinematic viscosity (centiStokes)

SSU at other temperatures
Degree Engler
Degree Engler is used in Great Britain as a scale to measure kinematic viscosity. Unlike
the Saybolt and Redwood scales, the Engler scale is based on comparing the flow of the
substance being tested to the flow of another substance - water. Viscosity
29
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Compiled by Miguel Hernández San Martín.
in Engler degrees is the ratio of the time of a flow of200 cubic centimeters of the fluid whose
viscosity is being measured - to the time of flow of 200 cubic centimeters of water at the
same temperature (usually20oC but sometimes 50oC or 100oC) in a
standardized Engler viscosity meter.
Newtonian Fluids
A fluid where the shearing stress is linearly related to the rate of shearing strain - is
designated as a Newtonian Fluid.
A Newtonian material is referred to as true liquid since the viscosity or consistency is not
affected by shear such as agitation or pumping at a constant temperature. Most common
fluids - both liquids and gases - are Newtonian fluids. Water and oils are examples of
Newtonian liquids.
Shear-thinning or Pseudo-plastic Fluids
A Shear-thinning or pseudo-plastic fluid is a fluid where viscosity decreases with increasing
shear rate. The structure is time-independent.
Thixotropic Fluids
A Thixotropic fluid has a time-dependent structure. The viscosity of a thixotropic fluid
decreases with increasing time - at a constant shear rate.
Ketchup and mayonnaise are examples of thixotropic materials. They appear thick or
viscous but are possible to pump quite easily.
Dilatant Fluids
A Shear Thickening Fluid - or Dilatant Fluid - increases the viscosity with agitation or shear
strain. Dilatant fluids are known as non-Newton fluids.
Some dilatant fluids can become almost solid in a pump or pipe line. With agitation cream
becomes butter and candy compounds. Clay slurry and similar heavily filled liquids do the
same thing.
Bingham Plastic Fluids
A Bingham Plastic Fluid has a yield value which must be exceeded before it will start to flow
like a fluid. From that point the viscosity decreases with increasing agitation. Toothpaste,
mayonnaise and tomato ketchup are examples of such products.
Example - Air, Converting between Kinematic and Absolute Viscosity
Kinematic viscosity of air at 1 bar (1 105 Pa, N/m2) and 40oC is 16.97 cSt (16.97 10-6 m2/s).
The density of the air can be estimated with the Ideal Gas Law
ρ = p / (R T)
= 1 105 (N/m2) / ( 287 (J/(kg K)) (273 (oC) + 33 ( oC)) )
30
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
= 1.113 (kg/m3) where
ρ = density (kg/m3)
p = absolute pressure (Pa, N/m2)
R = individual gas constant (J/(kg K))
T = absolute temperature (K)
The absolute viscosity can be calculated as
μ = 1.113 (kg/m3) 16.97 10-6 (m2/s)
= 1.88 10-5 (kg/(m s), N s/m2)
Viscosity of some Common Liquids
(cSt)
Saybolt
Second
Universal
(SSU, SUS)
1
31
Water (20oC)
4.3
40
Milk
centiStokes
Typical liquid
SAE 20 Crankcase Oil
15.7
80
SAE 75 Gear Oil
No. 4 fuel oil
43.2
200
Vegetable oil
110
500
SAE 30 Crankcase Oil
SAE 85 Gear Oil
Tomato Juice
SAE 50 Crankcase Oil
SAE 90 Gear Oil
220
1000
440
2000
SAE 140 Gear Oil
1100
5000
Glycerine (20oC)
SAE 250 Gear Oil
2200
10000
Honey
6250
28000
Mayonnaise
Kinematic viscosity can be converted from SSU to Centistokes as
νCentistokes = 0.226 νSSU - 195 / νSSU where νSSU < 100
νCentistokes = 0.220 νSSU - 135 / νSSU where
νSSU > 100
Viscosity and Temperature
Kinematic viscosity of fluids like water, mercury, oils SAE 10 and oil no. 3 - and gases like
air, hydrogen and helium are indicated in the diagram below. Note that


for liquids viscosity decreases with temperature
for gases viscosity increases with temperature
31
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Measuring Viscosity
Three types of devices are used to measure viscosity



capillary tube viscometer
Saybolt viscometer
rotating viscometer
32
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
10. Water - Absolute or Dynamic Viscosity
Absolute, or dynamic viscosity is used for calculating Reynolds Number to determine if a
fluid flow is laminar, transient or turbulent.
Reynold's Number A definition of Reynold's Number

The absolute, or dynamic viscosity of water depends on the temperature as shown in the
table below:
Temperature
Absolute - Dynamic Viscosity
(oF)
(oC)
(cP)
32
0
1.794
40
4.4
1.546
50
60
10.0
15.6
1.310
1.129
70
21.1
0.982
80
26.7
0.862
90
32.2
0.764
100
120
37.8
48.9
0.682
0.559
140
60.0
0.470
160
71.1
0.401
180
82.2
0.347
200
93.3
0.305


1 cP = 0.01 poise = 0.01 gram per cm second = 0.001 Pascal second = 1 milliPascal
second = 0.001 N.s/m2
Convert viscosity
33
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
11. Water - Dynamic and Kinematic Viscosity
Imperial Units (BG units)
Temperature
-t-
Dynamic
Viscosity
-µ-
Kinematic
Viscosity
-ν-
(oF)
(lbf s/ft2) x 10-5
(ft2/s) x 10-5
32
3.732
1.924
40
3.228
1.664
50
2.730
1.407
100
1.423
0.738
200
0.634
0.339
Dynamic
Viscosity
-µ-
Kinematic
Viscosity
-ν-
( C)
(Pa s, N s/m2)
x 10-3
(m2/s) x 10-6
0
1.787
1.787
10
1.307
1.307
20
1.002
1.004
30
0.798
0.801
40
0.653
0.658
50
0.547
0.553
90
0.315
0.326
100
0.282
0.29
SI Units
Temperature
-to

1 cP = 0.01 poise = 0.01 gram per cm second = 0.001 Pascal second = 1 milliPascal
second = 0.001 N.s/m2
34
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.




2
1 N s/m = 1 Pa s = 10 poise = 1,000 milliPa s
1 m2/s = 1 x 104 cm2/s =1 x 104 stokes = 1 x 106 centistokes
Kinematic viscosity converter
Absolute or Dynamic Viscosity Converter
12. Liquids - Kinematic Viscosities
Kinematic viscosities of some common liquids - motor oil, diesel fuel,
peanut oil and many more
The viscosity of a fluid is its resistance to shear or flow, and is a measure of the fluids
adhesive/cohesive or frictional properties. The viscosity will arise due to internal molecular
friction within a fluid producing the frictional drag effect. There are two related measures of
fluid viscosity which are known as dynamic (orabsolute) and kinematic viscosity.

Dynamic, Absolute and Kinematic Viscosity - An introduction to dynamic and kinematic
viscosity, and how to convert between Centistokes, Centiposes, SSU and Degree Engler
Kinematic viscosity for some common liquids are indicated below:
Temperature
Kinematic Viscosity
(oF)
(oC)
CentiStokes
(cSt)
Seconds
Saybolt
Universal
(SSU)
210
60
98.9
15.6
4.2 min
9.7
40 min
55.7
Crude oil 40o API
130
60
54.4
15.6
3.5
17.8
38
88.4
Crude oil 35.6o API
130
100
54.4
37.8
4.9
6-11.75
42.3
45.5-65
Diesel fuel 3D
130
60
54.4
15.6
3.97-6.78
0.88
39-48
Gasoline a
100
100
37.8
37.8
0.71
43.2
Olive oil
130
54.4
24.1
200
Water, distilled
68
60
20
15.6
10.038
1.13
31
Water, fresh
130
54.4
0.55
31.5
1.15
31.5
Liquid
Automotive gear oil SAE
75W
Water, sea


1 cSt (centiStokes) = 10-6 m2/s
Baumé Hydrometer
35
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
13. Absolute or Dynamic Viscosity Converter
Convert to
Poiseuille
Poise
(Pa s)
(dyne
s/cm2)
(g/cm s)
centiPoise
kg/m h
kgf s/m2
1
10
103
3.63 103
0.102
(dyne
s/cm2)
(g/cm s)
centiPoise
0.1
0.001
1
0.01
100
1
360
3.6
0.0102
0.00012
kg/m h
2.78 10-4
0.00278
0.0278
1
2.83 10-5
kgf s/m2
9.81
98.1
9.81 103
3.53 104
1
lbf s/inch2
6.89 103
6.89 104
6.89 106
2.48 107
703
lbf s/ft2
47.9
479
4.79 104
1.72 105
0.0488
lbf h/ft2
1.72 105
1.72 106
1.72 108
6.21 108
1.76 104
lb/ft s
1.49
14.9
1.49 103
5.36 103
0.152
0.00413
0.413
1.49
4.22 10-5
Convert
from
Poiseuille
(Pa s)
Poise
lb/ft h
4.13 10
-4
Common Dynamic or Absolute Viscosity Units


















1 Pascal second (Poiseuille) = 1000 Centipoise
1 Pascal second (Poiseuille) = 10 Dyne second / centimetre 2
1 Pascal second (Poiseuille) = 0.0102 Gram force seconds / centimetre 2
1 Pascal second (Poiseuille) = 10 Gram / centimetre second
1 Pascal second (Poiseuille) = 0.102 Kilogram force seconds / metre 2
1 Pascal second (Poiseuille) = 3600 Kilogram / metre hour
1 Pascal second (Poiseuille) = 1 Kilogram / metre second
1 Pascal second (Poiseuille) = 10 7 Micropoise
1 Pascal second (Poiseuille) = 1 Newton Second / metre 2
1 Pascal second (Poiseuille) = 10 Poise
1 Pascal second (Poiseuille) = 0.0209 Pound force seconds / ft 2
1 Pascal second (Poiseuille) = 0.000145 Pound force seconds / in 2
1 Pascal second (Poiseuille) = 2419.1 Pound / foot hour
1 Pascal second (Poiseuille) = 0.672 Pound / foot second
1 Pascal second (Poiseuille) = 0.056 Pound / inch second
1 Pascal second (Poiseuille) = 0.672 Poundal seconds / ft 2
1 Pascal second (Poiseuille) = 0.000145 Reyn
1 Pascal second (Poiseuille) = 0.0209 Slugs / foot second
36
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
14. Dynamic Viscosity of some common Liquids
Absolute Viscosity
Fluid
2
(N s/m , Pa s)
(cp)
(104 lbm/ft
sec)
Alcohol, ethyl (ethanol)
0.001095
1.095
7.36
Blood
0.003 - 0.004
Linseed Oil
0.0331
33.1
222
Milk
0.003
Water, Fresh
0.00089
0.89
6.0
15. Dynamic or Absolute Viscosity Converting Chart
Multiply by
Convert to
Poiseuille
Poise
Convert
from
Poiseuille
(Pa s)
(dyne s/cm2)
(Pa s)
Poise
(g/cm s)
centiPoise
kg/m h
kgf s/m2
1
10
103
3.63 103
0.102
(dyne
s/cm2)
(g/cm s)
0.1
1
100
360
0.0102
centiPoise
0.001
0.01
1
3.6
0.00012
kg/m h
2.78 10-4
0.00278
0.0278
1
2.83 10-5
kgf s/m2
9.81
98.1
9.81 103
3.53 104
1
lbf s/inch2
6.89 103
6.89 104
6.89 106
2.48 107
703
lbf s/ft2
47.9
479
4.79 104
1.72 105
0.0488
lbf h/ft2
1.72 105
1.72 106
1.72 108
6.21 108
1.76 104
lb/ft s
1.49
14.9
1.49 103
5.36 103
0.152
lb/ft h
4.13 10-4
0.00413
0.413
1.49
4.22 10-5
37
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
16. Kinematic Viscosity Table.
Multiply with
Convert to
Convert
from
m2/sec
m2/min
m2/hour
stokes
(cm2/sec)
cm2/hour
cm2/min
m2/sec
1
60
3600
10000
3.6 107
6 105
m2/min
0.017
1
60
167
6 105
104
m2/hour
2.8 10-4
0.017
1
2.78
10000
167
stokes
(cm2/sec)
10-abr
0.006
0.36
1
3600
60
cm2/hour
2.8 10-8
1.7 10-6
10-abr
2.7 10-4
1
0.0167
10-abr
0.006
0.0167
60
2
cm /min
2
1.7 10
-6
in /sec
6.45 10
in2/min
in2/hour
2
-4
0.039
2.32
6.45
2.3 10
1.1 10-5
6.45 10-4
0.039
0.11
387
1.79 10-7
1.1 10-5
6.45 10-4
1.79 10-3
6.45
1
4
387
6.45
0.11
6
5.56 104
ft /sec
0.093
5.56
333.3
926
3.33 10
ft2/min
0.0015
0.093
5.57
15.5
5.6 104
928.8
ft2/hour
2.6 10-5
1.55 10-3
0.09
0.26
928
15.5
Common Kinematic Viscosity Units











1 Stoke = 10-4 m2/s
1 Stoke = 100 centiStokes
1 Stoke = 1 Square centimetre / second
1 Stoke = 3.88 Square foot/hour
1 Stoke = 1.08 10-3 Square foot/second
1 Stoke = 558 Square inch/hour
1 Stoke = 0.155 Square inch/second
1 Stoke = 0.36 Square metre/hour
1 Stoke = 360000 Square millimetre/hour
1 Stoke = 100 Square millimetre/second
1 Stoke = 1 lentor
38
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
17. Kinematic Conversion Diagram
Convert diagram between Centistokes, Saybolt and Redwood seconds
Relation between kinematic viscosity in Centistokes, Saybolt and Redwood seconds are indicated in
the diagram below:




70oF = 21.1oC
100oF = 37.8oC
200oF = 93.3oC
210oF = 98.9oC
39
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Compiled by Miguel Hernández San Martín.
18. Pressure
18.1. Introduction to pressure - relationship psi and Pa- online pressure units
converter
The pressure in a fluid is defined as
"the normal force per unit area exerted on a imaginary or real plane surface in a fluid or a
gas"
The equation for pressure can expressed as:
p=F/A
(1)
where
p = pressure (lb/in2 (psi) or lb/ft2 (psf), N/m2 or kg/ms2 (Pa))
F = force (1), N)
A = area (in2 or ft2, m2)
1)
In the English Engineering System special care must be taken for the force unit. The
basic unit for mass is the pound mass (lbm) and the unit for the force is the pound (lb) or
pound force (lbf).
18.2. Absolute Pressure
The absolute pressure - pabs - is measured relative to the absolute zero pressure - the
pressure that would occur at absolute vacuum. All calculation involving the gas laws
requires pressure (and temperature) to be in absolute units.
40
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
18.3. Gauge Pressure
A gauge is often used to measure the pressure difference between a system and the
surrounding atmosphere. This pressure is often called the gauge pressure and can be
expressed as
pg = ps - patm
(2)
where
pg = gauge pressure
ps = system pressure
patm = atmospheric pressure
18.4. Atmospheric Pressure
Atmospheric pressure is pressure in the surrounding air at - or "close" to - the surface of the
earth. The atmospheric pressure vary with temperature and altitude above sea level.

Altitude and Air Density
18.5. Standard Atmospheric Pressure
Standard Atmospheric Pressure (atm) is used as a reference for gas densities and
volumes. The Standard Atmospheric Pressure is defined at sea-level at273oK (0oC) and
is 1.01325 bar or 101325 Pa (absolute). The temperature of 293oK (20oC) is also used.
In imperial units the Standard Atmospheric Pressure is 14.696 psi.

1 atm = 1.01325 bar = 101.3 kPa = 14.696 psi (lbf/in2)= 760 mmHg =10.33 mH2O = 760 torr
= 29.92 inHg = 1013 mbar = 1.0332 kg f/cm2 = 33.90 ftH2O
18.6. Pressure Units
Since 1 Pa is a small pressure unit, the unit hectoPascal (hPa) is widely used, especially in
meteorology. The unit kiloPascal (kPa) is commonly used design of technical applications
like HVAC systems, piping systems and similar.


1 hectoPascal = 100 Pascal = 1 millibar
1 kiloPascal = 1000 Pascal
18.7. Some Pressure Levels





10 Pa - the pressure below 1 mm of water
1 kPa - approximately the pressure exerted by a 10 g of mass on a 1 cm2 area
10 kPa - the pressure below 1 m of water, or the drop in air pressure when moving from sea
level to 1000 m elevation
10 MPa - nozzle pressure in a "high pressure" washer
10 GPa - pressure enough to form diamonds
41
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
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18.8. Some Alternative Units of Pressure
1 bar - 100,000 Pa
1 millibar - 100 Pa
1 atmosphere - 101,325 Pa
1 mm Hg - 133 Pa
1 inch Hg - 3,386 Pa





A torr (often used in vacuum applications) is named after Torricelli and is the pressure
produced by a column of mercury 1 mm high - equals to 1 / 760th of an atmosphere.
1 atm = 760 torr = 14.696 psi

Pounds per square inch (psi) was common in U.K. but has now been replaced in almost
every country except in the U.S. by the SI units. Since atmospheric pressure is 14.696 psi a column of air on a area of one square inch area from the Earth's surface to the space weights 14.696 pounds.
The bar (bar) is common in the industry. One bar is 100,000 Pa, and for most practical
purposes can be approximated to one atmosphere even if
1 Bar = 0.9869 atm
There are 1,000 millibar (mbar) in one bar, a unit common in meteorology and weather
applications.
1 millibar = 0.001 bar = 0.750 torr = 100 Pa
19. Static Pressure and Pressure Head in Fluids
The pressure indicates the normal force per unit area at a given point acting on a given
plane. Since there is no shearing stresses present in a fluid at rest - the pressure in a fluid
is independent of direction.
For fluids - liquids or gases - at rest the pressure gradient in the vertical direction depends
only on the specific weight of the fluid.
How pressure changes with elevation can be expressed as
dp = - γ dz
(1)
where
dp = change in pressure
dz = change in height
γ = specific weight
The pressure gradient in vertical direction is negative - the pressure decrease upwards.
42
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
19.1. Specific Weight
Specific Weight can be expressed as:
γ=ρg
(2)
where
γ = specific weight
g = acceleration of gravity
In general the specific weight - γ - is constant for fluids. For gases the specific weight - γ varies with the elevation.
The pressure exerted by a static fluid depends only upon



the depth of the fluid
the density of the fluid
the acceleration of gravity
19.2. Static Pressure in a Fluid
For a incompressible fluid - as a liquid - the pressure difference between two elevations can
be expressed as:
p2 - p1 = - γ (z2 - z1)
(3) where
p2 = pressure at level 2 p1 = pressure at level 1 z2 = level 2 z1 = level 1
(3) can be transformed to:
p1 - p2 = γ (z2 - z1)
or
p1 - p2 = γ h (5)
(4)
where
h = z2 - z1 difference in elevation - the dept down from location z2.
Or
p1 = γ h + p2
(6)
Example - Pressure in a Fluid
The absoute pressure at water depth of 10 m can be calulated as:
p1 = γ h + p 2
= (1000 kg/m3) (9.81 m/s2) (10 m) + (101.3 kPa)
= (98100 kg/ms2 or Pa) + (101300 Pa) = 199.4 kPa
ρ = 1000 kg/m3
43
where
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
g = 9.81 m/s2
p2 = pressure at surface level = atmospheric pressure = 101.3 kPa
The gauge pressure can be calulated setting p2 = 0
p1 = γ h + p 2
= (1000 kg/m3) (9.81 m/s2) (10 m) = 98.1 kPa
19.3. The Pressure Head
(6) can be transformed to:
h = (p2 - p1) / γ
(6)
h express the pressure head - the height of a column of fluid of specific weight - γ required to give a pressure difference of (p2 - p1).
Example - Pressure Head
A pressure difference of 5 psi (lbf/in2) is equivalent to
(5 lbf/in2) (12 in/ft) (12 in/ft) / (62.4 lb/ft3) = 11.6 ft of water
(5 lbf/in2) (12 in/ft) (12 in/ft) / (847 lb/ft3) = 0.85 ft of mercury
when specific weight of water is 62.4 (lb/ft3) and specific weight of mercury is 847 (lb/ft3).
Heads at different velocities are indicated in the table below:
Velocity
(ft/sec)
Head
Water
(ft)
1.0
0.016
2.0
0.062
5.0
0.389
8.0
0.995
9.0
1.259
10.0
1.555
14.0
3.047
18.0
5.037
20.0
6.219

1 ft (foot) = 0.3048 m = 12 in = 0.3333 yd
44
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20. Pascal's Laws
Pascal's Laws relates to pressures in fluids - liquid or gaseous state:
if the weight of a fluid is neglected the pressure throughout an enclosed volume will be the
same
the static pressure in a fluid acts equally in all directions
the static pressure acts at right angles to any surface in contact with the fluid



Example - Pressure in an Hydraulic Cylinder
The pressure of 2000 Pa in an hydraulic cylinder acts equally on all surfaces. The force on
a piston with area 0.1 m2 can be calculated as
F = p A (1)
where
F = force (N)
p = pressure (Pa, N/m2)
A = area (m2)
or with values
F = (2000 Pa) (0.1 m2)
= 200 (N)
Example - Force in a Hydraulic Jack
The pressure acting on both pistons in a hydraulic jack is equal.
The force equation for the small cylinder:
Fs = p As (2) where
45
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Fs = force acting on the piston in the small cylinder (N)
As = area of small cylinder
p = pressure in small and large cylinder
The force equation for the large cylinder:
Fl = p Al (2b)
where
Fl = force acting on the piston in the large cylinder (N)
Al = area of large cylinder
p = pressure in small and large cylinder
(2) and (2b) can be combined to
Fs / As = Fl / Al (2c)
Or
Fs = Fl As / Al (2d)
The equation indicates that the effort force required in the small cylinder to lift a load on the
large cylinder depends on the area ratio between the small and the large cylinder - the
effort force can be reduced by reducing the small cylinder area compared to the large
cylinder area.
20.1. A Hydraulic Jack Lifting a Car
The back end (half the weight) of a car of mass 2000 kg is lifted by an hydraulic jack where
the As / Al ratio is 0.1 (the area of the large cylinder is 10 times the area of the small
cylinder).
The force (weight) acting on the large cylinder can be calculated with Newton's Second
Law:
Fl = m a
where
m = mass (kg)
a = accelaration of gravity (m/s2)
or
Fl = 1/2 (2000 kg) (9.81 m/s2) = 9810 (N)
The force acting on the small cylinder can be calculated with (2d)
46
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Fs = (9810 N) 0.1 = 981 (N)
21. Pressure Coefficient
The pressure coefficient is is the ratio of pressure forces to inertial forces and can be
expressed as
Cp = dP / (ρ v2 / 2)
= dh (ρ v2 / 2 g)
(1)
where
Cp = pressure coefficient
dp = pressure difference (N)
ρ = fluid density (kg/m3)
v = flow velocity (m/s)
dh = head (m)
g = acceleration of gravity (= 9.81 m/s2)
The pressure coefficient is important in most fluid flow applications.
22. Bulk Modulus and Fluid Elasticity
The Bulk Modulus Elasticity is a material property characterizing the compressibility of a fluid - how
easy a unit volume of a fluid can be changed when changing the pressure working upon it.
The Bulk Modulus Elasticity can be expressed as
E = - dp / (dV / V)
47
(1)
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
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where
E = bulk modulus elasticity
dp = differential change in pressure on the object
dV = differential change in volume of the object
V = initial volume of the object
The Bulk Modulus Elasticity can be alternatively expressed as
E = dp / (dρ / ρ)
(2) where
dρ = differential change in density of the object
ρ = initial density of the object
An increase in the pressure will decrease the volume (1). A decrease in the volume will
increase the density (2).



