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Manual del operador de planta química
Corrado Magrí
Autor:
1ª ed.: 2009
ÍNDICE:
ÍNDICE:
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Capítulo 1 – Matemáticas de base …………………………………….
5
Redondeo, Fracciones, Potencias y Raíces, Valor medio y media matemática,
Relaciones, Incidencia %, Proporciones, Formulas y gráficos, Introducción a la
trigonometría, Teorema de Pitágoras.
Capítulo 2 – Física de base …………………………………………….
15
Magnitudes escalares y vectoriales, Errores, Masa, Volumen, Capacidad,
Densidad, Estados de agregación, Cinemática, Estática, Dinámica, Leyes de
Newton, Hidrostática, Principio de Pascal, Vasos comunicantes, Principio de
Arquímedes, Presión atmosférica, Ley de Boyle y Mariote, Hidrodinámica,
Trabajo y energía, Potencia, Energía, Energía Mecánica, Potencial, Cinética,
Principio de conservación de la energía, Máquinas, Calor, Temperatura,
Equivalencia entre trabajo y calor, Calor latente, Calor específico, Propagación
del calor, Medidas de calor, Energía térmica, Temperatura de equilibrio, Efecto
del calor, Dilatación térmica.
Capítulo 3 – Electricidad de base ……………………………………...
69
Electricidad dinámica, Materiales conductores, Materiales aislantes, Circuito
eléctrico, Magnitudes fundamentales, Resistencia - funciones y símbolos,
Conexiones, Ley de Ohm, Caída de tensión, Trabajo, Potencia y energía
eléctrica, Efecto Joule, Fusibles, Condensadores, Conexiones entre
condensadores, Baterías, Conexiones entre baterías, Corriente continua,
Corriente alterna, Conductores y semiconductores, Magnetismo y electromagnetismo, Motor eléctrico, Generador eléctrico.
Capítulo 4 – Química de base ………………………………………….
103
Sustancias puras, Filtración, Decantación, Imantación, Evaporación,
Cristalización, Destilación, Disoluciones, Concentración, Molalidad, Fracción
molar, Molaridad, Normalidad, Solubilidad, Tipo de disoluciones, Estructura
del átomo, Moléculas, Sistema Periódico de los elementos, Regla del octeto,
Enlaces químicos, Valencia química, Termodinámica - Gas perfecto,
Formulación de química inorgánica, Reacciones químicas, hipótesis de
Avogadro; Masa atómica, Masa molecular, Leyes ponderales y volumétricas,
Ecuaciones químicas y ajuste, Aspectos energéticos de las reacciones, Química
del Carbono, Enlaces, Formulación, Clasificación de compuestos, Aplicaciones
de los hidrocarburos, Grupos funcionales, Aminas, Isómeros, Polímeros.
Capítulo 5 – Materiales en las plantas químicas ………………..……. 131
Generalidad sobre los materiales ferrosos, Materiales no ferrosos, Otros
elementos no ferrosos, Materiales no metálicos, Cerámicas y maderas, Plantas
químicas Industriales.
Capítulo 6 – Clasificación de elementos y productos químicos …….
144
Clasificación de los productos químicos, Definiciones específicas, Clasificación
de los residuos, Ficha de datos de seguridad, Etiquetado, Emisión de un
procedimiento, señalización en el transporte, recipientes y tuberías.
Capítulo 7 – Transporte de sólidos ……………………………..…….
169
Transporte discontinuo, Transporte de banda, Carga y descarga de los
transportadores de banda, Transporte horizontal y vertical, Reducción de
tamaño, Sistemas de criba industrial.
Capítulo 8 – Tubos, válvulas y accesorios en las plantas químicas …. 190
Uniones, Acople mixto, Accesorios, Válvulas, Obturadores y asientos, varias
tipologías y funciones de válvulas.
Capítulo 9 – Aparatos fluido dinámicos ……………………..………..
199
Concepto de presión, Teorema de Bernoulli, Régimen y movimiento de los
fluidos, Pérdidas de carga, Bombas cinéticas, Bombas volumétricas,
Compresores y ventiladores, máquinas estáticas y eyectores, Evolución
histórica de la hidráulica, Conceptos generales, ventajas, centrales hidráulicas,
actuadores, válvulas direccionales, de presión, de bloqueo y regulación.
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Capítulo 10 – Almacenamiento de productos sólidos, líquidos y
gaseosos, intercambiadores de calor …………………………………. 235
Tanques abiertos y cerrados, silos, tanque de techo móvil, tanque a presión,
gasómetros, Intercambiadores, Conexiones, Tipos y modelos.
