analogía hidráulica

Las analogías electrohidráulicas consisten en la representación de circuitos electrónicos mediante circuitos hidráulicos. Dado que la corriente eléctrica es invisible y los procesos que intervienen en la electrónica suelen ser difíciles de demostrar, los diversos componentes electrónicos se representan mediante equivalentes hidráulicos . Originalmente, la electricidad (así como el calor ) se consideraba un tipo de fluido , y los nombres de ciertas magnitudes eléctricas (como la corriente) derivan de sus equivalentes hidráulicos.

La analogía electrohidráulica (denominada despectivamente teoría de la tubería de desagüe por Oliver Lodge ) ^{[ 1 ]} es la analogía más utilizada para el "fluido electrónico" en un conductor metálico . Como ocurre con todas las analogías, exige una comprensión intuitiva y competente de los paradigmas básicos (electrónica e hidráulica), y en el caso de la analogía hidráulica para la electrónica, los estudiantes suelen tener un conocimiento insuficiente de hidráulica. ^{[ 2 ]}

La analogía también puede invertirse para explicar o modelar sistemas hidráulicos en términos de circuitos electrónicos, como en las exposiciones del efecto Windkessel .

No existe un paradigma único para establecer esta analogía. Los distintos paradigmas presentan diferentes fortalezas y debilidades, dependiendo de cómo y de qué manera la comprensión intuitiva del origen de la analogía se corresponde con los fenómenos electrónicos. ^{[ 2 ]} Se pueden utilizar dos paradigmas para introducir el concepto a los estudiantes mediante la presión inducida por la gravedad o por bombas.

En la versión con presión inducida por la gravedad, se mantienen grandes depósitos de agua elevados o se llenan a diferentes niveles, y la energía potencial de la columna de agua es la fuente de presión. Esto recuerda a los diagramas eléctricos con una flecha hacia arriba que apunta a +V, pines conectados a tierra que, por lo demás, no se muestran conectados a nada, etc. Esto tiene la ventaja de asociar el potencial eléctrico con el potencial gravitatorio .

Un segundo paradigma consiste en una versión completamente cerrada con bombas que solo proporcionan presión, sin tener en cuenta la gravedad. Esto recuerda a un diagrama de circuito donde se muestra una fuente de voltaje y los cables completan el circuito. Este paradigma se analiza con más detalle a continuación.

Otros paradigmas resaltan las similitudes entre las ecuaciones que rigen el flujo de fluido y el flujo de carga. Las variables de flujo y presión pueden calcularse tanto en situaciones de flujo de fluido estacionario como transitorio mediante la analogía del ohmio hidráulico . ^{[ 3 ] [ 4 ]} Los ohmios hidráulicos son las unidades de impedancia hidráulica, que se define como la relación entre la presión y el caudal volumétrico. En esta definición, las variables de presión y caudal volumétrico se tratan como fasores , por lo que poseen tanto una fase como una magnitud. ^{[ 5 ]}

En acústica se utiliza un paradigma ligeramente diferente, donde la impedancia acústica se define como la relación entre la presión acústica y la velocidad de las partículas acústicas. En este paradigma, una cavidad grande con un orificio es análoga a un condensador que almacena energía de compresión cuando la presión, dependiente del tiempo, se desvía de la presión atmosférica. Un orificio (o tubo largo) es análogo a un inductor que almacena energía cinética asociada al flujo de aire. ^{[ 6 ]}

La velocidad de una onda electromagnética ( velocidad de propagación ) es equivalente a la velocidad del sonido en el agua. Cuando se acciona un interruptor de luz, la onda eléctrica viaja muy rápidamente a través de los cables.

La velocidad de flujo de carga ( velocidad de deriva ) es equivalente a la velocidad de las partículas de agua. Las cargas en movimiento se mueven bastante despacio.

La corriente continua (CC) equivale a un flujo constante de agua en un circuito de tuberías.

La corriente alterna de baja frecuencia es equivalente al agua que oscila de un lado a otro en una tubería.

Las líneas de transmisión y de corriente alterna de alta frecuencia son, en cierto modo, equivalentes a la transmisión de sonido a través de tuberías de agua, aunque esto no refleja con precisión la inversión cíclica de la corriente eléctrica alterna. Como se ha descrito, el flujo de fluido transmite fluctuaciones de presión, pero los fluidos no invierten su dirección a altas velocidades en los sistemas hidráulicos, algo que la entrada anterior sobre "baja frecuencia" sí describe con exactitud. Un concepto más adecuado (si el fenómeno se refiere a ondas sonoras) es el de corriente continua con una "ondulación" de alta frecuencia superpuesta.

La chispa inductiva utilizada en las bobinas de inducción es similar al golpe de ariete , causado por la inercia del agua.

Si las ecuaciones diferenciales son equivalentes en forma, la dinámica de los sistemas que describen estará relacionada. Las ecuaciones hidráulicas de ejemplo describen aproximadamente la relación entre un flujo laminar constante en una tubería cilíndrica y la diferencia de presión en cada extremo, siempre que no se analice el flujo cerca de los extremos de la tubería. Las ecuaciones eléctricas de ejemplo describen aproximadamente la relación entre una corriente en un cable recto y la diferencia de potencial eléctrico (voltaje). En estos dos casos, los estados de ambos sistemas se aproximan bien mediante las ecuaciones diferenciales anteriores, por lo que los estados están relacionados. Las suposiciones que hacen que estas ecuaciones diferenciales sean buenas aproximaciones son necesarias para esta relación. Cualquier desviación de las suposiciones (por ejemplo, que la tubería o el cable no sean rectos, que el flujo o la corriente varíen con el tiempo, que otros factores influyan en el potencial) puede hacer que la relación no se cumpla. Las ecuaciones diferenciales para hidráulica y electrónica anteriores son casos especiales de las ecuaciones de Navier-Stokes y las ecuaciones de Maxwell , respectivamente, y no son equivalentes en forma.