The SI unit of the bulk modulus elasticity is N/m2 (Pa)
The imperial (BG) unit is lbf/in2 (psi)
1 lbf/in2 (psi) = 6.894 103 N/m2 (Pa)
A large Bulk Modulus indicate a relative incompressible fluid.
Bulk Modulus for some common fluids can be found in the table below:
Imperial Units - BG
SI Units
Bulk Modulus - E
(105 psi, lbf/in2)
(109 Pa, N/m2)
Acetone
1.34
0.92
Benzene
1.5
1.05
Carbon Tetrachloride
1.91
1.32
Ethyl Alcohol
1.54
1.06
Gasoline
Glycerin
1.9
6.31
1.3
4.35
ISO 32 mineral oil
2.6
1.8
Kerosene
1.9
1.3
Mercury
41.4
28.5
Paraffin Oil
Petrol
2.41
1.55 - 2.16
1.66
1.07 - 1.49
Phosphate ester
4.4
3
SAE 30 Oil
2.2
1.5
Seawater
3.39
2.34
Sulfuric Acid
4.3
3.0
48
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Water
3.12
2.15
Water - glycol
5
3.4
Water in oil emulsion
3.3
2.3
23. Surface Tension
Surface tension is caused by the inward attraction of molecules at a boundary.
Surface tension is the energy required to stretch a unit change of a surface area and the
surface tension will form a drop of liquid to a sphere since the sphere offers the smallest
area for a definite volume.
Surface tension can be defined as
σ = Fs / l
(1)
where
σ = surface tension (N/m) Fs = stretching force (N)
l = unit length (m)
23.1. Alternative Units
Alternatively, surface tension is typically measured in dynes/cm, which is

the force in dynes required to break a film of length 1 cm
or as surface energy J/m2 or alternatively ergs per square centimeter.

1 dynes/cm (dyn/cm) = 0.001 N/m = 0.0000685 lb f/ft = 0.571 10-5 lbf/in = 0.0022 poundal/ft =
0.00018 poundal/in = 1.0 mN/m = 0.001 J/m2 = 1.0 erg/cm2 = 0.00010197 kgf/m
Common Imperial units used are lb/ft and lb/in.
23.2. Surface Tension of Water
Water surface tension at different temperatures can be taken from the table below:
49
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23.3. Surface Tension of some common Fluids



Acetic acid : 0.028 (N/m)
Water at 20oC : 0.0729 (N/m)
Water, soapy at 20oC : 0.0250 - 0.0450 (N/m)
24. Capillarity
Capillarity or capillary action is the ability of a narrow tube to draw a liquid upwards against
the force of gravity.
The height of liquid in a tube due to capillarity can be expressed as
h = 2 σ cosθ / (ρ g r)
h = height of liquid (ft, m)
(1) where
σ = surface tension (lb/ft, N/m)
ρ = density of liquid (lb/ft3, kg/m3)
g = acceleration due to gravity (32.174 ft/s2, 9.81 m/s2)
r = radius of tube (ft, m)
50
θ = contact angle
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24.1. Surface Tension
Surface tension is typically measured in dynes/cm or N/m.
Surface Tension
Liquid
N/m
dynes/cm
Ethyl
Alcohol
0.0223
22.3
Mercury
0.465
465
Water
20oC
0.0728
72.75
Water
100oC
0.0599
58.9
Capillarity, like surface tension, decreases with increasing temperature. Its temperature variation,
however, is small and insignificant in most problems.
25. Equations in Fluid Mechanics
25.1. The Bernoulli Equation

The Bernoulli Equation - A statement of the conservation of energy in a form useful for
solving problems involving fluids. For a non-viscous, incompressible fluid in steady flow, the
sum of pressure, potential and kinetic energies per unit volume is constant at any point.
25.2. Conservation laws




The conservation laws states that particular measurable properties of an isolated physical
system does not change as the system evolves.
Conservation of energy (including mass)
Fluid Mechanics and Conservation of Mass - The law of conservation of mass states that
mass can neither be created or destroyed.
The Continuity Equation - The Continuity Equation is a statement that mass is conserved.
25.3. Darcy-Weisbach Equation

Pressure Loss and Head Loss due to Friction in Ducts and Tubes - Major loss - head loss or
pressure loss - due to friction in pipes and ducts.
25.4. Euler Equations

In fluid dynamics, the Euler equations govern the motion of a compressible, inviscid fluid.
They correspond to the Navier-Stokes equations with zero viscosity, although they are
usually written in the form shown here because this emphasizes the fact that they directly
represent conservation of mass, momentum, and energy.
25.5. Laplace's Equation

The Laplace Equations describes the behavior of gravitational, electric, and fluid potentials.
25.6. Ideal Gas Law

The Ideal Gas Law - For a perfect or ideal gas the change in density is directly related to the
change in temperature and pressure as expressed in the Ideal Gas Law.
51
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

Properties of Gas Mixtures - Special care must be taken for gas mixtures when using the
ideal gas law, calculating the mass, the individual gas constant or the density.
The Individual and Universal Gas Constant - The Individual and Universal Gas Constant is
common in fluid mechanics and thermodynamics.
25.7. Navier-Stokes Equations

The motion of a non-turbulent, Newtonian fluid is governed by the Navier-Stokes equations.
The equation can be used to model turbulent flow, where the fluid parameters are
interpreted as time-averaged values.
25.8. Mechanical Energy Equation

The Mechanical Energy Equation - The mechanical energy equation in Terms of Energy per
Unit Mass, in Terms of Energy per Unit Volume and in Terms of Energy per Unit Weight
involves Heads.
25.9. Pressure

Static Pressure and Pressure Head in a Fluid - Pressure and pressure head in a static fluid.
26. Equation of Continuity
The Law of Conservation of Mass states that mass can be neither created or destroyed.
Using the Mass Conservation Law on a steady flow process - flow where the flow rate do
not change over time - through a control volume where the stored mass in the control
volume do not change - implements that

inflow equals outflow
This statement is called the Equation of Continuity. Common application where the
Equation of Continuity are used are pipes, tubes and ducts with flowing fluids or gases,
rivers, overall processes as power plants, diaries, logistics in general, roads, computer
networks and semiconductor technology and more.
52
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The Equation of Continuity and can be expressed as:
m = ρi1 vi1 Ai1 + ρi2 vi2 Ai2 +..+ ρin vin Aim
= ρo1 vo1 Ao1 + ρo2 vo2 Ao2 +..+ ρom vom Aom
(1)
where
m = mass flow rate (kg/s)
ρ = density (kg/m3)
v = speed (m/s)
A = area (m2)
With uniform density equation (1) can be modified to
q = vi1 Ai1 + vi2 Ai2 +..+ vin Aim
= vo1 Ao1 + vo2 Ao2 +..+ vom Aom
(2)
where
q = flow rate (m3/s)
ρi1 = ρi2 = . . = ρin = ρo1 = ρo2 = . .= ρom
Example - Equation of Continuity
10 m3/h of water flows through a pipe with 100 mm inside diameter. The pipe is reduced to
an inside dimension of 80 mm.
Using equation (2) the velocity in the 100 mm pipe can be calculated as
(10 m3/h) (1 / 3600 h/s) = v100 (3.14 (0.1 m)2 / 4)
or
v100 = (10 m3/h) (1 / 3600 h/s) / (3.14 (0.1 m) 2 / 4)
= 0.35 m/s
Using equation (2) the velocity in the 80 mm pipe can be calculated
(10 m3/h) (1 / 3600 h/s) = v80 (3.14 (0.08 m)2 / 4)
or
v80 = (10 m3/h) (1 / 3600 h/s) / (3.14 (0.08 m) 2 / 4)
53
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= 0.55 m/s
27. Pipe Fluid Flow Velocity
27.1. Imperial units
Fluid flow velocity in a circular pipe can be calculated with Imperial or American units as
v = 1.274 q / d2
= 0.4085 qgpm / din2
(1)
where
v = velocity (ft/s)
q = volume flow (ft3/s)
d = pipe inside diameter (ft)
qgpm = volume flow (US gal./min)
din = pipe inside diameter (inches)
27.2. SI units
Fluid flow velocity in a circular pipe can be calculated with SI units as
v = 1.273 q / d2
(2)
where
v = velocity (m/s)
q = volume flow (m3/s)
d = pipe inside diameter (m)
Example - Flow Velocity in a Steel Pipe
60 US gal/min is flowing through a 4 inch schedule 80 steel pipe. The internal diameter of
the pipe is 3.83 in. The velocity can be calculated as
v = 0.4085 (60 gal/min) / (3.83 in)2
= 1.7 ft/s
54
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Compiled by Miguel Hernández San Martín.
28. Bernoulli Equation
A statement of the conservation of energy in a form useful for solving problems involving
fluids. For a non-viscous, incompressible fluid in steady flow, the sum of pressure, potential
and kinetic energies per unit volume is constant at any point.
A special form of the Euler’s equation derived along a fluid flow streamline is often called
the Bernoulli Equation:
55
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For steady state incompressible flow the Euler equation becomes (1). If we integrate (1)
along the streamline it becomes (2). (2) can further be modified to (3) by dividing by gravity.
56
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28.1. Head of Flow
Equation (3) is often referred to the head because all elements has the unit of length.
28.2. Dynamic Pressure
(2) and (3) are two forms of the Bernoulli Equation for steady state incompressible flow. If
we assume that the gravitational body force is negligible, (3) can be written as (4). Both
elements in the equation have the unit of pressure and it's common to refer the flow velocity
component as the dynamic pressureof the fluid flow (5).
Since energy is conserved along the streamline, (4) can be expressed as (6). Using the
equation we see that increasing the velocity of the flow will reduce the pressure, decreasing
the velocity will increase the pressure.
This phenomena can be observed in a venturi meter where the pressure is reduced in the
constriction area and regained after. It can also be observed in a pitot tube where
the stagnation pressure is measured. The stagnation pressure is where the velocity
component is zero.
Example - Bernoulli Equation and Flow from a Tank through a small Orifice
Liquid flows from a tank through a orifice close to the bottom. The Bernoulli equation can be
adapted to a streamline from the surface (1) to the orifice (2) as (e1):
57
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Since (1) and (2)'s heights from a common reference is related as (e2), and the equation of
continuity can be expressed as (e3), it's possible to transform (e1) to (e4).
28.3. Vented tank
A special case of interest for equation (e4) is when the orifice area is much lesser than the
surface area and when the pressure inside and outside the tank is the same - when the
tank has an open surface or "vented" to the atmosphere. At this situation the (e4) can be
transformed to (e5).
"The velocity out from the tank is equal to speed of a freely body falling the distance h." also known as Torricelli's Theorem.
Example - outlet velocity from a vented tank
The outlet velocity of a tank with height 10 m can be calculated as
V2 = (2 (9.81 m/s2) (10 m))1/2
= 14 (m/s)
28.4. Pressurized Tank
If the tanks is pressurized so that product of gravity and height (g h) is much lesser than the
pressure difference divided by the density, (e4) can be transformed to (e6).
The velocity out from the tank depends mostly on the pressure difference.
Example - outlet velocity from a pressurized tank
The outlet velocity of a pressurized tank where
p1 = 0.2 (MN/m2)
p2 = 0.1 (MN/m2)
A2 / A1 = 0.01
h = 10 (m)
can be calculated as
V2 = ( (2 / (1 - (0.01)2) ((0.2 106 N/m2) - (0.1 106 N/m2)) / (1000 kg/m3) + (9.81 m/s2) (10
m)))1/2
= 19.9 (m/s)
28.5. Coefficient of Discharge - Friction Coefficient
Due to friction the real velocity will be somewhat lower than this theoretic examples. If we
introduce a friction coefficient c (coefficient of discharge), (e5) can be expressed as (e5b).
58
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
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The coefficient of discharge can be determined experimentally. For a sharp edged opening
it may bee as low as 0.6. For smooth orifices it may bee between 0.95 and 1.
29. Energy and Hydraulic Grade Line
29.1. The Bernoulli Equation
For steady, inviscid, incompressible flow the total energy remains constant along a stream
line as expressed through the Bernoulli Equation:
p + 1/2 ρ v2 + γ h = constant along a streamline
(1)
where
p = static pressure (relative to the moving fluid)
ρ = density
γ = specific weight
v = flow velocity
g = acceleration of gravity
h = elevation height
Each term of this equation has the dimension force per unit area - psi, lb/ft2 or N/m2.
29.2. The Head
By dividing each term with the specific weight - γ = ρ g - equation (1) can be transformed to
express the "head":
59
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
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p / γ + v2 / 2 g + h = constant along a streamline = H
(2)
where
H = the total head
Each term of this equation has the dimension length - ft, m.
29.3. The Total Head
(2) states that the sum of
pressure head - p / γ
velocity head - v2 / 2 g
elevation head - h



is constant along a stream line. This constant can be called the total head - H.
The total head in a flow can be determined by measuring the stagnation pressure using
a pitot tube.
29.4. The Piezometric Head
The sum of pressure head - p / γ - and elevation head - h - is called the piezometric head.
The piezometric head in a flow can be measured through an flat opening parallel to the
flow.
29.5. The Energy Line
The Energy Line is a line that represent the total head available to the fluid and can be
expressed as:
EL = H = p / γ + v2 / 2 g + h = constant along a streamline
(3)
where
EL = Energy Line
For a fluid flow without any losses due to friction (major losses) or components (minor
losses) - the energy line would be at a constant level. In a practical world the energy line
decreases along the flow due to losses.
A turbine in the flow reduces the energy line and a pump or fan in the line increases the
energy line.
29.6. The Hydraulic Grade Line
The Hydraulic Grade Line is a line representing the total head available to the fluid - minus
the velocity head and can be expressed as:
HGL = p / γ + h
60
(4)
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
where
HGL = Hydraulic Grade Line
The hydraulic grade line lies one velocity head below the energy line.
30. Hydrostatic Pressure
Hydrostatic pressure in a liquid can determined using the following equation:
p=hρg
(1) where
p = pressure (N/m2, Pa, lbf/ft2, psf)
h = height of fluid column, or depth in the fluid at which the pressure is measured (m, in)
ρ = density of liquid (kg/m3, slugs/ft3)
g = the gravitational constant (9.81 m/s2, 32.17405 ft/s2)
Hydrostatic pressure in a water column (density 1000 kg/m3) - or depth - is indicated below:
61
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
62
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Example - Pressure acting in water at deep 1 m
The density of water at 4oC is 1000 kg/m3. The pressure acting in water at 1 m can be
calculated as
p=hρg
= (1 m) (1000 kg/m3) (9.81 m/s2)
= 9810 Pa
Example - Pressure acting in water at deep 3 ft
The density of water at 32oF is 1.940 slugs/ft3. The pressure acting in water at 3 ft can be
calculated as
p=hρg
= (3 ft) (1.940 slugs/ft3) (32.17405 ft/s2)
= 187.3 lbf/ft2 (psf)
= 1.3 lbf/in2 (psi)
31. Pressure Energy
Pressure energy in an incompressible fluid volume, like a pressurized tank with water, can
be expressed as
E = dp / ρ
(1)
where
E = energy (J/kg)
dp = pressure difference (Pa, N/m2)
ρ = density (kg/m3)
63
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32 Flow of Liquids from Containers
32.1. Base Apertures
Outlet velocity cab be expressed as
v = Cv (2 g H )1/2
(1a) where
v = outlet velocity (m/s)
g = acceleration of gravity (9.81 m/s2 H = height (m)
Cv = velocity coefficient (water 0.97)
Volume flow can be expressed as
V = Cd A (2 g H)1/2
(1b)
where
V = volume flow (m3/s)
Cd = dischare coefficient
where
Cd = Cc Cv
where
Cc = contraction coefficient (sharp edge apperture 0.62, well rounded apperture 0.97)
A = area apperture (m2)
32.2. Small Lateral Appertures
Outlet velocity can be expressed as
64
v = Cv (2 g H)1/2
(2a)
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Distance s can be expressed as
1/2
s = 2 (H h)
V = Cd A (2 g H)1/2
Volume flow can be expressed as
Reaction force can be expressed as
Where
(2b)
F=ρVv
(2c)
(2d)
ρ = density (kg/m3) (water 1000 kg/m3)
33.3. Large Lateral Apertures
Volume flow can be expressed as
V = 2/3 Cd b (2 g)1/2 (H23/2 - H13/2)
(3a)
where
b = width of aperture (m)
33.4. Excess Pressure in Container
Outlet velocity can be expressed as
v = Cv (2 (g H + p / ρ))1/2
p = excess pressure in container or tank (N/m2, Pa)
65
(4a) where
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Volume flow can be expressed as
V = Cd A (2 (g H + p / ρ))1/2
(4b)
33. Total Pressure or Head Loss in Pipe or Duct Systems
33.1. Major and minor loss in pipe, tubes and duct systems
The head loss of a pipe, tube or duct system, is the same as that produced in a straight
pipe or duct whose length is equal to the pipes of the original systems plus the sum of the
equivalent lengths of all the components in the system. This can be expressed as
hloss = Σ hmajor_losses + Σ hminor_losses
(1)
where
hloss = total head loss in the pipe or duct system
hmajor_losses = major loss due to friction in the pipe or duct system
hminor_losses = minor loss due to the components in the system
Major Head Loss - head loss or pressure loss - due to friction in pipes and ducts.
Minor Head Loss - head loss or pressure loss - due to components as valves, bends, tees
and the like in the pipe or duct system.


33.2. Summarized Major Losses
The major head loss for a single pipe or duct can be expressed as:
hmajor_loss = λ (l / dh) (v2 / 2 g)
(2)
where
hloss = head loss (m, ft)
λ = friction coefficient
l = length of duct or pipe (m)
dh = hydraulic diameter (m)
v = flow velocity (m/s, ft/s)
g = acceleration of gravity (m/s2, ft/s2)
33.3. Summarized Minor Losses
Minor head loss can be expressed as:
hminor_loss = ξ v2/ 2 g
where
66
(3)
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ξ = minor loss coefficient
Since the velocity - v - in equation (2) in general is related to the pipe or duct where the
component is located, the sum of the minor losses in a pipe or duct can be expressed as:
Σ hminor_losses = Σ ξ (v2/ 2 g)
(3)
The minor loss can be calculated by summarizing the minor loss coefficients - and
multiplying the sum with the dynamic pressure head.
33.4. Total Head Loss in a Single Pipe or Duct
The total head loss for a single pipe can be calculated by using equation (1) and (3):
hloss_single = λ (l / dh) (v2 / 2 g) + Σ ξ v2/ 2 g
(4)
or
hloss_single = (λ (l / dh) + Σ ξ ) (v2/ 2 g)
(5)
33.5. Total Head Loss in Serial Connected Pipes
The total head loss in several serial connected pipes can be calculated by adding the total
head loss in each pipe or duct. The total head loss can be expressed as:
hloss_serial = Σ [(λ1 (l1 / dh1) + Σ ξ1) (v12/ 2 g) + .. + λn (ln / dhn) + Σ ξn) (vn2/ 2 g)]
(6)
for 1 to n serial connected pipes
34. Orifice, Nozzle and Venturi Flow Rate Meters
In a flow metering device based on the Bernoulli Equation the downstream pressure after
an obstruction will be lower than the upstream pressure before. To understand orifice,
nozzle and venturi meters it's therefore necessary to explore the Bernoulli Equation.
34.1. The Bernoulli Equation
Assuming a horizontal flow (neglecting minor elevation differences between measuring
points) the Bernoulli Equation can be modified to:
p1 + 1/2 ρ v12 = p2 + 1/2 ρ v22
(1)
where
p = pressure
ρ = density
v = flow velocity
The equation can be adapted to vertical flow by adding elevation heights h1 and h2.
67
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Assuming uniform velocity profiles in the upstream and downstream flow - the Continuity
Equation can be expressed as
q = v1 A1 = v2 A2
q = flow rate
(2)
where
A = flow area
Combining (1) and (2), assuming A2 < A1, gives the "ideal" equation:
q = A2 [ 2(p1 - p2) / ρ(1 - (A2 / A1)2) ]1/2
(3)
For a given geometry (A), the flow rate can be determined by measuring the pressure
difference p1 - p2.
The theoretical flow rate q will in practice be smaller (2 - 40%) due to geometrical
conditions.
The ideal equation (3) can be modified with a discharge coefficient:
q = cd A2 [ 2(p1 - p2) / ρ(1 - (A2 / A1)2) ]1/2
(3b)
where
cd = discharge coefficient
The discharge coefficient cd is a function of the jet size - or orifice opening - the
area ratio = Avc / A2
where
Avc = area in "vena contracta"
"Vena Contracta" is the minimum jet area that appears just downstream of the restriction.
The viscous effect is usually expressed in terms of the nondimensional parameter Reynolds
Number - Re.
Due to the Benoulli and Continuity Equation the velocity of the fluid will be at it's highest and
the pressure at the lowest in "Vena Contracta". After the metering device the velocity will
decrease to the same level as before the obstruction. The pressure recover to a pressure
level lower than the pressure before the obstruction and adds a head loss to the flow.
Equation (3) can be modified with diameters to:
q = cd π / 4 D22 [ 2 (p1 - p2) / ρ (1 - d4) ]1/2
where
(4)
D2 = orifice, venturi or nozzle inside diameter
D1 = upstream and downstream pipe diameter
d = D2 / D1 diameter ratio
π = 3.14
Equation (4) can be modified to mass flow for fluids by simply multiplying with the density:
m = cd π / 4 D22 ρ [ 2 (p1 - p2) / ρ (1 - d4) ]1/2
68
(5)
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
When measuring the mass flow in gases, its necessary to considerate the pressure
reduction and change in density of the fluid. The formula above can be used with limitations
for applications with relatively small changes in pressure and density.
34.2. The Orifice Plate
The orifice meter consists of a flat orifice plate with a circular hole drilled in it. There is a
pressure tap upstream from the orifice plate and another just downstream. There are in
general three methods of placing the taps. The coefficient of the meter depends upon the
position of taps.



Flange location - Tap location 1 inch upstream and 1 inch downstream from face of orifice
"Vena Contracta" location - Tap location 1 pipe diameter (actual inside) upstream and 0.3 to
0.8 pipe diameter downstream from face of orifice
Pipe location - Tap location 2.5 times nominal pipe diameter upstream and 8 times nominal
pipe diameter downstream from face of orifice
The discharge coefficient - cd - varies considerably with changes in area ratio and
the Reynolds number. A discharge coefficient cd = 0.60 may be taken as standard, but the
value varies noticeably at low values of the Reynolds number.
Discharge Coefficient - cd
Diameter
Ratio
Reynolds Number - Re
d = D2 / D1
104
105
106
107
0.2
0.60
0.595
0.594
0.594
0.4
0.61
0.603
0.598
0.598
0.5
0.62
0.608
0.603
0.603
0.6
0.63
0.61
0.608
0.608
0.7
0.64
0.614
0.609
0.609
The pressure recovery is limited for an orifice plate and the permanent pressure loss
depends primarily on the area ratio. For an area ratio of 0.5, the head loss is about 70 75% of the orifice differential.



The orifice meter is recommended for clean and dirty liquids and some slurry services.
The rangeability is 4 to 1
The pressure loss is medium
69
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.




Typical accuracy is 2 to 4% of full scale
The required upstream diameter is 10 to 30
The viscosity effect is high
The relative cost is low
References




American Society of Mechanical Engineers (ASME). 2001. Measurement of fluid flow using
small bore precision orifice meters. ASME MFC-14M-2001.
International Organization of Standards (ISO 5167-1:2003). Measurement of fluid flow by
means of pressure differential devices, Part 1: Orifice plates, nozzles, and Venturi tubes
inserted in circular cross-section conduits running full. Reference number: ISO 5167-1:2003.
International Organization of Standards (ISO 5167-1) Amendment 1. 1998. Measurement of
fluid flow by means of pressure differential devices, Part 1: Orifice plates, nozzles, and
Venturi tubes inserted in circular cross-section conduits running full. Reference number: ISO
5167-1:1991/Amd.1:1998(E).
American Society of Mechanical Engineers (ASME). B16.36 - 1996 - Orifice Flanges
34.3. The Venturi Meter
In the venturi meter the fluid is accelerated through a converging cone of angle 15-20o and
the pressure difference between the upstream side of the cone and the throat is measured
and provides a signal for the rate of flow.
The fluid slows down in a cone with smaller angle (5 - 7o) where most of the kinetic energy
is converted back to pressure energy. Because of the cone and the gradual reduction in the
area there is no "Vena Contracta". The flow area is at a minimum at the throat.
High pressure and energy recovery makes the venturi meter suitable where only small
pressure heads are available.
A discharge coefficient cd = 0.975 can be indicated as standard, but the value varies
noticeably at low values of the Reynolds number.
The pressure recovery is much better for the venturi meter than for the orifice plate.


The venturi tube is suitable for clean, dirty and viscous liquid and some slurry services.
The rangeability is 4 to 1
70
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.





Pressure loss is low
Typical accuracy is 1% of full range
Required upstream pipe length 5 to 20 diameters
Viscosity effect is high
Relative cost is medium
References


International Organization of Standards - ISO 5167-1:2003 Measurement of fluid flow by
means of pressure differential devices, Part 1: Orifice plates, nozzles, and Venturi tubes
inserted in circular cross-section conduits running full. Reference number: ISO 5167-1:2003.
American Society of Mechanical Engineers ASME FED 01-Jan-1971. Fluid Meters Their
Theory And Application- Sixth Edition
34.4. The Nozzle
Nozzles used for determining fluid's flowrate through pipes can be in three different types:



The ISA 1932 nozzle - developed in 1932 by the International Organization for
Standardization or ISO. The ISA 1932 nozzle is common outside USA.
The long radius nozzle is a variation of the ISA 1932 nozzle.
The venturi nozzle is a hybrid having a convergent section similar to the ISA 1932 nozzle
and a divergent section similar to a venturi tube flowmeter.
Discharge Coefficient - cd
Diameter
Ratio
Reynolds Number - Re
d = D2 / D1
104
105
106
107
0.2
0.4
0.968
0.957
0.988
0.984
0.994
0.993
0.995
0.995
0.6
0.95
0.981
0.992
0.995
0.8
0.94
0.978
0.991
0.995







The flow nozzle is recommended for both clean and dirty liquids
The rangeability is 4 to 1
The relative pressure loss is medium
Typical accuracy is 1-2% of full range
Required upstream pipe length is 10 to 30 diameters
The viscosity effect high
The relative cost is medium
References

American Society of Mechanical Engineers ASME FED 01-Jan-1971. Fluid Meters Their
Theory And Application- Sixth Edition
71
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.

International Organization of Standards - ISO 5167-1:2003 Measurement of fluid flow by
means of pressure differential devices, Part 1: Orifice plates, nozzles, and Venturi tubes
inserted in circular cross-section conduits running full. Reference number: ISO 5167-1:2003.
Example - Kerosene Flow Through a Venturi Meter
The pressure difference dp = p1 - p2 between upstream and downstream is 100 kPa (1
105 N/m2). The specific gravity of kerosene is 0.82.
Upstream diameter is 0.1 m and downstream diameter is 0.06 m.
Density of kerosene can be calculated as:
ρ = 0.82 (1000 kg/m3)
= 820 (kg/m3)

Density, Specific Weight and Specific Gravity - An introduction and definition of density,
specific weight and specific gravity. Formulas with examples.
Upstream and downstream area can be calculated as:
A1 = π ((0.1 m)/2)2
= 0.00785 (m2)
A2 = π ((0.06 m)/2)2
= 0.002826 (m2)
Theoretical flow can be calculated from (3):
q = A2 [ 2(p1 - p2) / ρ(1 - (A2/A1)2) ]1/2
q = (0.002826 m2) [2 (105 N/m2) / (820 kg/m3)(1 - ( (0.002826 m2) / (0.00785 m2) )2)]1/2
= 0.047 (m3/s)
For a pressure difference of 1 kPa (0,01x10 5 N/m2) - the theoretical flow can be calculated:
q = (0.002826 m2) [2 (0.01 105 N/m2) / (820 kg/m3)(1 - ( (0.002826 m2) / (0.00785 m2) )2)]1/2
= 0.0047 (m3/s)
The mass flow can be calculated as:
m=qρ
= (0.0047 m3/s) (820 kg/m3)
= 3.85 (kg/s)
72
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
34.5. Flow Rate and Change in Pressure Difference
Note! - The flow rate varies with the square root of the pressure difference.
From the example above:
a tenfold increase in the flow rate requires a one hundredfold increase in the pressure
difference!

34.6. Transmitters and Control System
The nonlinear relationship have impact on the pressure transmitters operating range and
requires that the electronic pressure transmitters have the capability to linearizing the signal
before transmitting it to the control system.
Accuracy
Due to the non linearity the turn down rate is limited. The accuracy strongly increases in
the lower part of the operating range.
35. Reynolds Number
The Reynolds Number, the non-dimensional velocity, can be defined as the ratio of
the inertia force (ρ u L), and
the viscous or friction force (μ)


and interpreted as the ratio of
twice the dynamic pressure (ρ u2), and
the shearing stress (μ u / L)


and can be expressed as
Re = (ρ u2) / (μ u / L)
=ρuL/μ
=uL/ν
(1)
where
Re = Reynolds Number (non-dimensional)
ρ = density (kg/m3, lbm/ft3 )
u = velocity based on the actual cross section area of the duct or pipe (m/s, ft/s)
μ = dynamic viscosity (Ns/m2, lbm/s ft)
L = characteristic length (m, ft)
73
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
ν = kinematic viscosity (m2/s, ft2/s)
35.1. Reynolds Number for a Pipe or Duct
For a pipe or duct the characteristic length is the hydraulic diameter. The Reynolds Number
for a duct or pipe can be expressed as
Re = ρ u dh / μ
= u dh / ν
(2)
where
dh = hydraulic diameter (m, ft)
35.2. Reynolds Number for a Pipe or Duct in Imperial Units
The Reynolds number for a pipe or duct can also be expressed in Imperial units
Re = 7745.8 u dh / ν
(2a)
where
Re = Reynolds Number (non dimensional)
u = velocity (ft/s)
dh = hydraulic diameter (in)
ν = kinematic viscosity (cSt) (1 cSt = 10-6 m2/s )
The Reynolds Number can be used to determine if flow is laminar, transient or turbulent.
The flow is



laminar - when Re < 2300
transient - when 2300 < Re < 4000
turbulent - when Re > 4000
Example - Calculating Reynolds Number
A Newtonian fluid with a dynamic or absolute viscosity of 0.38 Ns/m2 and a specific
gravity of 0.91 flows through a 25 mm diameter pipe with a velocity of 2.6 m/s.
The density can be calculated using specific gravity like
ρ = 0.91 (1000 kg/m3)
= 910 kg/m3
The Reynolds Number can then be calculated using equation (1) like
74
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
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Re = (910 kg/m3) (2.6 m/s) (25 mm) (10-3 m/mm) / (0.38 Ns/m2)
= 156 ((kg m / s2)/N)
= 156 ~ Laminar flow
1 (N) = 1 (kg m / s2)
36. Laminar, Transitional or Turbulent Flow
There are in general three types of fluid flow in pipes



laminar
turbulent
transient
36.2. Laminar flow
Laminar flow generally happens when dealing with small pipes and low flow velocities.
Laminar flow can be regarded as a series of liquid cylinders in the pipe, where the
innermost parts flow the fastest, and the cylinder touching the pipe isn't moving at all.
Shear stress depends almost only on the viscosity - μ - and is independent of density - ρ.
36.3. Turbulent flow
In turbulent flow vortices, eddies and wakes make the flow unpredictable. Turbulent flow
happens in general at high flow rates and with larger pipes.
Shear stress for turbulent flow is a function of the density - ρ.
36.4. Transitional flow
Transitional flow is a mixture of laminar and turbulent flow, with turbulence in the center of
the pipe, and laminar flow near the edges. Each of these flows behave in different manners
in terms of their frictional energy loss while flowing, and have different equations that predict
their behavior.
Turbulent or laminar flow is determined by the dimensionless Reynolds Number.
36.5. Reynolds Number
The Reynolds number is important in analyzing any type of flow when there is substantial
velocity gradient (i.e. shear.) It indicates the relative significance of the viscous effect
compared to the inertia effect. The Reynolds number is proportional to inertial force divided
by viscous force.
The flow is



laminar when Re < 2300
transient when 2300 < Re < 4000
turbulent when 4000 < Re
75
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
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37. Water Flow in Tubes - Reynolds Number
Turbulent or laminar flow is determined by the dimensionless Reynolds Number.
The Reynolds number is important in analyzing any type of flow when there is substantial
velocity gradient (i.e., shear.) It indicates the relative significance of the viscous effect
compared to the inertia effect. The Reynolds number is proportional to inertial force divided
by viscous force.

Reynold's Number A definition of the Reynold's Number .
The flow is



laminar when Re < 2300
transient when 2300 < Re < 4000
turbulent when 4000 < Re
The table below shows Reynolds Number for one liter of water at aprox. 20oC (68oF)
flowing through pipes of different dimensions:
Pipe Size
(inches)
1
1 1/2
2
3
4
6
8
10
12
18
(mm)
Reynolds number
with
one (1) liter/min
Reynolds number
with
25
40
50
75
100
150
200
250
300
450
835
550
420
280
210
140
105
85
70
46
3180 2090 1600 1060
780
570
400
320
265
175
one (1) gal/min
Note that viscosity of water varies with temperature.



the kinematic visosity of water at 20oC - used to calculate the table above - is 1.004·10-6 m2/s
at 0oC the kinematic viscosity is 1.787·10-6 m2/s - the Reynolds values in the table above
must be multiplicated with 1.004 / 1.787 = 0.56
at 100oC the kinematic viscosity is 0.29·10-6 m2/s - the values in the table above must be
multiplicated with 1.004 / 0.29 = 3.46
76
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38. Hydraulic Diameter
38.1. Hydraulic diameter of ducts and tubes
The hydraulic diameter - dh - is used to calculate the dimensionless Reynolds Number to
determine if a flow is turbulent or laminar. A flow is



laminar if Re < 2300
transient for 2300 < Re < 4000
turbulent if Re > 4000

hydraulic diameter vs. equivalent diameter
Note that the velocity of the flow in the Reynolds calculation is based on the actual cross
section area of the duct or pipe.
The hydraulic diameter is also used to calculate the pressure loss in a ducts or pipe.
The hydraulic diameter is not the same as the geometrical diameter in a non-circular duct or
pipe and can be calculated with the generic equation
dh = 4 A / p
(1) where
dh = hydraulic diameter (m, ft)
A = area section of the duct (m2, ft2)
p = wetted perimeter of the duct (m, ft)
Note! Inches are commonly used in the Imperial unit system.
38.2. Hydraulic Diameter of a Circular Tube or Duct
Based on equation (1) the hydraulic diameter of a circular duct can be expressed as:
dh = 4 π r 2 / 2 π r
77
=2r
(2)
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where
r = pipe or duct radius (m, ft)
As we could expect the hydraulic diameter of a standard circular tube or duct is two times
the radius.
38.3. Hydraulic Diameter of a Circular Tube with an inside Circular Tube
Based on equation (1) the hydraulic diameter of a circular duct or tube with an inside duct
or tube can be expressed as
dh = 4 (π ro2 - π ri2) / (2 π ro + 2 π ri)
= 2 (ro - ri)
(3)
Where ro = inside radius of the outside tube (m, ft)
ri = outside radius of the inside tube (m, ft)
38.4. Hydraulic Diameter of Rectangular Tubes or Ducts
Based on equation (1) the hydraulic diameter of a rectangular duct or pipe can be
calculated as
dh = 4 a b / (2 (a + b)) = 2 a b / (a + b)
(4)
where a = width/height of the duct (m, ft) b = height/width of the duct (m, ft)
78
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
38.6. Equivalent diameter
Note! The hydraulic diameter is not the same as the equivalent diameter. The equivalent
diameter is the diameter of a circular duct or pipe that gives the same pressure loss as a
rectangular duct or pipe.
The equivalent diameter of a rectangular tube or duct can be calculated as (Huebscher)
de = 1.30 x ((a x b)0.625 / (a + b)0.25)
(1)
where
de = equivalent diameter (mm, inches)
a = length of major or minor side (mm, inches)
b = length of minor or major side (mm, inches)
79
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
39. Friction Coefficient at Laminar Flow
The friction coefficient of a fluid flow at laminar conditions can be expressed as
λ = 64 / Re
= 64 μ / (d v ρ)
(1)
where
λ = friction coefficient (nondimensional)
Re = Reynolds Number (nondimensional)
μ = absoulute viscosity (centipoise, cP)
d = internal diameter (mm)
v = mean velocity of flow (m/s)
ρ = mass density of fluid (kg/m3)
Equation (1) is only valid at laminar conditions where Reynolds Number is less than 2300.
For turbulent conditions where Reynolds Number exceeds 4000, the Colebrook
equation should be used to calculate the friction coefficient.
40. Darcy-Weisbach Equation for Pressure and Head Loss
Pressure Loss
The pressure loss (or major loss) in a pipe, tube or duct can be expressed with the DarcyWeisbach equation
Δp = λ (l / dh) (ρ v2 / 2)
(1) where
Δp = pressure loss (Pa, N/m2)
λ = Darcy-Weisbach friction coefficient
l = length of duct or pipe (m)
dh = hydraulic diameter (m)
ρ = density (kg/m3)
Note! Be aware that there are two alternative friction coefficients present in the literature.
One is 1/4 of the other and (1) must be multiplied with four to achieve the correct result.
This is important to verify when selecting friction coefficients from Moody diagrams.
The Colebrook friction coefficient calculatorcorresponds to equation (1).
The Darcy-Weisbach equation is valid for fully developed, steady state and incompressible
flow. The friction factor or coefficient - λ -depends on the flow, if it is laminar, transient or
turbulent (the Reynolds Number) - and the roughness of the tube or duct. The friction
coefficient can be calculated by theColebrooke Equation or by using the Moody Diagram.
80
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
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40.1. Head Loss
Alternatively, the Darcy-Weisbach equation (1) can also express the head loss as
Δh = λ (l / dh) (v2 / g 2)
Δh = head loss (m)
(2) where
λ = friction coefficient
l = length of pipe or duct (m)
dh = hydraulic diameter (m)
v = velocity (m/s)
g = acceleration of gravity (9.81 m/s2)
Note! - the head is related to the actual fluid. If head is wanted expressed related to a
reference fluid - example water - use equation (3) below.
The Darcy-Weisbach equation with the Moody diagram are considered to be the most
accurate model for estimating frictional head loss in steady pipe flow. Since the approach
requires a trial and error iteration process, an alternative less accurate empirical head loss
calculation that do not require the trial and error solutions like the Hazen-Williams equation,
may be preferred.
40. Major loss in Ducts, Tubes and Pipes
40.1. Pressure and Pressure Loss
According the Energy Equation for a fluid the total energy can be summarized as elevation
energy, velocity energy and pressure energy. The Energy Equation can then be expressed
as:
p1 + ρ v12 / 2 + ρ g h1 = p2 + ρ v22 / 2 + ρ g h2 + ploss
(1) where
p = pressure in fluid (Pa (N/m2), psi (lb/in2)) ploss = pressure loss (Pa (N/m2), psi (lb/in2))
ρ = density of the fluid (kg/m3, slugs/ft3)
g = acceleration of gravity (m/s2, ft/s2)
v = flow velocity (m/s, ft/s)
h = elevation (m, ft)
For horizontal steady state flow v1 = v2 and h1 = h2, - (1) can be transformed to:
ploss = p1 - p2
(2)
The pressure loss is divided in


major loss due to friction and
minor loss due to change of velocity in bends, valves and similar.
The pressure loss in pipes and tubes depends on the flow velocity, pipe or duct length, pipe
or duct diameter, and a friction factor based on the roughness of the pipe or duct, and
81
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
whether the flow us turbulent or laminar - the Reynolds Number of the flow. The pressure
loss in a tube or duct due to friction, major loss, can be expressed as:
ploss = λ (l / dh) (ρ v2 / 2)
(3) where
ploss = pressure loss (Pa, N/m2) λ = friction coefficient
l = length of duct or pipe (m)
dh = hydraulic diameter (m)
(3) is also called the D'Arcy-Weisbach Equation. (3) is valid for fully developed, steady,
incompressible flow.
40.2. Head and Head Loss
The Energy equation can be expressed in terms of head and head loss by dividing each
term by the specific weight of the fluid. The total head in a fluid flow in a tube or a duct can
be expressed as the sum of elevation head, velocity head and pressure head.
p1 / γ + v12 / 2 g + h1 = p2 / γ + v22 / 2 g + h2 + hloss
(4) where hloss = head loss (m, ft)
γ = ρ g = specific weight (N/m3, lb/ft3)
For horizontal steady state flow v1 = v2 and p1 = p2, - (4) can be transformed to:
hloss = h1 - h2
(5) where h = p / γ = head (m, ft)
The head loss in a tube or duct due to friction, major loss, can be expressed as:
hloss = λ (l / dh) (v2 / 2 g)
(6) where
hloss = head loss (m, ft)
40.3. Friction Coefficient - λ
The friction coefficient depends on the flow - if it is



laminar,
transient or
turbulent and the roughness of the tube or duct.
To determine the friction coefficient we first have to determine if the flow is laminar,
transient or turbulent - then use the proper formula or diagram.
40.4. Friction Coefficient for Laminar Flow
For fully developed laminar flow the roughness of the duct or pipe can be neglected. The
friction coefficient depends only the Reynolds Number - Re - and can be expressed as:
λ= 64 / Re