Si se lleva al extremo, la analogía del agua puede generar malentendidos. Puede producirse una transferencia negativa cuando existe una discrepancia entre los fenómenos de la fuente (hidráulica) y los fenómenos correspondientes del destino (electrónica). ^{[ 2 ]} Para que la analogía sea útil, es necesario tener en cuenta las regiones donde la electricidad y el agua se comportan de manera muy diferente.

Campos ( ecuaciones de Maxwell , inductancia ): Los electrones pueden empujar o atraer a otros electrones distantes mediante sus campos, mientras que las moléculas de agua experimentan fuerzas solo por contacto directo con otras moléculas. Por esta razón, las ondas en el agua viajan a la velocidad del sonido, pero las ondas en un mar de carga viajarán mucho más rápido, ya que las fuerzas de un electrón se aplican a muchos electrones distantes y no solo a los vecinos en contacto directo. En una línea de transmisión hidráulica, la energía fluye como ondas mecánicas a través del agua, pero en una línea de transmisión eléctrica la energía fluye como campos en el espacio que rodea los cables y no fluye dentro del metal. Además, un electrón acelerado arrastrará a sus vecinos mientras los atrae, ambos debido a las fuerzas magnéticas.

Carga: A diferencia del agua, los portadores de carga móviles pueden ser positivos o negativos, y los conductores pueden presentar una carga neta total positiva o negativa. Los portadores móviles en las corrientes eléctricas suelen ser electrones, pero a veces tienen carga positiva, como los iones positivos en un electrolito , los iones H ⁺  en conductores de protones o los huecos en semiconductores de tipo p y algunos conductores (muy raros).

Fugas en las tuberías: La carga eléctrica de un circuito eléctrico y sus elementos suele ser casi igual a cero, por lo que es (casi) constante. Esto se formaliza en la ley de corrientes de Kirchhoff , que no tiene analogía con los sistemas hidráulicos, donde la cantidad de líquido no suele ser constante. Incluso con un líquido incompresible , el sistema puede contener elementos como pistones y depósitos abiertos, por lo que el volumen de líquido contenido en una parte del sistema puede variar. Por esta razón, las corrientes eléctricas continuas requieren circuitos cerrados en lugar de la fuente/sumidero abierto de los sistemas hidráulicos, que se asemeja a grifos y cubos.

Velocidad del fluido y resistencia de los metales: Al igual que en las mangueras de agua, la velocidad de deriva de los portadores de carga en los conductores es directamente proporcional a la corriente. Sin embargo, el agua solo experimenta resistencia a través de la superficie interna de las tuberías, mientras que las cargas se ralentizan en todos los puntos dentro de un metal, como cuando el agua se filtra. Además, la velocidad típica de los portadores de carga dentro de un conductor es inferior a centímetros por minuto, y la fricción eléctrica es extremadamente alta. Si las cargas fluyeran tan rápido como el agua en las tuberías, la corriente eléctrica sería inmensa y los conductores se calentarían hasta alcanzar temperaturas incandescentes, pudiendo incluso vaporizarse. Para modelar la resistencia y la velocidad de las cargas en los metales, una tubería rellena de esponja o una pajita estrecha llena de jarabe serían mejores analogías que una tubería de agua de gran diámetro.

Mecánica cuántica : Los conductores y aislantes sólidos contienen cargas en más de un nivel discreto de energía de órbita atómica , mientras que el agua en una región de una tubería solo puede tener un único valor de presión. Por esta razón, no existe una explicación hidráulica para fenómenos comola capacidad de bombeo de carga de una batería , la capa de agotamiento y la caída de voltaje de un diodo,el funcionamiento de las células solares , el efecto Peltier , etc. Sin embargo, se pueden diseñar dispositivos equivalentes que presenten respuestas similares, aunque algunos de los mecanismos solo servirían para regular las curvas de flujo en lugar de contribuir a la función principal del componente.

Para que el modelo sea útil, el lector o estudiante debe tener un conocimiento profundo de los principios del sistema (hidráulico) que lo componen. Además, es necesario que estos principios puedan aplicarse al sistema (eléctrico) de destino. Los sistemas hidráulicos son engañosamente simples: el fenómeno de la cavitación de las bombas es un problema complejo y conocido que pocas personas ajenas a la industria de la energía fluida o el riego comprenden. Para quienes sí lo entienden, la analogía hidráulica resulta curiosa, ya que no existe un equivalente a la "cavitación" en la ingeniería eléctrica. Esta analogía puede generar una comprensión errónea que se pondrá de manifiesto cuando se requiera una descripción detallada de la teoría de los circuitos eléctricos.

También hay que tener en cuenta las dificultades que entraña intentar que una analogía se ajuste completamente a la realidad. El ejemplo anterior de "fricción eléctrica", donde la analogía hidráulica es una tubería rellena de material esponjoso, ilustra el problema: el modelo debe aumentar su complejidad más allá de cualquier escenario realista.

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