(7) where
Re = the dimensionless Reynolds number The flow is
laminar when Re < 2300
transient when 2300 < Re < 4000
turbulent when Re > 4000
82
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
40.5. Friction Coefficient for Transient Flow
If the flow is transient - 2300 < Re < 4000 - the flow varies between laminar and turbulent
flow and the friction coefficient is not possible to determine.
40.6. Friction Coefficient for Turbulent Flow
For turbulent flow the friction coefficient depends on the Reynolds Number and the
roughness of the duct or pipe wall. On functional form this can be expressed as:
λ = f( Re, k / dh )
(8)
where k = absolute roughness of tube or duct wall (mm, ft)
k / dh = the relative roughness - or roughness ratio
Roughness for materials are determined by experiments. Absolute roughness for some
common materials are indicated in the table below
Surface
Copper, Lead,
Brass, Aluminum
(new)
PVC and Plastic
Pipes
Epoxy, Vinyl Ester
and Isophthalic pipe
Stainless steel
Steel commercial
pipe
Stretched steel
Weld steel
Galvanized steel
Rusted steel
(corrosion)
New cast iron
Worn cast iron
Rusty cast iron
Sheet or asphalted
cast iron
Smoothed cement
Ordinary concrete
Coarse concrete
Well planed wood
Ordinary wood
Absolute Roughness - k
10-3 (m)
(feet)
0.001 - 0.002
3.3 - 6.7 10-6
0.0015 - 0.007
0.5 - 2.33 10-5
0.005
0.015
1.7 10-5
5 10-5
0.045 - 0.09
0.015
0.045
0.15
1.5 - 3 10-4
5 10-5
1.5 10-4
5 10-4
0.15 - 4
0.25 - 0.8
0.8 - 1.5
1.5 - 2.5
5 - 133 10-4
8 - 27 10-4
2.7 - 5 10-3
5 - 8.3 10-3
0.01 - 0.015
0.3
0.3 - 1
0.3 - 5
0.18 - 0.9
5
3.33 - 5 10-5
1 10-3
1 - 3.33 10-3
1 - 16.7 10-3
6 - 30 10-4
16.7 10-3
The friction coefficient - λ - can be calculated by the Colebrooke Equation:
1 / λ1/2 = -2,0 log10 [ (2,51 / (Re λ1/2)) + (k / dh) / 3,72 ]
83
(9)
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
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Since the friction coefficient - λ - is on both sides of the equation, it must be solved by
iteration. If we know the Reynolds number and the roughness - the friction coefficient - λ - in
the particular flow can be calculated.
A graphical representation of the Colebrooke Equation is the Moody Diagram:

The Moody Diagram - The Moody diagram in a printable format.
With the Moody diagram we can find the friction coefficient if we know the Reynolds
Number - Re - and the
Relative Roughness Ratio - k / dh
In the diagram we can see how the friction coefficient depends on the Reynolds number for
laminar flow - how the friction coefficient is undefined for transient flow - and how the friction
coefficient depends on the roughness ratio for turbulent flow.
For hydraulic smooth pipes - the roughness ratio limits zero - and the friction coefficient
depends more or less on the Reynolds number only.
For a fully developed turbulent flow the friction coefficient depends on the roughness ratio
only.
Example - Pressure Loss in Air Ducts
Air at 0 oC is flows in a 10 m galvanized duct - 315 mm diameter - with velocity 15 m/s.
Reynolds number are expressed as: Re = dh v ρ / μ
(10) where
Re = Reynolds number v = velocity ρ = density μ = dynamic or absolute viscosity
Reynolds number calculated:
Re = (15 m/s) (315 mm) (10-3 m/mm ) (1.23 kg/m3) / (1.79 10-5 Ns/m2)
= 324679 (kgm/s2)/N
= 324679 ~ Turbulent flow
Turbulent flow indicates that Colebrooks equation (9) must be used to determine the friction
coefficient - λ -.
With roughness - ε - for galvanized steel 0.15 mm, the roughness ratio can be calculated:
Roughness Ratio = ε / dh
= (0.15 mm) / (315 mm) = 4.76 10-4
Using the graphical representation of the Colebrooks equation - the Moody Diagram - the
friction coefficient - λ - can be determined to: λ = 0.017
The major loss for the 10 m duct can be calculated with the Darcy-Weisbach Equation (3) or
(6):
84
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
ploss = λ ( l / dh ) ( ρ v2 / 2 )= 0.017 ((10 m) / (0.315 m)) ( (1.23 kg/m 3) (15 m/s)2 / 2 )= 74 Pa
(N/m2)
41. Minor Loss Coefficients for Air Duct Components
Minor Loss - Head or Pressure Loss in Air Duct Components - can be expressed as
hminor_loss = ξ v2/ 2 g
(1)
where hminor_loss = minor head loss (m, ft)
ξ = minor loss coefficient v = flow velocity (m/s, ft/s) g = acceleration of gravity (m/s2, ft/s2)
Minor loss can also be expressed as pressure loss instead of head loss.
Minor loss coefficients for different components common in air duct distribution systems
Component or Fitting
o
90 bend, sharp
90o bend, with vanes
90o bend, rounded
radius/diameter duct <1
90o bend, rounded
radius/diameter duct >1
45o bend, sharp
45o bend, rounded
radius/diameter duct <1
45o bend, rounded
radius/diameter duct >1
T, flow to branch
(applied to velocity in branch)
Flow from duct to room
Flow from room to duct
Reduction, tapered
Enlargement, abrupt
(due to speed before reduction)
(v1= velocity before enlargement and v2 = velocity after
enlargement)
Enlargement, tapered angle < 8 o
(due to speed before reduction)
(v1= velocity before enlargement and v2 = velocity after
enlargement)
Enlargement, tapered angle > 8 o
(due to speed before reduction)
(v1= velocity before enlargement and v2 = velocity after
enlargement)
Grilles, 0.7 ratio free area to total surface
Grilles, 0.5 ratio free area to total surface
85
Minor Loss Coefficient
-ξ1.3
0.7
0.5
0.25
0.5
0.2
0.05
0.3
1.0
0.35
0
(1 - v2 / v1)2
0.15 (1 - v2 / v1)2
(1 - v2 / v1)2
3
6
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Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Grilles, 0.3 ratio free area to total surface
Grilles, 0.2 ratio free area to total surface
20
50
42. Minor Loss Coefficients in Pipes and Tubes Components
Minor head loss in pipe and tube systems can be expressed as
hminor_loss = ξ v2/ 2 g
(1) where
hminor_loss = minor head loss (m, ft)
ξ = minor loss coefficient
v = flow velocity (m/s, ft/s)
g = acceleration of gravity (m/s2, ft/s2)
Minor loss coefficients for some of the most common used components in pipe and tube
systems
Minor Loss
Coefficient
Type of Component or Fitting
Tee, Flanged, Dividing Line Flow
Tee, Threaded, Dividing Line Flow
Tee, Flanged, Dividing Branched Flow
Tee, Threaded , Dividing Branch Flow
Union, Threaded
Elbow, Flanged Regular 90 o
Elbow, Threaded Regular 90o
Elbow, Threaded Regular 45 o
Elbow, Flanged Long Radius 90 o
Elbow, Threaded Long Radius 90 o
Elbow, Flanged Long Radius 45 o
Return Bend, Flanged 180o
Return Bend, Threaded 180 o
Globe Valve, Fully Open
Angle Valve, Fully Open
Gate Valve, Fully Open
Gate Valve, 1/4 Closed
Gate Valve, 1/2 Closed
Gate Valve, 3/4 Closed
Swing Check Valve, Forward Flow
Ball Valve, Fully Open
Ball Valve, 1/3 Closed
86
-ξ0.2
0.9
1.0
2.0
0.08
0.3
1.5
0.4
0.2
0.7
0.2
0.2
1.5
10
2
0.15
0.26
2.1
17
2
0.05
5.5
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Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Ball Valve, 2/3 Closed
Diaphragm Valve, Open
Diaphragm Valve, Half Open
Diaphragm Valve, 1/4 Open
Water meter
200
2.3
4.3
21
7
43. Minor Loss in Pipe or Duct Components
Losses occur in straight pipes and ducts as major loss and in system components
as minor loss. Components as valves, bends, tees add head loss common termed
as minor loss to the fluid flow system.
The minor loss can be significant compared to the major loss - in fact when a valve is
closed or nearly closed the minor loss is infinite. For an open valve the minor loss may often
be neglected (a full bore ball valve).
43.1. Minor Loss
Pressure drops and minor loss in components correlates with the dynamic pressure and the
minor loss can be expressed as
ploss = ξ 1/2 ρ v2
(1)
or
hloss = ξ v2/ 2 g
(2)
where
ξ = minor loss coefficient
ploss = pressure loss (Pa (N/m2), psf (lb/ft2))
ρ = density (kg/m3, slugs/ft3)
v = flow velocity (m/s, ft/s)
hloss = head loss (m, ft)
g = acceleration of gravity (m/s2, ft/s2)

1 psf = 0.00694 psi (lb/in2)
The minor loss coefficient - ξ - ranges values from 0 and upwards. For ξ = 0 the minor loss
is zero and for ξ = 1 the minor loss is equal to the dynamic pressure or head. The minor
loss coefficient can also be greater than 1 for some components.
43.2. Minor Loss Coefficient
The minor loss coefficient can be expressed as:
87
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
ξ = ploss / (1/2 ρ v2)
(3)
or
ξ = hloss / (v2/ 2 g)
(4)
The minor losses in components depends primarily on the geometrical construction of the
component and the impact the construction has on the fluid flow due to change in velocity
and cross flow fluid accelerations.
The fluid properties - in general expressed with the Reynolds number - also impact the
minor loss.
The head loss information about components is given in dimensionless form and the
information is based on experiments.


Minor Loss Coefficient for Piping and Tube Components
Minor Loss Coefficients for Air Duct Components
43.3. Equivalent Length
The minor loss can be converted to a length equivalent to the length of pipe or tube that
would give the same pressure or head loss.
Head loss can be expressed as:
hloss = λ (leq / dh) (v2/ 2 g)
(5)
λ = friction coefficient
leq = equivalent length of pipe or duct (m, ft)
dh = hydraulic diameter related to the pipe or tube with the component (m, ft)
Equivalent length can also be expressed as:
leq = ξ dh / λ
(6)
The Total Head Loss of the pipe, tube or duct system, is the same as that produced in a
straight pipe or duct whose length is equal to the pipes of the original systems - plus the
sum of the equivalent lengths of all the components in the system.
44. Moody Diagram
There are two definitions of the friction factor


SI based
Imperial based
The SI based friction factor is four times larger than the Imperial based friction factor.
88
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
44.1. SI based Moody Diagram
The Moody friction factor - λ (or f) - is used in the Darcy-Weisbach major loss equation. The
coefficient can be estimated with the diagram below:
If the flow is transient - 2300 < Re < 4000 - the flow varies between laminar and turbulent
flow and the friction coefiicient is not possible to determine. The friction factor can usually
be interpolated between the laminar value at Re = 2300 and the turbulent value at Re =
4000.
Example - SI based Friction Factor
For a PVC pipe with absolute roughness k = 0.0015 10-3 (m), hydraulic diameter Dh = 0.1
(m) and Reynolds number Re = 107 - the relative rougness can be calculated as
89
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
k/Rh = (0.0015 10-3 m) / (0.02 m) = 0.000075
From the diagram above, with the relative rougness and the Reynolds number - the friction
factor can be estimated to aprox. 0.011.
45. Hazen-Williams Equation - calculating Friction Head Loss in Water Pipes
The Darcy-Weisbach equation with the Moody diagram are considered to be the most
accurate model for estimating frictional head loss in steady pipe flow. Since the approach
requires a not so efficient trial and error iteration an alternative empirical head loss
calculation like the Hazen-Williams equation may be preferred:
f = 0.2083 (100 / c)1.852 q1.852 / dh4.8655
(1)
where
f = friction head loss in feet of water per 100 feet of pipe (ft h20/100 ft pipe)
c = Hazen-Williams roughness constant
q = volume flow (gal/min)
dh = inside hydraulic diameter (inches)
Note that the Hazen-Williams formula is empirical and lacks a theoretical basis. Be aware
that the roughness constants are based on "normal" condition with approximately 1 m/s (3
ft/sec).
46. Pipes in Series and Parallel
46.1. Pipes in Series
The pressure loss is the sum of the individual losses:
dp = dp1 + dp2 + .. + dpn
(1) where
p = total pressure loss (Pa, psi)
p1..n = individual pressure loss (Pa, psi)
The mass flow rate is the same in all pipes:
m = m1 = m2 = .... = mn (1b)
where
m = mass flow (kg/s, lb/s)
46.2. Pipes in Parallel
The pressure loss is the same in all pipes:
90
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
dp = dp1 = dp2 = .... = dpn (2)
The total mass flow is the sum of the flow in each pipe: m = m1 + m2 + .. + mn
(2b)
The pressure drops in the equations above can be substituted with a generic expression for
pressure drop like the D'Arcy-Weisbach equation
47. Conservation of Mass
The Law of Mass Conservation states that

"mass can neither be created nor destroyed"
The inflows, outflows and change in storage of mass in a system must be in balance.
The mass flow in and out of a control volume (through a physical or virtual boundary) can
for an limited increment of time be expressed as:
dM = ρi vi Ai dt - ρo vo Ao dt
(1) where
dM = change of storage mass in the system (kg)
ρ = density (kg/m3) v = speed (m/s) A = area (m2)
dt = an increment of time (s)
If the outflow is higher then the inflow - the change of mass dM is negative 
the mass of the system decreases
And obvious - the mass in a system increase if the inflow is higher than the outflow.
The Law of Mass Conservation is a fundament in fluid mechanics and a basis for the
Equation of Continuity and the Bernoulli Equation.
Example - Law of Mass Conservation
Water with density 1000 kg/m3 flows into a tank through a pipe of 50 mm inside diameter.
The velocity in the pipe is 2 m/s. The water flows out of the tank through a pipe with inside
diameter 30 mm with a velocity of 2.5 m/s.
Using equation (1) the change in the tank content after 20 minutes can calculated as:
91
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
dM = (1000 kg/m3) (2 m/s) (3.14 (0.05 m)2 / 4) ((20 min) (60 s/min))
- (1000 kg/m3) (2.5 m/s) (3.14 (0.03 m)2 / 4) ((20 min) (60 s/min))
= 2590.5 kg
48. Equation of Mechanical Energy
The Energy Equation is a statement of the first law of thermodynamics. The energy
equation involves energy, heat transfer and work. With certain limitations the mechanical
energy equation can be compared to the Bernoulli Equation.
48.1. The Mechanical Energy Equation in Terms of Energy per Unit Mass
The mechanical energy equation for a pump or a fan can be written in terms of energy per
unit mass:
pin / ρ + vin2 / 2 + g h in + wshaft = pout / ρ + vout2 / 2 + g hout + wloss
(1)
where
p = static pressure
ρ = density
v = flow velocity
g = acceleration of gravity
h = elevation height
wshaft = net shaft energy per unit mass for a pump, fan or similar
wloss = loss due to friction
The energy equation is often used for incompressible flow problems and is called the
Mechanical Energy Equation or the Extended Bernoulli Equation.
The mechanical energy equation for a turbine can be written as:
pin / ρ + vin2 / 2 + g h in = pout / ρ + vout2 / 2 + g hout + wshaft + wloss
wshaft = net shaft energy out per unit mass for a turbine or similar
Equation (1) and (2) dimensions are

energy per unit mass (ft2/s2 = ft lb/slug or m2/s2 = N m/kg)
92
(2) where
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
48.2. Efficiency
According to (1) a larger amount of loss - wloss - result in more shaft work required for the
same rise of output energy. The efficiency of a pump or fan process can be expressed as:
η = (wshaft - wloss) / wshaft
(3)
The efficiency of a turbine process can be expressed as:
η = wshaft / (wshaft + wloss)
(4)
48.3. The Mechanical Energy Equation in Terms of Energy per Unit Volume
The mechanical energy equation for a pump or a fan (1) can also be written in terms
of energy per unit volume by multiplying (1) with fluid density - ρ:
pin + ρ vin2 / 2 + γ hin + ρ wshaft = pout + ρ vout2 / 2 + γ hout + ρ wloss
(5)
where
γ = ρ g = specific weight
The dimensions of equation (5) are
energy per unit volume (ft.lb/ft3 = lb/ft2 or N.m/m3 = N/m2)

48.4. The Mechanical Energy Equation in Terms of Energy per Unit Weight
involving Heads
The mechanical energy equation for a pump or a fan (1) can also be written in terms
of energy per unit weight by dividing with gravity - g:
pin / γ + vin2 / 2 g + hin + hshaft = pout / γ + vout2 / 2 g + hout + hloss
(6)
where
γ = ρ g = specific weight
hshaft = wshaft / g = net shaft energy head per unit mass for a pump, fan or similar
hloss = wloss / g = loss head due to friction
The dimensions of equation (6) are

energy per unit weight (ft.lb/lb = ft or N.m/N = m)
Head is the energy per unit weight.
hshaft can also be expressed as:
93
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
hshaft = wshaft / g = Wshaft / m g = Wshaft / γ Q
(7)
where
Wshaft = shaft power
m = mass flow rate
Q = volume flow rate
Example - Pumping Water
Water is pumped from an open tank at level zero to an open tank at level 10 ft. The pump
adds four horsepowers to the water when pumping 2 ft3/s.
Since vin = vout = 0, pin = pout = 0 and hin = 0 - equation (6) can be modified to:
hshaft = hout + hloss
or
hloss = hshaft - hout
(8)
Equation (7) gives:
hshaft = Wshaft / γ Q
= (4 hp)(550 ft.lb/s/hp) / (62.4 lb/ft3)(2 ft3/s)
= 17.6 ft


specific weight of water - 62.4 lb/ft3
1 hp (English horse power) = 550 ft. lb/s
Combined with (8):
hloss = (17.6 ft ) - (10 ft)
= 7.6 ft
The pump efficiency can be calculated from (3) modified for head:
η = ((17.6 ft) - (7.6 ft)) / (17.6 ft)
= 0.58
49. Pumps, Compressors, Blowers and Fans
A generic definition of a Pump is
"A machine or device for raising, compressing, or transferring fluids."
94
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
In practice - it is common to differentiate between




pumps
compressors
blowers
fans
as summarized below:
49.1. Pumps

A pump is a machine for raising a liquid - a relatively incompressible fluid - to a higher level
of pressure or head.
49.2. Compressors

A compressor is a machine for raising a gas - a compressible fluid - to a higher level of
pressure.
49.3. Blowers

A blower is a machine for moving volumes of a gas with moderate increase of pressure.
49.4. Fans

A fan moves large amounts of gas with low increase in pressure.
50. Centrifugal Pumps
A centrifugal pump converts input power to kinetic energy by accelerating liquid in a
revolving device - an impeller.
The most common is the volute pump - where fluid enters the pump through the eye of the
impeller which rotates at high speed. The fluid accelerates radially outward from the pump
chasing and a vacuum is created at the impellers eye that continuously draws more fluid
into the pump.
95
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
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The energy from the pumps prime mover is transfered to kinetic energy according the
Bernoulli Equation. The energy transferred to the liquid corresponds to the velocity at the
edge or vane tip of the impeller. The faster the impeller revolves or the bigger the impeller
is, the higher will the velocity of the liquid energy transferred to the liquid be. This is
described by the Affinity Laws.
50.1. Pressure and Head
If the discharge of a centrifugal pump is pointed straight up into the air the fluid will pumped
to a certain height - or head - called the shut off head. This maximum head is mainly
determined by the outside diameter of the pump's impeller and the speed of the rotating
shaft. The head will change as the capacity of the pump is altered.
The kinetic energy of a liquid coming out of an impeller is obstructed by creating
a resistance in the flow. The first resistance is created by the pump casing which catches
the liquid and slows it down. When the liquid slows down the kinetic energy is converted to
pressure energy.

it is the resistance to the pump's flow that is read on a pressure gauge attached to the
discharge line
A pump does not create pressure, it only creates flow. The gauge pressure is a
measurement of the resistance to flow.
In fluids the term head is used to measure the kinetic energy which a pump creates. Head
is a measurement of the height of the liquid column the pump could create from the kinetic
energy the pump gives to the liquid.

the main reason for using head instead of pressure to measure a centrifugal pump's energy
is that the pressure from a pump will change if thespecific gravity (weight) of the liquid
changes, but the head will not
The pump's performance on any Newtonian fluid can always be described by using the
term head.
50.2. Different Types of Pump Head







Total Static Head - Total head when the pump is not running
Total Dynamic Head (Total System Head) - Total head when the pump is running
Static Suction Head - Head on the suction side, with pump off, if the head is higher than the
pump impeller
Static Suction Lift - Head on the suction side, with pump off, if the head is lower than the
pump impeller
Static Discharge Head - Head on discharge side of pump with the pump off
Dynamic Suction Head/Lift - Head on suction side of pump with pump on
Dynamic Discharge Head - Head on discharge side of pump with pump on
The head is measured in either feet or meters and can be converted to common units for
pressure as psi or bar.
96
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
it is important to understand that the pump will pump all fluids to the same height if the shaft
is turning at the same rpm

The only difference between the fluids is the amount of power it takes to get the shaft to the
proper rpm. The higher the specific gravity of the fluid the more power is required.
Centrifugal Pumps are "constant head machines"

Note that the latter is not a constant pressure machine, since pressure is a function of head
and density. The head is constant, even if the density (and therefore pressure) changes.
The head of a pump in metric units can be expressed in metric units as:
h = (p2 - p1)/(ρ g) + v22/(2 g)
(1)
where
h = total head developed (m)
p2 = pressure at outlet (N/m2)
p1 = pressure at inlet (N/m2)
ρ = density (kg/m3)
g = acceleration of gravity (9.81) m/s2
v2 = velocity at the outlet (m/s)
Head described in simple terms
a pump's vertical discharge "pressure-head" is the vertical lift in height - usually measured in
feet or m of water - at which a pump can no longer exert enough pressure to move water. At
this point, the pump may be said to have reached its "shut-off" head pressure. In the flow
curve chart for a pump the "shut-off head" is the point on the graph where the flow rate is
zero

50.3. Pump Efficiency
Pump efficiency, η (%) is a measure of the efficiency with wich the pump transfers useful
work to the fluid.
η = Pout / Pin (2)
where
η = efficiency (%)
Pin = power input
Pout = power output
97
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
51. Specific Work of Turbo Machines - Pumps, Compressors and Fans
Specific work is work per unit weight. Specific work in turbo machines as fans, pumps,
compressors or turbines has the SI-units
Nm/kg = J/kg = m2/s2

51.1. Specific Work of a Pump or Fan
Specific work of a pump or fan working with an incompressible fluid can be expressed as:
w = (p2 - p1) / ρ
(1)
where
w = specific work (Nm/kg = J/kg = m2/s2)
p = pressure (N/m2)
ρ = density (kg/m3)
51.2. Specific Work of a Turbine
Specific work of a turbine with an incompressible fluid can be expressed as:
w = (p1 - p2) / ρ
(2)
51.3. Specific Work of a Compressor
A compressor works with compressible fluids and the specific work for an isentropic
compressor process can be expressed with the help of
p1 v1κ = p2 v2κ
(3)
where
v = volume (m3)
κ = cp / cv - ratio of specific heats (J/kg K)
Specific work:
w = κ / (κ -1) R T1 [( p2 / p1)((κ-1)/κ) - 1]
where
R = individual gas constant (J/kg K)
T = absolute temperature (K)
98
(4)
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Compiled by Miguel Hernández San Martín.
51.4. Specific Work of a Gas Turbine
A gas turbine expands a compressible fluid and the specific work can be expressed as
w = κ / (κ -1) R T1 [1 - ( p2 / p1)((κ-1)/κ)]
(5)
51.5. Head in Turbomachines
The specific work can on basis of the energy equation be expressed with the head as:
w=gh
(6)
where
h = head (m)
g = acceleration of gravity (m/s2)
Transformed to express head:
h=w/g
(7)
Example - Specific Work of a Water Pump
A water pump works between 1 bar (105 N/m2) and 10 bar (10 105 N/m2). The specific work
can be calculated with (1):
w = (p2 - p1) / ρ
= ((10 105 N/m2) - (105 N/m2)) / (1000 kg/m3)
= 900 Nm/kg
Dividing by acceleration of gravity the head can be calculated using (7):
hwater = (900 Nm/kg) / (9,81 kg/s2)
= 91,74 (m) water column
Example - Specific Work of an Air Compressor
An air compressor works with air at 20 oC compressing the air from 1
bar absolute (105 N/m2) to 10 bar (10 105 N/m2). The specific work can be expressed with
(4):
w = κ / (κ -1) R T1 [( p2 / p1)((κ-1)/κ) - 1]
= ((1.4 J/kg K) / ((1.4 J/kg K) - 1 )) (286.9 J/kg K) ((273 K) + (20 K)) [((10 10 5 N/m2) /
(105 N/m2))(((1.4 J/kg K) - 1)/(1.4 J/kg.K)) - 1 ]
= 273826 Nm/kg
99
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
where
κair = 1.4 (J/kg K) - ratio of specific heat air
Rair = 286.9 (J/kg K) - individual gas constant air
Dividing by acceleration of gravity the head can be calculated using (7):
hair = (274200 N m/kg) / (9.81 kg/s2)
= 27951 (m) air column
52. Types of Air Compressors
The three basic types of air compressors are



reciprocating
rotary screw
rotary centrifugal
These types are further specified by:





the number of compression stages
cooling method (air, water, oil)
drive method (motor, engine, steam, other)
lubrication (oil, Oil-Free where Oil Free means no lubricating oil contacts the compressed
air)
packaged or custom-built
52.1. Reciprocating Air Compressors
Reciprocating air compressors are positive displacement machines, meaning that they
increase the pressure of the air by reducing its volume. This means they are taking in
successive volumes of air which is confined within a closed space and elevating this air to a
higher pressure. The reciprocating air compressor accomplishes this by a piston within a
cylinder as the compressing and displacing element.
Single-stage and two-stage reciprocating compressors are commercially available.


Single-stage compressors are generally used for pressures in the range of 70 psig to 100
psig.
Two-stage compressors are generally used for higher pressures in the range of 100 psig to
250 psig.
Note that

1 HP ~ 4 CFM at 100 psi
and that 1 to 50 HP are typically for reciprocating units. Compressors 100 hp and above are
typically Rotary Screw or Centrifugal Compressors.
100
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
The reciprocating air compressor is single acting when the compressing is accomplished
using only one side of the piston. A compressor using both sides of the piston is
considered double acting.
Load reduction is achieved by unloading individual cylinders. Typically this is accomplished
by throttling the suction pressure to the cylinder or bypassing air either within or outside the
compressor. Capacity control is achieved by varying speed in engine-driven units through
fuel flow control.
Reciprocating air compressors are available either as air-cooled or water-cooled in
lubricated and non-lubricated configurations and provide a wide range of pressure and
capacity selections.
52.2. Rotary Screw Compressors
Rotary air compressors are positive displacement compressors. The most common rotary
air compressor is the single stage helical or spiral lobe oil flooded screw air compressor.
These compressors consist of two rotors within a casing where the rotors compress the air
internally. There are no valves. These units are basically oil cooled (with air cooled or water
cooled oil coolers) where the oil seals the internal clearances.
Since the cooling takes place right inside the compressor, the working parts never
experience extreme operating temperatures. The rotary compressor, therefore, is a
continuous duty, air cooled or water cooled compressor package.
Rotary screw air compressors are easy to maintain and operate. Capacity control for these
compressors is accomplished by variable speed and variable compressor displacement.
For the latter control technique, a slide valve is positioned in the casing. As the compressor
capacity is reduced, the slide valve opens, bypassing a portion of the compressed air back
to the suction. Advantages of the rotary screw compressor include smooth, pulse-free air
output in a compact size with high output volume over a long life.
The oil free rotary screw air compressor utilizes specially designed air ends to compress air
without oil in the compression chamber yielding true oil free air. Oil free rotary screw air
compressors are available air cooled and water cooled and provide the same flexibility as
oil flooded rotaries when oil free air is required.
52.3. Centrifugal Compressors
The centrifugal air compressor is a dynamic compressor which depends on transfer of
energy from a rotating impeller to the air.
Centrifugal compressors produce high-pressure discharge by converting angular
momentum imparted by the rotating impeller (dynamic displacement). In order to do this
efficiently, centrifugal compressors rotate at higher speeds than the other types of
compressors. These types of compressors are also designed for higher capacity because
flow through the compressor is continuous.
101
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Adjusting the inlet guide vanes is the most common method to control capacity of a
centrifugal compressor. By closing the guide vanes, volumetric flows and capacity are
reduced.
The centrifugal air compressor is an oil free compressor by design. The oil lubricated
running gear is separated from the air by shaft seals and atmospheric vents.
53. Kv Diagram Water Valves
The diagram below can be used to estimate the kv values for valves in water systems.
Example - Water Valve and Kv value
The maximum pressure drop through a modulating regulating valve in a water flow system
is estimated to 100 kPa. The flow through the valve is 5 liter/s. The kv value for the required
valve can be estimated as indicated in the diagram below to approximately 20.
102
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Note - a larger valve (with larger kv) will reduce the maximum pressure modulating span limiting the ability to provide stable regulating of the process. As a consequence it is normal
that regulating valves are one or two dimensions below dimensions of connecting pipes.
Example - with a flow of 5 liter/s the pipe size would be in the range 3 - 4 inches (80 - 100
mm nominal). A modulating valve would be in the size kv ~ 20 - or the range 2 - 3 inches
(50 - 80 mm nominal).
54. Cavitation - an Introduction
Cavitation is a common problem in pumps and control valves - causing serious wear and
tear and damage. Under the wrong conditions, cavitation reduces the component life time
dramatically.
54.1. What is Cavitation?
Cavitation may occur when the local static pressure in a fluid reach a level below the vapor
pressure of the liquid at the actual temperature.
According to the Bernoulli Equation this may happen when the fluid accelerates in a control
valve or around a pump impeller.
The vaporization itself does not cause the damage - the damage happens when the vapor
almost immediately collapses after evaporation when the velocity is decreased and
pressure increased.
54.2. Avoiding Cavitation
Cavitation can in general be avoided by

increasing the distance between the actual local static pressure in the fluid - and the vapor
pressure of the fluid at the actual temperature
This can be done by:
103
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.



reengineering components initiating high speed velocities and low static pressures
increasing the total or local static pressure in the system
reducing the temperature of the fluid
54.3. Reengineering of Components Initiating High Speed Velocity and Low
Static Pressure
Cavitation and damage can be avoided by using special components designed for the
actual rough conditions.


conditions as huge pressure drops can - with limitations - be handled by Multi Stage Control
Valves
challenging pumping conditions - with fluid temperatures close to the vaporization
temperature - can be handled with special pumps - working after other principles than
centrifugal pumps
54.4. Increasing the Total or Local Pressure in the System
By increasing the total or local pressure in the system the distance between the static
pressure and the vaporization pressure is increased and vaporization and cavitation can be
avoided.
The ratio between static pressure and the vaporization pressure - an indication of the
possibility of vaporization, is often expressed by the Cavitation Number.
Unfortunately it may not always be possible to increase total static pressure due to systems
classifications or other limitations. Local static pressure in components may be increased by
lowering the component in the system. Control valves and pumps should in general be
positioned in the lowest part of the systems to maximize static head.
This is common solution for boiler feeding pumps receiving hot condensate (water close
to 100 oC) from condensate receivers.
54.5. Reducing the Temperature of the Fluid
The vaporization pressure depends of fluid temperature. Vapor pressure of Water, our most
common fluid, is indicated below:
Vapor
Temperature Pressure
(oC)
(kN/m2)
0
0.6
10
1.2
20
2.3
30
4.3
40
7.7
50
12.5
60
20
104
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
70
32.1
80
47.5
90
70
100
101.33
Note! - The possibility of evaporation and cavitation increases dramatically with the water
temperature.
Cavitation can also be avoided by locating components to the coldest part of a system. It is
common to locate pumps in heating systems in the "cold" return lines.
This is the same for control valves. If it is possible control valves should be located on the
cold sides of heat exchangers.
55. Cavitations Number
The Cavitations Number or Cavitation Parameter is a "special edition" of the
dimensionless Euler Number.

The Euler Number An introduction to and a definition of the Euler Number
The Cavitations Number is useful analyzing fluid flow dynamics problems where cavitations
may occur.
The Cavitations Number can be expressed as
σ = (pr - pv) / (1/2 ρ v2)
(1)
where
σ= Cavitations number
pr = reference pressure (Pa)
pv = vapor pressure of the fluid (Pa)
ρ = density of the fluid (kg/m3)
v = velocity of fluid (m/s)
To prevent cavitation






avoid low pressure - pressurize supply tanks if necessary
reduce fluid temperature
use larger suction pipe diameters - reduce minor losses
use cavitation resistant materials or coatings
small amounts of air supplied to the suction system may reduce the amount of cavitation
damage
keep available NPSH well above required NPSH.
105
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
B) ACTIVITIES.
Activity 1: Archimedes' Principle, Pascal's Law and Bernoulli's Principle
www.teachengineering.org; Contributed by: National Science Foundation GK-12 and Research Experience for
Teachers (RET) Programs, University of Houston
Practice Problems Worksheet Answer Key
Show complete solutions to the following problems and box final answers with units.
1. A sample of an unknown material weighs 300 N in air and 200 N when submerged in an
alcohol solution with a density of 0.70 x 103 kg/m3. What is the density of the material?
Given:
Fg(air) = 300 N
Fg(alcohol) = 200 N
ρalcohol = 0.7 x 103 kg/m3
Unknown:
ρmaterial or ρo
Solution:
FB = Fg(air) – Fg(alcohol) = 300 N – 200N
FB = 100 N
Fg(air) / FB = ρo / ρalcohol
ρo = Fg(air) / FB * ρalcohol = (300 N / 100 N) * 0.7 x 103 kg/m3
ρo = 2.1 x 103 kg/m3
2. A 40-cm tall glass is filled with water to a depth of 30 cm.
a. What is the gauge pressure at the bottom of the glass?
106
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
b. What is the absolute pressure at the bottom of the glass?
Given:
h = 30 cm = 0.3 m
g = 9.81 m/s2
ρwater = 1.0 x 103 kg/m3
Uknown:
a) Pgauge
b) Pabsolute
Solution:
a) Pgauge = ρgh = (1.0 x 103 kg/m3) (9.81 m/s2) (0.3 m)
Pgauge = 2.9 x 103 kg/m3 Pa
b) Pabsolute = Patm + Pgauge
Pabsolute = 1.01 x 105 Pa + 2.9 x 103 kg/m3 Pa
Pabsolute = 1.04 x 105 Pa
Activity 2: Bernoulli's Principle
www.teachengineering.org; Contributed by: Integrated Teaching and Learning Program and Laboratory,
College of Engineering, University of Colorado Boulder
Bernoulli Equation Practice Worksheet
Problem 1
Water is flowing in a fire hose with a velocity of 1.0 m/s and a pressure of 200000 Pa. At the
nozzle the pressure decreases to atmospheric pressure (101300 Pa), there is no change in
height. Use the Bernoulli equation to calculate the velocity of the water exiting the
nozzle. (Hint: The density of water is 1000 kg/m3 and gravity g is 9.8 m/s2. Pay attention to units!)]
Answer:
Since the height does not change (h1=h2), the height term can be subtracted from both sides.
Algebraically rearrange the equation to solve for v2, and insert the numbers
Problem 2
Through a refinery, fuel ethanol is flowing in a pipe at a velocity of 1 m/s and a pressure
of 101300 Pa. The refinery needs the ethanol to be at a pressure of 2 atm (202600 Pa) on
107
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
a lower level. How far must the pipe drop in height in order to achieve this pressure? Assume the velocity
does not change. (Hint: Use the Bernoulli equation. The density of ethanol is 789 kg/m3 and gravity g is 9.8
m/s2. Pay attention to units!)
Answer:
Since the velocity does not change (v1=v2), the velocity term can be subtracted from both sides
Rearrange algebraically to solve for change in height
13.1 meters lower.
Activity 3: Reading and Remembering. Moments and Mechanical Advantage.
o Moment
o Moments occur when a force is applied to a point from a distance.
o M=FxD
 M is the moment (in – lbf)
 F is the force (lbf)
 D is the distance at which the force is applied (in)
o The moment that Fin creates on the diagram above is:
 M = (Fin) x (Din)
o The moment that Fout creates on the diagram above is:
 M = (Fout) x (Dout)
o Since Fin and Fout moments act upon the same point (the red triangle), they
are equal:
 (Fin) x (Din) = (Fout) x (Dout)
108
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
o Knowing this, if you apply a force to the lever, Fin, you will produce another
force Fout, that is equal to:
 Fout = [(Fin) x (Din)] / (Dout)
o Mechanical Advantage
o Mechanical advantage is the ratio of the output force (Fout) to the input force
(Fin).
o MechAdv = Fout / Fin
o Moments and Mechanical Advantage on the excavator
o The excavator uses the principles of moments and mechanical advantage to
do work, with the cylinders providing the force.
o In the picture below, the top cylinder is extending:
Activity 4: Understanding Fluid Power Capabilities
Needed Supplies: Small hydraulic jack, aluminum can, jack stand to hold can in place
above jack, Dial bore gauge
Instructions: Using the principles of Pascal’s Law, moments, and mechanical advantage,
hydraulic jacks convert input from the jack handle into a force great enough to lift a car.
Background

Instead of using a hydraulic motor to provide pressure, a hydraulic jack uses a small
cylinder connected to a hand lever.

Raising the hand lever
o The outlet check valve closes
and the inlet check valve opens
109
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
o This allows fluid to flow from the reservoir, filling the pump cylinder.

Lowering the hand lever
o The inlet check valve closes and the outlet check valve opens.
o This allows fluid to move from the pump cylinder to the actuator, causing it to
move upward.

Opening the needle valve
o Relieves pressure in actuator, allowing fluid to move back to reservoir
o This causes the actuator and the load being lifted to descend
Experiment
Determine the force required to crush aluminum can.
Procedure
1. Use a dial bore gauge to measure diameter of cylinder 1 and 2
a. D1 = ______ in
b. D2 = ______ in
2. Calculate the respective areas of each cylinder
a. A1 = ______ in2
b. A2 = ______ in2
3. Place aluminum can into hydraulic jack apparatus
110
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
4. Pump jack lever until can yields and record pressure from gauge
a. P = ______ psi
Calculated Fload

Using pressure recorded and the area of cylinder 1, calculate F1

Fload = P / A1 = _______ lbf
Calculate Fpump

Using pressure recorded and the area of cylinder 2, calculate F2

Fpump = P / A2 = __________ lbf
Calculate Fhand

Using Fpump, x1, x2, calculate Fhand.

Fhand = (F2 x 1) / (X1 + X2) = ____________lbf
Calculate Mechanical Advantage

MechAdv = Fout / Fin = Fload / Fhand = _____________
Discussion

Without changing forces (Fhand, etc) or the sizes of the cylinders (A1, etc), how can
the mechanical advantage of the hydraulic jack be increased?

Hydraulic jacks are used to lift heavy loads and hold them in place temporarily. It is
not safe to use jacks to hold loads for long periods of time. Why do you think this is?
(Consider the seals/fluid in a hydraulic system)
111
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.

Hydraulic fluid is hydrophilic, meaning that it readily absorbs water from the
atmosphere. With that said, why do you think it is important to change the fluid in a
hydraulic jack?
112
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Activity 5: Bernoulli’s Equation – Energy Conservation
Needed Supplies: Empty 2-liter plastic bottle, scissors, ruler, dye, water
Theoretical Background

Bernoulli’s Equation
o An increase in the speed of a fluid occurs simultaneously with a decrease in
pressure or a decrease in the fluid’s potential energy.
o The left side of the equation represents point 1, with the right side representing
point 2 (before and after)

P1 + 1/2pv21 + pgh1 = P2 +1/2pv22 + pgh2

This equation is based on the principle of energy conservation
o Energy is neither created nor destroyed, but rather changes
forms

Bernoulli’s equation contains three types of energy:
o Pressure Energy

Represented by
and
o Kinetic Energy

o
Represented by 1/2

is the density of the fluid

is the velocity of the fluid
Potential Energy


Represented by
and
is the density of the fluid

g is the acceleration due to gravity

h is the height of the fluid from the designated zero
point
113
and 1/2
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Experiment

A 2 Liter soda bottle with a hole will be used for this experiment
o Point 1 – The surface of the water in the bottle

is zero because of atmospheric
pressure

is assumed to be zero for this
experiment

will be recorded as water level
decreases
o Point 2 – The hole at the bottom of the bottle

is zero because of atmospheric
pressure

is unknown but will be calculated

is zero because 1 is measured from
point 2
o Solving the equation for v2
114
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Procedure
1. Obtain a 2 liter soda bottle and create a small hole on the bottom side
2. Cut off the top of the bottle and insert a ruler
3. Fill with water/dye, keeping the hole plugged
4. Let water flow out
5. Measure the height of the fluid ( 1) at 10 different points as the water flows out
6. Record results in Data/Calculations section
7. Calculate
for each point
Discussion
o Describe what happens to the velocity of water flowing out of the bottle as the water
level (h1) gets lower.
o What assumption becomes invalid when the hole size is large enough to make the
water at point 1 move with a significant velocity?
o What would happen to
compressor?
115
if the top of the bottle is sealed and hooked up to an air
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Activity 6: Reading and making as speech of these activity; Fluid Power Basics
www.teachengineering.org; Contributed by: Center for Compact and Efficient Fluid Power, College of
Agriculture and Biological Engineering, Purdue University.
Summary
Students learn about the fundamental concepts important to fluid power, which includes both
pneumatic (gas) and hydraulic (liquid) systems. Both systems contain four basic components:
reservoir/receiver, pump/compressor, valve, cylinder. Students learn background information about
fluid power—both pneumatic and hydraulic systems—including everyday applications in our world
(bulldozers, front-end loaders, excavators, chair height lever adjustors, door closer dampers, dental
drills, vehicle brakes) and related natural laws.
Engineering Connection
Engineers use fluid power to impact such areas as lowering fuel consumption in the transportation
industries to improving patient care in the medical industries. Fluid power can improve our quality of
life when engineers and researchers investigate how to use this technology to become more
efficient, compact and cost effective.
Learning Objectives
After this lesson, students should be able to:

Identify devices that utilize fluid power.

Identify and explain basic components and functions of fluid power devices.

Differentiate between the characteristics of pneumatic and hydraulic systems.

Calculate values in a fluid power system utilizing Pascal's law.

Calculate flow rate, flow velocity and mechanical advantage in a hydraulic system.
Introduction/Motivation
The use of fluid power, such as the hydraulics in this bulldozer, helps people do jobs more quickly,
safely and economically.
Have you ever seen a bulldozer or excavator move a lot of dirt where a new project is being built?
Have you been in a chair that you could raise or lower by pushing a lever?
Did you ever open a screen door and notice it closes smoothly and by itself?
Did a dentist ever use a drill on your teeth?
When you are riding in a car or truck and the driver pushes the brake pedal, do you start to slow
down?
These are all examples of how fluid power is used in our everyday lives.
Fluid power use either a gas (pneumatics) or a liquid (hydraulics).
116
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Most people do not even realize that fluid power is helping people to perform jobs more quickly,
efficiently, accurately and powerfully than ever before.
Can you imagine if we didn't have fluid power and someone had to move a bunch of dirt without
bulldozers that use hydraulics?
How long would it take to move it another way?
How much energy would be needed?
Years ago, a chair that today uses pneumatics to move up and down easily with the push of a lever
was raised or lowered by spinning it around over and over – very time consuming! Before dentists
had the precision and control of pneumatic drills, they worked with much less precise and controlled
drills, which were less comfortable for patients. Going to the dentist today is really not so bad
compared to what people went through years ago.
What about the brakes in your car or truck?
How did people stop their vehicles before we had hydraulic braking systems?
How effective were those systems?
How safe were those older systems?
These examples are just a few of the many ways fluid power improves our everyday lives.
What do you think makes up a fluid power system?
Think of some of the examples we just talked about .
What can you recall about how these devices and machines look?
How do the pieces move in relation to one another?
How do you think a front-end loader can lift so much dirt so easily?
How much power is needed to lift something that large?
The power is generated through the use of fluid power.
Before going on further, let's learn about where the concept of fluid power began. Many years ago,
in the 1600s, a French scientist and mathematician named Blaise Pascal stated a physical law that
describes the effect of applying pressure on a fluid (whether gas or liquid) in a closed container.
Pascal's law states that pressure applied to an enclosed fluid is transmitted with equal force
throughout the container. So what does that really mean to you?
Do you think you have ever seen Pascal's law in action?
How many of you have ever tried to step onto a balloon?
Inflate a balloon to demonstrate the following.
What do you think will happen when s/he steps on the balloon?
Why do you think it would do that?
Step on the balloon and make sure students make observations.
Did the balloon do what you thought it would?
Why did it do that?
When pressure is placed on the top of the balloon, the air within is dispersed to the rest of the
balloon resulting in either a misshapen balloon or one that distorts to the point of failure, and then
breaks under the pressure. This proves that Pascal's law is still in effect!
Does Pascal's law work with liquid as well? It was stated earlier that fluid power includes both gases
and liquids and Pascal's law also applies to liquids.
Have ready a bottle, balloon and two matchstick heads to demonstrate the following. Fill the bottle
with water nearly to the top and drop the matchstick heads into the water. When at rest, the
matchstick heads float at the top of the water. Stretch the neck of an inflated balloon over the bottle,
117
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
and press a finger onto the balloon, going into the bottle. The matchstick heads will float down into
the bottle as the pressure increases on the water. Why do you think the matchstick heads sunk
down when the finger was placed into the bottle?
Can someone explain the cause of this?
This is another example Pascal's law in effect.
Do you think we could use this law to help determine how much power a fluid power system can
provide?
What other information might we need to find out how much force can be produced by a system?
Now that we know some fluid properties, what must be in place to have a fluid power system?
Four components are needed: reservoir or receiver, pump or compressor, valve, and cylinder. As
seen in Figure 4, these components are represented graphically in the PFPD schematic. Later, you
will learn what some of these symbols represent. Can you guess where the reservoir that holds the
air is? (One noted on schematic is reservoir for water. Find the one for air.) What symbol might
represent the motor that runs the compressor? (Look for the "M," which represents "motor.") Can
anyone find all four symbols that represent the four valves (switches)? Where are all four cylinders
(things that move on the PFPD) on the schematic?
Figure 4. The four components of the PFPD can be seen in the schematic: 1 reservoir, 1 pump, 4
valves, and 4 cylinders.
How are fluid power systems being designed for use in the future?
The Center for Compact and Efficient Fluid Power (CCEFP) is researching four areas that focus on
increasing efficiency of fluid power applications, expanding the use in transportation sector to
118
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
reduce fuel consumption, developing human-scaled fluid power applications, and making fluid
power safe, quiet, clean and simple to use. Can you think of any other ways fluid power can be
improved or used in a new way?
Let's watch a video to find out more!
Let's watch a video to find out more! (Show students a 26-minute video called "Discovering Fluid
Power" and/or the 26-minute video called "Fluid Power - A Force for Change" at
http://www.nfpa.com/Education/LearningResources-Videos.aspx. Then, lead a class discussion
about what students learned from the video(s). Next, proceed to conduct the Task Card Exercise,
described in the Assessment section. Then conduct the associated activity, The Portable Fluid
Power Demonstrator [PFPD].)
Lesson Background and Concepts
Fluid power incorporates the generation, control and application of smooth, effective power of
pumped or compressed fluids, gas or liquid, when this power is used to provide force and motion to
mechanisms. This force and motion may be in the form of pushing, pulling, rotating, regulating or
driving. If the compressed fluid is a gas, it is called pneumatics, while if the compressed fluid is a
liquid, it is called hydraulics.
The word hydraulics is a derivative of the Greek words hydro (meaning water) and aulis (meaning
tube or pipe). Originally, the science of hydraulics covered the physical behavior of water at rest and
in motion. This dates back several thousand years to when water wheels, dams and sluice gates
were first used to control the flow of water for domestic use and irrigation. Use has broadened its
meaning to include that area of hydraulics in which confined liquids are used under controlled
pressure to do work. Hydraulics can be defined as the engineering science that pertains to liquid
pressure and flow. This study includes the manner in which liquids act in tanks and pipes, dealing
with their properties and with ways of utilizing these properties. It includes the laws of floating bodies
and the behavior of liquids under various conditions, and ways of directing this flow to useful ends,
as well as many other related subjects and applications.
Several other terms are used to more precisely describe the behavior of liquids at rest and in
motion. These terms are generally considered separate branches of science and include:
hydrostatics, the branch of science pertaining to the energy of liquid flow and pressure; and
hydrokinetics, which pertains to motions of liquids or the forces that produce or affect such motions.
Why should fluid power be used? Fluid power systems provide many benefits to users, including:

Multiplication and variation of force: Linear or rotary force can be multiplied from a fraction of
an ounce to several hundred tons of output.

Easy, accurate control: You can start, stop, accelerate, decelerate, reverse or position large
forces with great accuracy. Analog (infinitely variable) and digital (on/off) control are
possible. Instantly reversible motion, within less than half a revolution, can be achieved.

Multi-function control: A single hydraulic pump or air compressor can provide power and
control for numerous machines or machine functions when combined with fluid power
manifolds and valves.

High horsepower / low weight ratio: Pneumatic components are compact and lightweight.
You can hold a 5 horsepower hydraulic motor in the palm of your hand.
119
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.

Low speed torque: Unlike electric motors, air or hydraulic motors can produce large amounts
of torque (twisting force) while operating at low speeds. Some hydraulic and air motors can
even maintain torque at zero speed without overheating.

Constant force or torque: This is a unique fluid power attribute.

Safe in hazardous environments: Fluid power can be used in mines, chemical plants, near
explosives and in paint applications because it is inherently spark-free and can tolerate high
temperatures.

Established standards and engineering: The fluid power industry has established design and
performance standards for hydraulic and pneumatic products through NFPA, the National
Fluid Power Association; ANSI, the American National Standards Institute; and ISO, the
International Organization for Standardization.

Source: NFPA's What Is Fluid Power?
http://www.nfpa.com/fluidpower/whatisfluidpower.aspx
Fluid Power Applications

Mobile: Fluid power is used to transport, excavate and lift materials as well as control or
power mobile equipment. End use industries include construction, agriculture, marine and
the military. Applications include backhoes, graders, tractors, truck brakes and suspensions,
spreaders and highway maintenance vehicles.

Industrial: Fluid power is used to provide power transmission and motion control for industrial
machinery. End use industries range from plastics working to paper production. Applications
include metalworking equipment, controllers, automated manipulators, material handling and
assembly equipment.

Aerospace: Fluid power is used for both commercial and military aircraft, spacecraft and
related support equipment. Applications include landing gear, brakes, flight controls, motor
controls and cargo loading equipment.

Source: NFPA's What Is Fluid Power?
http://www.nfpa.com/fluidpower/whatisfluidpower.aspx
Fluid power systems consist of four basic components: reservoir/receiver (fluid storage);
pump/compressor (converts mechanical power to fluid power); valve (controls direction and amount
of flow); and actuators (converts fluid power to mechanical power, that is, cylinder and pistons). The
connectors for these components consist of pipe, tube or hoses so the fluid can flow to/from the
components.
Pascal's law : if a confined fluid is at rest, pressure is transmitted undiminished in all directions and
exerts equal force on all areas, in addition to right angles to them.
p=F/A
2
2
p = pressure (lbs/in or N/m ); F = force (lbs or N); A= πr2 = area (in2 or m2)
Boyle's law: The volume of gas at constant temperature varies inversely with the pressure exerted
on it.
p1(V1) = p2(V2)
3
V = volume (in or m3); p = pressure (lbs or N)
120
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Charles' law: The volume of gas increases or decreases as the temperature increases or
decreases, provided the amount of gas and pressure remain constant.
V1/ T1) = V2/ T2
3
V = volume (in or m3); T = absolute temperature (°R)
Gay-Lussac's law: The absolute pressure of a gas increases or decreases as the temperature
increases or decreases, provided the amount of gas and the volume remain constant.
p1/ T1) = p2/ T2
p = absolute pressure (lbs/in2 or N/m2); T = absolute temperature (°R)
Flow is what operates the actuators in the cylinders. Flow rates, which determine actuator speed,
are measured in in3 per sec or gallons per minute, and are generated by a pump. When flow is
given, the actuator volume displacement directly affects actuator speed. The less volume to
displace in the cylinder leads to faster actuators. In general, pressure is the resistance to flow.
Pumps produce flow, not pressure!
Q = VA
3
Q = volumetric flow rate (in /sec); V = velocity (in/sec); A = area (in2)
Torque is a twisting force that is found by multiplying the force times the distance. It is measured in
foot pounds. Hydraulic and pneumatic pumps produce work to be used within the fluid power
system. Given a specific motor torque and motor RPM, specifies energy usage or horsepower
requirement.
Fluid power is all about moving energy from one location to another. Energy is the ability to do work.
Energy transfer is the energy moving from the prime mover, or input source, to an actuator, an
output device. Work is defined as force multiplied by distance. This is measured in footpounds. Power is the rate of doing work. It is found by dividing work over time (in
seconds).Horsepower, a unit measurement of energy, is a common term used to measure power.
Horsepower can be calculated by the following:
flow (gallons per minute) X pressure (lbs/in2)
1714 (which is always constant)
The law of conservation of energy states that energy can neither be destroyed nor created but
may change forms. Any energy that is not transferred to work takes the form of heat energy.
For additional background resources, see the Additional Multimedia Support section for links to an
excellent fluid power training manual, a suggested teaching website and a schematic symbols chart.
About the Associated Activity
After the comprehension of the theory, we are ready to conduct the associated activity, The Portable
Fluid Power Demonstrator (PFPD). The activity requires PFPD kits that are not available for sale.
They were designed using common parts that can be ordered or found locally and can be put
together by teachers and/or their support organizations. See the PFPD Assembly Manualfor a parts
list, bill of materials, assembly instructions and safety instructions. The bill of materials includes
suggested sources and part numbers. Some teachers have used local grants to secure the funding
to purchase parts and then engaged higher ability students to build the kits for use in other classes.
For additional questions, refer to the following CCEFP websites:
121
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
http://www.ccefp.org/education-outreach/fluid-power-demonstrator, http://www.ccefp.org/getinvolved/k-12-teachers/teaching-and-learning-resources and http://ccefp.org/-13.
The demonstrator can be used with either water (for hydraulic power) or compressed air (for
pneumatic power) and it is up to the teacher to decide which works best for his/her classroom.
Introduce the PFPD to students and ask them questions about the four basic components of all fluid
power systems (reservoir, pump or compressor, valve, and cylinder). Have students identify those
parts on the PFPD. You may also demonstrate the power of fluid power by separating one of the
smaller cylinders off of the PFPD frame (while keeping the hoses connected!) and placing a small
barbell weight on the end and to demonstrate how easily the cylinder lifts the weight. Point out that
very little air pressure (or fluid pressure) was needed (roughly 10-15 psi).
Depending on how many PFPDs are available in the classroom, it is recommended that groups of 23 students work on each demonstrator. Start with a challenge task to use the provided PFPD
schematic (Figure 4) and place all of the connection hoses in the correct locations so the PFPD
operates as it is designed on the plan. Then have students answer the handout questions and do a
quick write-up of their findings during this exercise.
Depending on students' ability levels and time availability, eight worksheets associated with using
the PFPD are provided for classroom use on the following topics: fluid flow, Pascal's law, moments
and mechanical advantage, fluid power capabilities, Bernoulli's equation, energy storage, linkages,
and hydraulic symbols. See the Attachments section.
Vocabulary/Definitions
absolute
pressure:
The total pressure exerted on a system, including atmospheric pressure.
atmospheric
pressure:
The pressure exerted by the weight of the atmosphere above the point of
measurement.
Boyle's law:
The volume of a gas at constant temperature varies inversely with the pressure
exerted on it.
Charles' law:
The volume of a confined gas is proportional to its temperature, provided its
pressure remains constant.
check valve:
A valve that allows flow in one direction but prevents flow in the opposite
direction.
compressor:
An air pump that compresses air into a receiver tank.
crank:
A part of an axle or shaft bent out at right angles, for converting reciprocal to
circular motion and vice versa.
cylinder:
A device used to convert fluid power into mechanical power in the form of linear
motion.
directional-
Used to control which path fluid takes in a circuit.
122
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
cntrol valve:
double-acting
cylinder:
A cylinder that can act under pressure in both directions (extend and retract) to
move a load.
filter:
A device used to remove contamination from a fluid.
flow meter:
A device used to measure flow rate.
flow rate:
The volume of fluid that moves through a system in a given period of time.
flow velocity:
The distance the fluid travels through a system in a given period of time.
flow-control
valve:
Used to start and stop flow in a circuit.
fluid power:
Gay-Lussac's
law:
The use of a fluid (liquid or gas) to transmit power from one location to another.
hydraulics:
The use of a liquid flowing under pressure to transmit power from one location to
another.
lubricator:
A device used to spray an oil mist into the stream of a pneumatic system.
Pascal's law:
piston:
Pressure exerted by a confined fluid acts undiminished equally in all directions.
pneumatics:
The use of gas flowing under pressure to transmit power from one location to
another.
pressure:
pressure
regulator:
The force per unit area exerted by a fluid against a surface.
pressure relief
valve:
A type of pressure control valve that limits the maximum pressure in a hydraulic or
pneumatic circuit.
pump:
A device used to create flow in a hydraulic system.
receiver tank:
A device that holds the compressed air in a pneumatic system.
reservoir:
single-acting
cylinder:
The tank that holds the fluid in a hydraulic system.
A cylinder that acts under pressure in one direction only and returns automatically
when the pressure is released.
123
The absolute pressure of a confined gas is proportional to its temperature, provided
its volume stays constant.
A sliding piece moved by or moving against fluid pressure, which usually consists
of a short cylindrical body fitting within a cylindrical chamber or vessel along
which it moves back and forth.
A type of pneumatic pressure control valve that controls the maximum pressure in a
branch of a circuit.
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
solenoid:
transmission
Lines:
valve:
viscosity:
volume:
A switching device that uses the magnetic field generated by an electrical current
for actuation.
Used to transport fluid in a circuit.
Any device that controls, either automatically or manually, the flow of a fluid.
A measure of a fluid's thickness or resistance to flow.
The amount or quantity of something.The amount or quantity of something.
Associated Activities

The Portable Fluid Power Demonstrator (PFPD) - Student groups learn the basics of fluid
power design using the PFPD as the investigative platform. They investigate the similarities
and differences between using pneumatic and hydraulic power. With the main components
of the PFPD already assembled, they determine the correct way to connect the valves to the
actuators using tubing. Once connected, teams compete to test their abilities to use the
PFPD to separate material out of the containers.
Closure
Can you think of any uses of fluid power in your communities that were not discussed?
Where were they located?
How were they being used?
Was it a hydraulic or pneumatic device?
Why do engineers continue to work to improve fluid power?
In what areas are they looking at improving?
How are engineers trying to improve fuel economy?
What work is being done to use fluid power to improve human life?
Can you identify devices or systems that do not use fluid power that might be improved with the use
of fluid power?
As you have come to realize by now, fluid power is used in many applications. At the following link
you can investigate a number of real-world applications that use fluid
power: http://www.nfpa.com/fluidpower/hydraulics-casestudies.aspx
After reading through these case studies, you will understand why fluid power was chosen as the
power source and the important role that electronics played in each example. By this point, you
should have a complete understanding how fluid power systems operate and why engineers are
continuing to work on improving the efficiency of fluid power applications, expanding the use in
transportation sector to reduce fuel consumption, develop human-scaled fluid power applications,
and making fluid power safe, quiet, clean and simple to use.
124
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
125
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Activity 7: Energy Storage
Needed Supplies: Air compressor, valve, cylinder, piping/tubing, weight, pressure gauge,
ruler, stopwatch
Background
o Air compressors are used every day to do jobs that would otherwise be difficult to
do with ordinary hand tools.
o Air compressors use an air pump to convert mechanical energy to fluid energy,
store that energy in a tank, and then expel it through a cylinder or motor,
converting it back to mechanical energy.
o Work
 Work is defined as force times distance
 W = FD
 F in lbs
 D in inches
o Power
 Power is defined as work per unit time
 Power = Work / t
 Hydraulic power is the product of Pressure and Flow Rate
 Power = PQ
o P in psi
o Q in in3/sec
o Efficiency
 Efficiency is the ratio of power input to power output
 e = Output power / Input power
Experiment
126
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.

In this experiment you will follow the path of compressed air from a tank to a cylinder
attached to a weight

The air within the air compressor tank is stored energy, and creates power when
released at a certain pressure (P) and a flow rate (Q).
o Refer to the specifications of the air compressor model that you are using,
specifically what flow rate (in CFM, cubic feet per minute) it can deliver at a
certain pressure.

When the air reaches the cylinder, work is done by the cylinder (a force is applied
over a distance)
o Power is produced during the extension of the cylinder as well (Work/time)

Between the air tank and the cylinder, power is lost through friction in the pipes as
well any leaks in the system
o It is possible to determine how efficient the system is by dividing the output
power at the cylinder by the input power from the compressor tank
Procedure
1. Plumb a basic air circuit with 1 valve and 1 cylinder and connect to an air
compressor
2. Make sure that air compressor has a pressure gauge.
3. Attach an object of known weight to the extended cylinder
4. Retract the cylinder and record the following:
a. How long it takes to lift the weight
b. The pressure reading from the gauge
c. The distance that the weight travels
Data Calculations
Discussion
1. What generally increases with the size of an air compressor tank? (Consult your
instructor or online resources if necessary)
127
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
2. Would decreasing the length of tubing between the tank and cylinder increase or
decrease the efficiency of the system? Explain your answer.
3. What does an efficiency of 1 mean? Why is the generally not possible in the real
world?
Activity 8: What is Pascal’s Law?
Needed Supplies: Pressure Gauge
Instructions: Read the following about hydraulic force multiplication and how it relates to the
PFPD you previously worked on. This particular lesson will build upon your knowledge of
forces and area by relating them to the definition of pressure.
Theoretical Background
o Pascal’s Law
o For a particular position within a fluid at rest, the pressure is the same in all
directions.
(Equation 1.4)
o P=F/A
 P is pressure (in psi)
 F is force (lbf)
 A is area (in2)
o Hydraulic Cylinders
o As you learned in “What is Fluid Flow?”, each side of the piston has its own
area.
o The force that the rod can exert depends upon which side of the piston has
pressure acting upon it.
o When the cylinder extends, the system fluid pushes against an area equal to
the area of the cylinder (Ac).
 The force that the cylinder rod exerts is:
 F = PAc
(Equation 1.5)
o When the cylinder retracts, the system fluid pushes against an area equal to
the cylinder area minus the area of the rod (Ac – Ar).
o The force that the cylinder rod exerts is:

128
F = P (Ac – Ar)
(Equation 1.6)
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Experiment
1. Remove cotter pin on cylinder that is attached to the bucket
2. Force produced during extension
a. Attach pressure gauge at appropriate port of cylinder
b. Move the valve that extends the top cylinder, and record the pressure at the
gauge
c. P = ___________ psi
d. Ac = .44 in2
e. F = PAc = (_______psi)(_______in2)
f. F = _______lbf
3. Force produced during retraction
a. Attach pressure gauge at appropriate port
b. Move the valve that retracts the top cylinder, and record the pressure at the
gauge
c. P = _________ psi
d. Ac = .44 in2
e. Ar = .049 in2
f. F = P (Ac – Ar) = (_________ psi)(_________ in2)
g. F = ________ lbf
129
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Discussion
o Given the same pressure, which side of the piston can produce more force? Why is
this? (Refer to equations in theoretical background section)
o What would happen to the forces that the excavator cylinders produce if the system
pressure were decreased? (In other words, what if there was a leak in the system?)
130
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Activity 9: What is Fluid Flow?
Needed Supplies: Ruler, Stopwatch, PFPD
Instructions: Read the following about fluid flow and how it relates to the PFPD you
previously worked on. This particular lesson will use your knowledge of time, displacement,
and velocity to determine the actual flow rate that the PFPD is delivering to each cylinder.
Theoretical Background


Flow
o Flow rate is defined as a volume displaced per unit time.
 Q=VA
(Equation 1.1)
3
 Q is volumetric flow rate (in per second)
 V is velocity (inches per second)
 A is area (in2 )
Hydraulic Cylinders
o In any cylinder there are two sides to the piston:
o When the cylinder extends, the system fluid pushes against an area equal to the
area of the cylinder (Ac).
 The velocity of the cylinder rod in this case is:
 V = Q / Ac
(Equation 1.2)
o When the cylinder retracts, the system fluid pushes against an area equal to the
cylinder area minus the area of the rod. (Ac – Ar).
 The velocity of the cylinder rod in this case is:
 V = Q / (Ac – Ar)
(Equation 1.3)
o The difference between the areas used to extend and retract the piston is called
the area ratio of the cylinder. In this case, the two areas are Ac and (Ac-Ar)
131
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Experiment
1. Turn on system pump
2. Remove cotter pin and fully retract the bucket cylinder
3. Place ruler at base of cylinder body (refer to picture above)
4. Using ruler, measure and record the initial position of the cylinder rod (X1)
5. Fully extend the cylinder and record how long it takes with stopwatch (T)
6. Using ruler, measure and record the distance that the cylinder rod travelled (X2)
Data/Calculations
o Flow rate during cylinder extension
o X1 = ______ in (initial position)
o X2 = ______ in (final position)
o T = ______ sec (how long it took to get from X1 to X2)
o V = (X2-X1) / T = _______ in/sec (velocity)
o Ac = .44 in2
o Q = VAc = (_______ in/sec)(_______ in 2)
o Q = _______ in3/sec
o Multiply by (1 Gal/231 in3)(60 sec/1 min) to convert to GPM
o Q = _______ GPM
o Flow rate during cylinder retraction
o X1 = ______ in (initial position)
o X2 = ______ in (final position)
o T = ______ sec (how long it took to get from X1 to X2)
o V = (X2 – X1) / T = _______ in/sec (velocity)
o Ac = .44 in2
o Ar = .049 in2
o Q = V(Ac – Ar) = (_______ in/sec)(_______ in2)
o Q = _______ in3/sec
o Multiply by (1 Gal / 231 in3)(60 sec / 1 min) to convert to GPM
o Q = _______ GPM
Discussion
132
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
o Convert your average flow rates into GPM. Compare your calculated average flow
rates for each cylinder to the flow rate on the pump label. Why are your calculations
different than what the pump is rated at? (Think about the path that the water takes
through the system between the pump and cylinder.)
o Compare the ‘Extension’ and ‘Retraction’ velocities of the cylinder. Why are these
velocities different? (Consider the difference between Equation 1.2 and 1.3)
Activity 10: Measuring Viscosity
Contributed by: Integrated Teaching and Learning Program, College of Engineering,
University of Colorado Boulder
Through fluids of different viscosities, balls fall at different speeds. Left to right: Dial soap, SW 30
oil and 10W30 motor oil.
Summary
Students calculate the viscosity of various household fluids by measuring the amount of time it takes
marble or steel balls to fall given distances through the liquids. They experience what viscosity
means, and also practice using algebra and unit conversions.
Engineering Connection
Engineers often design devices that transport fluids, use fluids for lubrication, or operate in
environments that contain fluids. Thus, engineers must understand how fluids behave under various
conditions. Understanding fluid behavior can help engineers to select the optimal fluids to operate in
133
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
devices or to design devices that are able to successfully operate in environments that contain
fluids.
Learning Objectives
After this activity, students should be able to:

Measure the viscosity of a fluid.

Describe a fluid as having "high" or "low" viscosity.
Materials List
Each group needs:

ruler

stopwatch

graduated cylinder (the taller the better)

marble or steel ball (must be half the diameter of the cylinder or smaller, and sink in the fluid
being measured; the slower the ball sinks, the easier it is to measure the viscosity)

Viscosity Activity Worksheet, one per person

calculators

Internet access, to research viscosities for one worksheet question
To share with the entire class:

thick, somewhat clear household fluids, such as motor oil, corn syrup, pancake syrup,
shampoo, liquid soap (perhaps a different fluid for each 1-2 groups), enough of each liquid to
fill a graduated cylinder for each group that tests it

scale, to measure the weights of graduated cylinders, with and without the liquids
Introduction/Motivation
Fluid mechanics is the study of how fluids react to forces. Fluid mechanics includes hydrodynamics,
the study of force on liquids, and aerodynamics, the study of bodies moving through air. This
encompasses a wide variety of applications. Can you think of any examples of engineering
applications for which an understanding the behavior of fluids is important? (Listen to student ideas.)
Environmental engineers use fluid mechanics to study pollution dispersion, forest fires, volcano
behavior, weather patterns to aid in long-term weather forecasting, and oceanography. Mechanical
engineers implement fluid mechanics when designing sports equipment such as golf balls, footballs,
baseballs, road bikes and swimming gear. Bioengineers study medical conditions such as blood
134
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
flow through an aneurysm. Aerospace engineers study gas turbines that launch space shuttles and
civil engineers use fluid mechanics for dam design. Considering just these few examples of the wide
variety of applications of fluid mechanics, you can see how fluid mechanics is important to
understand for many types of engineering design in our world.
In this activity, we'll be measuring a property of fluids called viscosity. Viscosity describes how a
fluid resists forces, or more specifically shear forces. Shear is the type of force that occurs when
two objects slide parallel to one another. Since fluids are composed of many molecules that are all
moving, these molecules exert a shear force on one another. Fluids with low viscosity have a low
resistance to shear forces, and therefore the molecules flow quickly and are easy to move through.
Can anyone name an example of a low-viscosity fluid? (Listen to student ideas.) One example is air!
Another example is water. Fluids with high viscosity flow more slowly and are harder to move
through. What are examples of high-viscosity fluids? (Listen to student ideas). One example of a
high-viscosity fluid is honey.
When an object free falls through a fluid, at some point the force due to gravity is balanced by the
resistance to shear by the fluid. This is called terminal velocity, and is the point at which the falling
object maintains a constant velocity. Skydivers enjoy one terminal velocity when they are in free-fall
and another, much slower terminal velocity when they change their shape by releasing their
parachutes.Skydivers rely on terminal velocity to control their speed during free fall.
For objects that have simple geometries, such as spheres, the drag on the object can be calculated
with known equations. Because of this, engineers can calculate the terminal velocity of a sphere
falling through a known fluid using the following equation:
where g is acceleration due to gravity, ρs is the density of the sphere, ρf is the density of the
fluid, μ (nu) is the viscosity of the fluid, and Vs is the terminal velocity of the sphere. Why do you
think this might be useful? (Listen to student ideas.) Some examples might be: Calculating free-fall
velocity of a skydiver, or calculating the velocity of a spaceship in re-entry. Using algebra, the
equation can be re-arranged in order to calculate the viscosity of an unknown fluid falling at a known
terminal velocity:
Being able to re-arrange equations to find the unknowns is an important skill for engineers! In this
activity, we will measure the viscosities of a few household fluids by dropping balls into them and
measuring the terminal velocities.
Vocabulary/Definitions
shear:
terminal
velocity:
viscosity:
A type of force that occurs when two objects slide parallel to one another.
The point at which the force exerted by gravity on a falling object is equaled by a
fluid's resistance to that force.
A fluid's ability to resist forces.
Procedure
Before the Activity
135
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.

Gather materials and make copies of the Viscosity Activity Worksheet.

Be sure the ball sinks slowly enough in all of the fluids that a velocity measurement can be
obtained. If the ball falls too quickly, it is hard to accurately start and stop the stopwatch.

Divide the class into groups of three students each. Hand out the worksheets.
With the Students
1. Have each group choose a fluid to measure the viscosity of (or assign each group a fluid).
2. Have students calculate the density of the fluid.

Weigh the empty graduated cylinder.

Fill the cylinder with fluid, and record the volume.

Weigh the full graduated cylinder. Subtract the weight of the empty graduated cylinder to
determine the weight of the fluid.

The density of the fluid is the weight over the volume.
Note: 1 cm3=1 ml.
3. Have students measure the density of the sphere.

Measure the radius of the ball. Record as r [cm].

Calculate the volume of the sphere:
Alternatively, place the sphere in a graduated cylinder half filled with water; the displacement of the
water is equal to the volume of the sphere.

Weigh the sphere, and calculate the density:
4. Have students drop the ball into the fluid, timing the ball as it falls a measured distance.
(Note: Ideally students would wait for the ball to reach a constant velocity, however for this activity
we assume the ball reaches terminal velocity very quickly, so that students can measure the time
from when the ball enters the fluid until it reaches the cylinder bottom. For less-viscous, "thinner,"
fluids, this may be very quick).
5. Calculate the velocity of the ball falling through the fluid.
6. Calculate the viscosity of the fluid using the following equation,
136
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
where g is acceleration due to gravity (981 [cm/s 2]). The answer should be in units of kg/cm s, or
mPa-s. For comparison, the viscosity of water is approximately 1 mPa-s.
7. For accuracy, have students repeat the experiment and calculate an average viscosity.
8. Have groups share, compare and discuss their results as a class by either writing the results
in a table on the board or on a class overhead projector.
Safety Issues

Do not allow students to drink the test fluids, especially after the fluids have been in contact
with the graduated cylinders.

After the activity, responsibly dispose of the used test fluids.

Shampoo or dish soap may create a large amount of suds when cleaning the graduated
cylinders.
Troubleshooting Tips
If the marble falls too quickly through the fluid to obtain accurate timing, use a taller graduated
cylinder or a lighter marble (or both!).
Assessment
Pre-Activity Assessment
Discussion Questions: Considering the fluids available for activity testing, ask students to estimate
which liquid they think will have the highest viscosity. Which will have the lowest? Write their
predictions on the board.
Activity Embedded Assessment
Worksheet: Have students complete the Viscosity Activity Worksheet during the activity. If time is
limited, have them research online for viscosities of common household fluids (last question) as a
homework assignment. Review their answers to gauge their comprehension of the subject matter.
Post-Activity Assessment
Class Presentation: Have students share and discuss their measured/calculated viscosities with the
class. Compare and discuss the class results with the predictions made before beginning the
activity.
Activity Extensions
Viscosity changes with temperature! Have students measure the viscosity of a fluid at a few different
temperatures and graph the viscosity (y-axis) vs. temperature (x-axis).
Activity Scaling
137
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.

For lower grades, just visually compare the times it takes the balls to fall through the fluids.
Perhaps a viscosity race!

For upper grades, try varying the temperature of a fluid (see the Activity Extension section).
Contributors
Michael A. Soltys © 2011 by Regents of the University of Colorado.
Supporting Program
Integrated Teaching and Learning Program, College of Engineering, University of Colorado Boulder
Attachments

Viscosity Activity Worksheet Answers
Viscosity Activity Worksheet
Cartesian Diver Worksheet Answer Key
Objectives


To demonstrate understanding of Pascal’s Law and Archimedes’ principle.
To use a Cartesian diver based on understanding of density, buoyancy and pressure.
Definitions
volume
A measurement of the amount of space an object occupies.
mass
A measurement of the amount of matter in an object.
density
A measurement of the compactness of an object.
buoyancy
The ability of an object to float in a liquid.
pressure
A measurement of force per unit area.
Relationship Question
What is the relationship between volume, mass and density?
(ρ = m / v)
Materials


1-liter bottle with cap filled with water
bowl of water
138
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.

Cartesian diver
Procedure
1. Fill the bottle with water.
2. Using the bowl of water, adjust the amount of water and air inside the Cartesian diver so that it barely
floats.
3. Place the Cartesian diver inside the bottle, making sure the bottle is filled to the top with water.
4. Screw the cap on the bottle so it is closed securely.
5. Squeeze the bottle and observe what happens to the Cartesian diver.
Questions
1. What happens when the bottle is squeezed?
The Cartesian diver sinks to the bottom of the bottle.
2. What happens when the bottle is released?
The Cartesian diver rises back up.
3. What variables affect an object’s ability to float?
Density of the object, density of the fluid, surface area, pressure, volume
4. Use the variables you listed in question 3 to explain what is happening inside the bottle.
Volume and density are inversely proportional.
Density and pressure are proportional.
When pressure is applied, the volume of air and the density increases; therefore, the object becomes
denser than the surrounding fluid and sinks.
5. How do Pascal’s law and Archimedes’ principle apply to the Cartesian diver?
Pascal’s law states that a pressure applied at any point on a confined incompressible fluid is transmitted
equally throughout the fluid. When the bottle is pressurized (squeezed) the pressure within the entire
bottle and Cartesian diver is increased. Archimedes’ principle applies because the Cartesian diver sinks
when its density is increased.
6. Use the ideal gas law to explain the relationship between volume and pressure when the bottle is
pressurized and explain why the Cartesian diver sinks.
ideal gas law: PV = nRT
Where P = pressure, V = volume, n = number of moles of gas, R = universal gas constant,
and T = temperature
The pressure in the bottle is increased, therefore the volume of air trapped inside the Cartesian diver
decreases. As the volume of air decreases, water is taken up into the Cartesian diver which increases the
density of the Cartesian diver so it sinks.
7. BONUS: Provide a few examples of how these principles are used in real-world science, engineering
and/or technology.
The concepts of Pascal’s law, Archimedes’ principle, the ideal gas law and the density-buoyancy relationship
are important in science, engineering and technology applications such as fish physiology, scuba diving and
various submersibles. Most boney fish have a swim bladder that models a lung and enables fish to control
their buoyancy, or height in the water column, without swimming. In contrast, non-boney fish such as
sharks, store lipids to maintain buoyancy or employ dynamic lift, which is the use of the pectoral fins for
constant swimming to maintain buoyancy. Scuba divers use special equipment such as weighting systems,
diving suits and buoyancy compensators to control their buoyancy. They use a weighting system so that they
139
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
are negatively buoyant and sink by default; then they can then adjust their buoyancy compensator by
adjusting the volume of gas in the bladder, which is taken from the diver’s air tank or mouth. Submersibles
enable the exploration of depths much greater than can be reached via satellite and shipboard technologies;
these creative submersible and remotely operated vehicle (ROV) inventions enable people to explore very
deep ocean communities and discover new species. Additional examples include a Galileo thermometer,
high-pressure systems like autoclaves (laboratory instruments that sanitize lab equipment), deep sea drilling.
140
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Activity 11: Viscous Fluids
www.teachengineering; Contributed by: Integrated Teaching and Learning Program,
College of Engineering, University of Colorado Boulder.
Summary
Students are introduced to the similarities and differences in the behaviors of elastic solids and
viscous fluids. Several types of fluid behaviors are described—Bingham plastic, Newtonian, shear
thinning and shear thickening—along with their respective shear stress vs. rate of shearing strain
diagrams. In addition, fluid material properties such as viscosity are introduced, along with the
methods that engineers use to determine those physical properties.
Engineering Connection
Engineers often design devices that transport fluids, use fluids for lubrication, or operate in
environments that contain fluids, such as engines, printers and pacemakers. Thus, it is important for
engineers to understand how fluids behave under various conditions. Understanding fluid behavior
can help engineers to select the best fluid to operate in a device or to design devices that are able
to efficiently and harmlessly operate in environments that contain fluids.
Pre-Req Knowledge
Students should understand the content presented in the Mechanics of Elastic Solidslesson. They
should also have an understanding of algebra, how to solve algebraic equations, and how to read
and interpret graphs.
Learning Objectives
After this lesson, students should be able to:

Describe the similarities and differences between elastic solids and viscous fluids.

Explain four different types of fluid behavior: Newtonian, shear thinning, shear thickening,
and Bingham plastic.

Demonstrate an understanding of how engineers measure and calculate fluid material
properties such as viscosity.

Communicate scientific information about why the molecular-level structure is important in
the functioning of designed materials.
Introduction/Motivation
141
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Figure 1. Opposing forces cause two blocks to slide against each other (top). Off-centered opposing
forces cause shear deformation in a block (bottom).
We previously talked about elastic solids; today we will learn about viscous fluids.
Let's review what we know about solids and fluids. What is a solid? What is a fluid? (Listen to
student descriptions.) A solid is a material that has structural rigidity and resistance to change in
shape or volume. In other words, solids maintain their shapes and do not form to their containers. A
fluid, either liquid or gas, can flow to take the shape of its container. More formally, a fluid is a
substance that continuously deforms or flows under an applied shear stress.
Shear stress is a little different than the stress we discussed in the solid mechanics lesson. To
understand shear stress, first think of two blocks sliding against each other (draw Figure 1-top on
the classroom board). A force pushes towards the left on the top block and a force pushes to the
right on the bottom block. The opposing forces on the different blocks cause the sliding motion.
Now imagine that instead of having two rigid blocks we have one block of Jell-O. When we apply
similar forces on the Jell-O block, the deformation is similar to the two rigid blocks (draw Figure 1bottom). Imagine that the Jell-O is sliding internally. Since the Jell-O is a solid, it will only undergo a
certain amount of deformation before either breaking or resisting the forces, which prohibits any
further deformation. What the Jell-O experiences is defined as shear stress. Shear stress is
experienced in materials when you have these "sliding" forces. Now imagine shear stress on a fluid.
With a fluid, it will continuously deform—which is the definition of a fluid. In this lesson, we will learn
how engineers study fluids and what similarities and differences this analysis has with solids.
Fluid mechanics is the study of how fluids react to forces. Fluid mechanics includes hydrodynamics,
the study of force on liquids, and aerodynamics, the study of bodies moving through air. Fluid
mechanics encompasses a wide variety of applications. Can you think of some examples? (Listen to
student ideas.) Environmental engineers use fluid mechanics to study pollution dispersion, forest
fires, volcano behavior, weather patterns to aid in long-term weather forecasting, and
oceanography. Mechanical engineers implement fluid mechanics when designing sports equipment
such as golf balls, footballs, baseballs, road bikes and swimming gear. Bioengineers study medical
conditions such as blood flow through aneurysms. Aerospace engineers study gas turbines that
launch space shuttles and civil engineers use fluid mechanics for dam design. With just these few
examples of the wide variety of applications of fluid mechanics, you can see how fluid mechanics is
an important area of study for many types of engineering.
(Continue on to present students with the content in the Lesson Background section.)
Lesson Background
A thick fluid, such as toothpaste, stays on a toothbrush, whereas a fluid that moves easily like water
just runs off. A fluid like water might be useful in a thermometer because it is easy to move and
does not leave any residue on its container. If a fluid like honey was used in a thermometer, it would
stick to the sides and cause difficulty in reading the measurement gauge. Can you think of other
example applications?
From examining and comparing these two fluids, we can conclude that the honey is good at coating
things and the water is good if you need a fluid to move with little force. What we just observed is a
difference in viscosity. Fluids with different viscosities can be useful for different applications.
142
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Viscosity is how engineers measure the resistance of fluids to shear stress. Less-viscous fluids
deform easier with applied shear, thus water is less viscous than honey. Engineers calculate the
viscosity of a fluid with the following equation:
where τ (tao) is the shear stress in the fluid, μ (nu) is the viscosity, and du/dy is the shear velocity of
the fluid. The shear stress of a fluid is defined in a similar manner as stress in a solid: force divided
by area. The above equation is very similar to the Hooke's law equation (discussed in
the Mechanics of Elastic Solids lesson):
where σ (sigma) is the stress in the solid, E is Young's modulus, and ε is the strain that the solid
experiences. In each equation, the stress in the material (caused by a force on the material) is equal
to a material property (Young's modulus or viscosity) multiplied by either the strain or velocity of the
material, which tells something about the response of the material to the force (either moving the
material or deforming it). Therefore, the Young's modulus and viscosity are similar in that they both
measure a material's resistance to deformation (or movement).
The viscosity equation is useful for calculating a material's viscosity when you know the force being
applied to the fluid and the resulting velocity. Knowing the viscosity helps engineers know how a
fluid will behave under different circumstances. Engineers also use this equation when designing
devices. By using a fluid with a known viscosity and applying a force to it, engineers can calculate
how fast the fluid will move. Here are examples of how this equation can be used to help engineers
with real situations:

For example, at your neighborhood gas station, the pumps are designed to measure the
volume of gasoline being purchased. By knowing the viscosity of the fluid and the force
being applied to it from the gas pump, engineers can calculate the velocity that the gas will
move. Using this information, along with the dimensions of the gas nozzle, the amount of
gas being purchased can be calculated.

For example, if engineers know the viscosity of printer ink and what velocity they want the
ink to move, they can design a printer so that the correct amount of force is applied to the
ink.

For example, for the mass production and packaging required in the food and beverage
industry, knowing the viscosity of the fluids to be packaged (think milk vs. molasses) gives
engineers the information they need to design factory equipment that regulates how fast a
fluid can be packaged based on the tolerable forces that can be applied to the fluid.
Measuring Viscosity
How do engineers determine the viscosity of fluids? We know that mechanical testing systems
calculate Young's modulus by deforming a material and recording the force applied and the
displacement that the material undergoes. Young's modulus is similar to viscosity, so engineers use
similar methods to calculate the properties of fluids. Engineers primarily use one of two methods,
depending on whether the fluid is Newtonian or not.
143
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.

For Newtonian fluids, engineers place the fluid in a container and drop a ball of known mass
and volume into the container. By measuring the amount of time it takes the ball to travel
through a specified distance of the fluid, they can calculate the resistance the ball
experiences through the fluid. (This is similar to the forces a skydiver experiences when
jumping out of an airplane. At some point, the force of air resistance matches the force of
gravity and the skydiver reaches terminal velocity—the point at which the skydiver no longer
accelerates and reaches a constant velocity.) For the ball with a known mass and shape,
calculating the force of gravity on the ball is easy. This force must balance with the force of
shear resistance (viscosity) and dictates the ball's speed (velocity). So if an engineer can
measure the speed of the ball, s/he can directly predict the viscosity of the fluid! (Students
investigate this method in more detail during the associated Measuring Viscosityactivity.)

The second method for determining viscosity, rheometry, is very expensive and typically
used only on fluids that are not Newtonian. A rheometer (see Figure 2) can either control the
velocity of a fluid and measure the force it takes to apply that velocity, or apply a force and
measure the resulting velocity. Using either method, engineers acquire the force and velocity
data needed to use the viscosity equation and calculate the viscosity of the fluid. In the
testing machine, the fluid is placed either in a cylinder or on a plate, and different probes are
used to apply force to the fluid (Figure 2-right). The probe can vary in geometry, depending
on the fluid viscosity. High-viscosity fluids are placed on plates with either a cone or another
flat plate used to apply the force (Figures 2b, 2c). All other fluids, especially low-viscosity
fluids, require a cylinder configuration (Figure 2a).
Figure 2.
Rheometers are used to measure the viscosity of non-Newtonian fluids. Different rheometer
sample holders and probes are used, depending n the viscosity of test fluid. Low-viscosity
fluids require a dual cylinder configuration (a). High-viscosity fluids, such as pastes and gels,
are placed on a plate with either a cone (b) or a parallel flat plate (c) that applies shear to the
fluid.
Fluid Behavior
144
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Using a rheometer or a drop ball test, engineers collect the data needed to create shear stress (τ)
vs. rate of shearing strain diagrams (du/dy). The shear stress is calculated using the force data, and
the rate of shearing strain is calculated using the deformation data. This is similar to a stress-strain
diagram with solids. When engineers test solids and generate stress-strain diagrams, they calculate
the slope of the initial line (covered in more detail in the Mechanics of Elastic Solids lesson), which
is equal to the Young's modulus or stiffness of the material. With fluids, engineers also calculate the
slope of the line formed on the shear stress-rate of shearing strain diagram. This value is equal to
the viscosity of the fluid.
Looking at the resulting diagrams, engineers can identify four fluid behaviors: Bingham plastic,
Newtonian, shear thinning, and shear thickening (see Figure 3).
Figure 3. Shearing stress vs. rate of shearing strain diagrams are used to calculate the viscosity of
fluids. Representative curves are shown for Bingham plastic, Newtonian, shear thinning and shear
thickening fluids.
Bingham plastic materials behave as solids at low stresses, but flow as viscous fluids at high
stresses. Because the particles in these materials have weak bonds, at high stresses they break,
causing them to flow and be characterized as fluids. When the stress is relieved, the bonds form
again, characterizing the materials as solids. Two material properties are needed to describe this
material: viscosity and yield stress. The slope of the shear stress-rate of shearing strain diagram is
the viscosity (as described above) and the intersection of the y-axis (shear stress axis) is the yield
stress. The yield stress defines the transition point between solid and liquid.

A common example of this fluid type is toothpaste.
Newtonian fluids are identified by linear plots in the diagram, which means that these fluids have
constant viscosities that are independent of velocity (rate of shear). Regardless of how fast or slow
you stir these liquids, they always require the same proportional forces.
145
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.

Everyday examples of this fluid type include: water, gasoline and most gases (remember
gases are fluids as well!).

A range of fluid behavior examples: toothpaste (Bingham plastic); water (Newtonian);
whipped cream (shear thinning) and body armor (shear thickening).
For shear thinning materials, viscosity decreases as velocity (rate of shear) increases. As you stir
this type of fluid faster, it becomes much easier to stir. While scientists do not fully understand the
cause of this phenomenon, engineers have used fluids with this behavior to their advantage.

For example, paint is a shear thinning fluid. It is easy to adhere on a roller because of the
increase in velocity the roller imposes on the fluid. However, once the paint is applied to the
wall and the force on the fluid is reduced, the viscosity increases to its original state and the
paint stays on the wall without dripping.

Another example is whipped cream. Engineers used its characteristics to their advantage
when designing pressurized can containers for easy dispensing of whipped cream. When a
force is applied to this fluid, its viscosity decreases and it flows smoothly like a liquid out of
the nozzle. Once it comes to a rest on your tasty treat, it becomes rigid again (increased
viscosity), like a solid.

Additional common examples include ketchup, blood and motor oil.
For shear thickening materials, viscosity increases as velocity (rate of shear) increases. As you stir
this type of fluid faster, it becomes much harder to stir. This is due to closely packed particles
combined with just enough fluid to fill the spaces between them. At low velocities, the fluid
dominates the behavior and is able to continue to adequately fill the spaces between the particles
because they are not moving fast. At high velocities, the fluid cannot keep up with the particle
movement and is unable to fill the spaces between them, so the particles to rub against each other
creating friction between them. Engineers have also used this phenomenon to improve our lives.

One example is body armor. The fluid in body armor reacts to sudden forces (increases in
velocity, such as bullets) and immediately increases its viscosity, which in turn stops the
blow (the bullets). The only caveat to this is that slow velocities (like a knife) do not produce
this change in viscosity. To address this vulnerability, an additional material (Kevlar fabric) is
added to body armor to protect against these types of attacks. The combination of Kevlar
and a shear thickening fluid performs better at protecting than Kevlar alone. The fluid-Kevlar
combination body armor is also one-third the thickness of body armor containing only Kevlar,
so it is more lightweight and comfortable to wear.

Another innovative design using shear thickening fluids is found in vehicle traction control,
which is a system used for all-wheel drive vehicles that reacts to the differences in motion
between the front and rear wheels. When the vehicle has sufficient traction, the front and
146
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
rear wheels have similar motion, so no shear force is applied to the fluid. However, when the
primary drive wheels begin to slip, the difference in motion between the front and rear
increases, applying a shear force to the fluid and resulting in an increase in viscosity. This
viscosity increase applies torque to the secondary drive wheels, creating a system in which
all four wheels become engaged only when needed.

Another example is cornstarch in water; see the Additional Multimedia Support section for
the link to a fun online video that demonstrates its behavior in response to different forces.
Vocabulary/Definitions
Newtonian fluid: A fluid with a viscosity that is independent of its velocity (rate of shear).
strain:
Deformation per unit length.
stress:
Force per unit area, or intensity of forces distributed over a given section.
torque:
A force that causes an object to rotate.
velocity:
Speed (and direction) of an object.
viscosity:
A measure of the resistance of a fluid to shear stress.
Young's modulus:A measure of the stiffness of a material.
Lesson Closure
In conclusion, fluids exhibit very similar behavior to elastic solids and can therefore be analyzed with
similar equations. One way of characterizing fluids is by their viscosities, which is a measure of a
fluid's resistance to shear stress.
How do engineers measure viscosity? They measure viscosity either by dropping a ball in the fluid
and measuring the amount of time it takes the ball to travel through the fluid, or by using a
rheometer. If a fluid has a constant viscosity with varying velocities, then it is defined as a
Newtonian fluid. If the fluid has different viscosities with varying velocities then it could be defined as
shear thinning, shear thickening, or Bingham plastic.
Understanding fluid behavior is important to engineers; it helps them select the optimum fluids to
operate in devices that they are designing and create devices that are able to efficiently operate in
environments that contain fluids.
Attachments

Viscosity Worksheet Answers (docx)
Contributors
Brandi N. Briggs, Michael A. Soltys, Marissa H. Forbes © 2011 by Regents of the University of
Colorado.
Viscosity Worksheet Answers
1. List two methods that engineers use to measure viscosity.
Drop ball test: Engineers drop a ball in a fluid and measure the time it takes the ball to travel through the
fluid. From that information, they can calculate the viscosity.
147
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
With a rheometer. Rheometers record the force and deformation of a fluid and from that information,
engineers can calculate the viscosity.
2. The table below includes laboratory observations of four different fluids. Fill in the third column of
the table with one of the following choices for type of fluid:
a. Shear Thickening Fluid
b. Shear Thinning Fluid
c. Newtonian
d. Bingham Plastic
Tested Fluid
Fluid A
Fluid B
Fluid C
Fluid D
Laboratory Observations
Experienced an increase in
viscosity as its velocity (rate
of shear) increased.
Behaves as a solid at low
stresses, but flows like a fluid
at high stresses.
Maintains constant viscosity
that is independent of velocity
(rate of shear).
Experiences a decrease in
viscosity as its velocity (rate
of shear) increases.
Type of Fluid
Shear thickening fluid
Bingham plastic
Newtonian
Shear thinning fluid
3. For shear thickening and shear thinning, complete the following:
a. Provide a description of the molecular interactions that results in this type of fluid (i.e. What is
the molecular-level structure?).
b. Provide one example of how this fluid type is used in engineering and why it’s viscous properties
are particular useful for the design (i.e. why is the molecular-level structure you described in
part a important in the functioning of this design?).
Answers may vary. Here is an example of an appropriate answer for each type of fluid:
-
-
In a shear thickening fluid, the individual molecules repel each other allowing them to flow freely.
Upon impact (stress), they tighten together to form clusters that exhibit solid tendencies. Body
armor is one example of a design that was engineered to make use of this unique property. By
covering Kevlar with a layer of shear thickening fluid, it better protects the body from fast-moving
threats, like bullets or shrapnel.
In a shear thinning fluid, as the molecules rub past each other, the viscosity lowers and the
substance flows. Whipped cream, motor oil, and paint are all examples of shear thinning fluids.
Imagine if motor oil was shear thickening? That would be bad! Instead, as motor oil flows through
an engine, it thins keeping it easy to move and lubricate the engine instead of thickening and
clogging.
4. Describe how the following two equations are similar:
148
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
æ
è
ö
ø
t = mç du dy÷
s = Ee
In each equation, the stress in the material (caused by a force on the material) is equal to a material
property (Young’s modulus or viscosity) multiplied by either the strain or velocity of the material, which
tells something about the response of the material to the force (either moving the material or deforming
it). Therefore, the Young’s modulus and viscosity are similar in that they measure a material’s resistance
to deformation (or movement).
5. Label on the following graph which response is due to a fluid that has Newtonian, shear
thinning, shear thickening and Bingham plastic behavior.
6. Research online examples of fluids that are shear thinning and shear thickening. Give an example of
each type of fluid (shear thinning and shear thickening) and describe how engineers have used the
properties of that fluid to their advantage.
149
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Shear thinning: One example of a shear thinning fluid is paint. Engineers have used the shear thinning
properties of paint to their advantage because it easily adheres on a roller due to the increase in velocity
the roller imposes on the fluid. When the paint is applied to the wall and the force on the fluid is reduced,
the viscosity increases to its original state and the paint stays on the wall without dripping. Other
examples: whipped cream, ketchup, blood, motor oil.
Shear thickening: One example of shear thickening fluids being used in devices designed by engineers is
body armor. The fluid in body armor reacts to sudden forces (increase in velocity) like a bullet and
immediately increases its viscosity, which in turn stops the bullet. The combination of Kevlar and a shear
thickening fluid performs better at protecting than Kevlar alone. The fluid-Kevlar combination body
armor is also one-third of the thickness of body armor containing only Kevlar, so it is more lightweight
and comfortable to wear. Other examples: the fluid in vehicle traction control systems, cornstarch and
water solution.
Many more examples can be found online. For more information, see the Lesson Background and
Concepts for Teachers > Fluid Behavior section of the Viscous Fluids lesson.
Activity 12: Read and explain us this activity:
Take Your Best Shot Worksheet.
(Answers)
Introduction
In this activity, you will be measuring the distance water travels from a squirt (water) gun and comparing
that to the number of times you pumped it. You will use this information to calculate the velocity at which
the water left the gun. Then, starting with the exit velocity, you will use Bernoulli’s equation to calculate the
pressure inside the water gun chamber. Finally, you will compare the chamber pressure vs. the number of
pumps by plotting the data.
Background and Theory
To determine the pressure inside the water gun, you first need to know how fast the water is coming out of
the nozzle. As the water droplets move from the end of the nozzle to the ground, they follow the rules of
projectile motion. Using your understanding of these equations, you’ll find the initial velocity of the water as
it exits the nozzle.
Let’s practice one together first. Assume that for your first data point, the height of the table was 0.800 m,
and the water travelled 1.50 m from the edge of the table. Find the initial velocity of the water as it leaves
the nozzle. Discuss strategies with your group, then show your work in the space below:
Teacher note: You may want to give students more guidance on this if their experience with
projectile motion is more limited. Using the equations from the activity description, we start with
150
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
.
Plugging the data in, we have
.
t = 0.404 s
This gives us the time that it takes for the water to hit the ground. Plugging this in to equation 2 on
the activity description,
vx = 3.71 m/s
Now that you have velocity, you can solve for pressure using Bernoulli’s equation. Because the
Bernoulli equation equals the same constant at all points along a streamline, we can set the Bernoulli
equation at two points equal to each other and use information on the system at one point to solve for
information at another.
Position #1
Position #2
For the example problem given above, find the water pressure inside the gun (P1). [Hints: We know
that the velocity of the water inside the gun (v1) is initially zero, the pressure outside the gun (P2) is
the atmospheric pressure, or approximately 101,000 Pa, the density () is the density of water, and
the relative heights (h1 and h2) are equal because we are keeping the gun level.] Show your work in
the space below:
P1 = ½ (1000 kg/m3) (3.71 m/s)2 + 101,000 Pa
P1 = 108,000 Pa
Setup-Aim…
1. Find a location where you have a long, flat space to shoot water. If the weather is nice enough,
outside would be ideal.
2. Fill your water gun with water. Pump it a couple of times and shoot it, then top it off. So the
water gun works properly, leave a small amount of air in the tank.
3. Mount your water gun on a sturdy surface approximately a meter above the ground. The gun
should be mounted on its side and secured with duct tape. Once secured, make sure you can still
squeeze the trigger and move the pump.
4. Measure the height of the nozzle above the ground.
5. Make sure to have a tape measure on hand to measure the distance later.
6. Designate one group member to be responsible for marking where the water lands.
FIRE!
151
BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
1. Pump the water gun the number of times you have decided for your first trial, and shoot the
water. Hold the trigger until the water has stopped coming out, to ensure that no pressure is left in
the chamber.
2. Measure the distance between the nozzle and where the water lands.
3. Repeat this procedure for each trial.
Data Table
Draw your data table in the space below, and record your data and measurements in the table.
Number of Pumps
Maximum Distance (ft)
1, 2
3,4
5,6
7,8
9,10
Calculations
Using the data you collected and the equations given in the Background and Theory section, solve
for the pressure inside the water gun at each pump. To save time, try doing these calculations in an
Excel spreadsheet. If you do the calculations by hand, show your work on a separate sheet of paper.
Graphing
On a separate sheet of graph paper, or in Excel, graph the pressure vs. the number of pumps. Also
graph the distance the water travelled vs. the number of pumps. What does the graph tell you about
the relationship between water pressure and the number of pumps?
Answers could vary, depending on the type of water gun and its valve mechanisms.
Evaluation & Enhancement Worksheet Answers
Error
In this experiment, what do you think some potential sources of error?
How would these affect your results?
Non-horizontal gun: Could increase or decrease the distance travelled, lead to an incorrect
horizontal velocity and ultimately skewed pressures.
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BASIC PHYSICAL PRINCIPLES OF THE BEHAVIOUR OF PNEUMATIC AND HYDRAULIC FLUIDS.
Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Non-ideal fluid: The fluid (water) is not perfectly inviscid, nor is it purely steady. Therefore,
the Bernoulli equation only models the flow approximately.
Non-uniform pumping: Changes the actual pressure each time.
What does it all mean?
What do you graphs look like? Imagine you are an engineer designing the next generation of squirt
guns. You want them to shoot further than ever with fewer pumps. How can this data help you in
your designs?
This data can help you decide what sort of pressure tolerances your toy should have, as well as
how much pressure per pump you should design into the toy.
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Compiled by Miguel Hernández San Martín.
Activity 13: Pump It!
www.teachengineering; Contributed by: Integrated Teaching and Learning Program,
College of Engineering, University of Colorado Boulder
Activity on;
https://www.teachengineering.org/view_activity.php?url=collection/cub_/activities/cub_p
umpit/cub_pumpit_activity1.xml
Answer
The power output of your pump (PO) can be given by
, where is the specific weight of water
3
(
62.4 lbs/ft ), Q is the flow of the pump, and HP is the head the pump must overcome.
To begin, get everything in matching units. To find flow, measure how many gallons of water your pump can
move in a given time. Covert the time to seconds, and gallons to ft 3 (Hint: 7.48 gallons = 1 ft3). Also convert
to feet the height difference between the two buckets.
2.1 gallons = 0.28 ft3
Volume: 0.28 [ft3]
Time: 120 [s]
HP= 4 [ft]
Flow is a volume per time. In order to get the flow, divide the volume by the time:
0.28 ft3/120 s=2.33x10-3 ft3/s
-3
Flow, Q=2.33x10 [ft3/s]
Calculate the power output of your pump using the equation:
* (1.356 [watts]/ [ft lb/s])
(62.4 lbs/ ft3)(2.33 x 10-3 ft3/s)(4 ft)=0.58 ft lb / s=0.79 W
Po=0.79 [watts]
Finally, we want to know how cost effective your pump is. Divide total cost by your power output. ($/
($21.65)(.79 W)=27.41 $/W
e=27.41
$/W [$/watts]
Discussion Questions
What factors made your pump a good design?
Possible answers: Our pump was simple to operate, it worked well, it had a good efficiency, was visually
appealing, etc.
What was the most expensive aspect of your design? How could you reduce cost in this area?
Possible answers: Our pump used a lot of PVC and was very big. We could make it smaller but still
have it work well!
What would you change in future designs?
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Possible answers: We could try a longer threaded rod to pump water easier.
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