Capítulo 11 – Aplicaciones y tratamiento físico ……………………… 246
Cristalización, Sedimentación, Filtración, Centrifugación, Evaporación,
Destilación, tipología de columnas, Extracción, Absorción , Adsorción, Secado,
Liofilización, Principales operaciones, Reactividad y catálisis, tipo de
catalizadores, tipo de reactores.
Capítulo 12 – Agua, naturaleza, tratamiento y producción de vapor.. 292
Tratamiento del agua, Eutrofización, tipología de aguas, proceso de intercambio
iónico, Análisis del agua, Pre y tratamiento agua de calderas.
Capítulo 13 – Vapor, combustibles, calderas y hornos …...……….
311
Relación entre presión y temperatura, Combustible, Calderas, Hornos.
Capítulo 14 – Tratamiento aire, compresores, refrigeración ………
331
Procesos Linde, Proceso Claude, Propiedad y uso del aire líquido,
Refrigerantes, Producción del frío, sistemas ciclo-frigo, fluidos frigoríficos.
Capítulo 15 – Sistemas de control de procesos, instrumentación ….. 342
Definiciones, instrumentos de medición, Errores, Presión, Calor, Temperatura,
escalas termométricas, Puente de Wheatstone, Sensores, Caudal, Viscosidad,
Densidad, pH, Humedad, Nivel, Control en planta, Componentes control
automático, Regulación Automática, Elementos de control, Actuadores,
dispositivos analógicos y digitales, ALU.
Capítulo 16 – Automatismo eléctrico …..……………………..………. 408
Conceptos generales, simbología, esquema de potencia, de mando, de
emplazamiento, de conexionado, ejemplo práctico.
Capítulo 17 – Autómatas Programables ………………………..……. 427
Conceptos generales, Formas de presentación de un programa, AWL, FUP,
KOP, Etapas, Grafcet, programación y control, ejemplo práctico.
Capítulo 18 – Monitorización de procesos ……………………………. 464
Conceptos generales, Etapas, Alarmas, Programación, Ejemplo práctico.
Capítulo 19 – Tratamientos y procesos inorgánicos …………..…….
478
Derivados del nitrógeno, Los alógenos y sus compuestos, La industria del
fósforo y del boro, La industria del agua oxigenada.
Capítulo 20 – Tratamiento y procesos orgánicos ……………………. 487
El petróleo, Generalidades y extracción, Topping, Vacuum, Cracking.
Capítulo 21 – Sistemas y normas de muestras ………………....…….
502
Toma de muestra, Simplificación datos estadísticos, Conceptos de probabilidad,
Control de productos no conformes y acciones correctivas.
Capítulo 22 – Concepto y control de calidad ………………………..
521
Generalidades, Manual de Calidad, Procedimientos e instrucciones técnicas,
Planes - Registros de calidad, Estructura del Manual, Inspección y ensayo.
Capítulo 23 – Prevención contra incendio y Primeros Auxilios……... 549
Generalidades, Clases de fuego, Prevención, Señalización, Primeros Auxilios,
Respiración artificial, Masaje cardíaco.
Capítulo 24 – Prevención Riesgos Laborales, Planos de emergencia .. 567
Leyes, Generalidades, Riesgos Laborales, EPC, EPI, Planos de emergencia,
Planes de autoprotección.
Capítulo 25 – Sensibilización Medioambiental e incidencia química …... 586
Generalidades, Clima, Viento, Radiación solar, Efecto invernadero, CO2
equivalente, Impacto de la química, Calentamiento global, algunas medidas,
Legislación ambiental en España.
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Introducción:
Estoy seguro que la publicación de este manual es de necesaria ayuda para
todas las personas que quieren conocer más de cerca el mundo de la
química industrial y los problemas que circundan la realidad en las plantas
químicas en general.
Este volumen presenta, de manera didáctica y simple, los fundamentos
básicos de todos los principios y de las tecnologías relacionadas con las
plantas químicas, desde los primeros pasos hasta un discreto nivel de
conocimiento general.
El esfuerzo mayor, mediante figuras, tablas y explicaciones sencillas, ha
sido lograr la manera más simple y comprensible para facilitar
argumentos tan complejos y tan técnicos, sobre todo para quien empieza
sin adecuadas bases.
Creo que los contenidos, los argumentos tratados y el nivel que se puede
alcanzar a conclusión de este manual, podrían equipararse al nivel
obtenido mediante la participación a un clásico curso completo de
formación profesional (600 ÷ 800 horas) del sector; nivel apto para poder
sin dudas operar en cualquier planta química.
Los riesgos que se pueden producir en la conducción de una planta
ejerciendo con baja calidad u operando con conocimientos técnicos
demasiado superficiales, son muy elevados.
En esta realidad no se permiten fallos y las distracciones no están
admitidas porque representan serias amenazas de peligrosidad individual,
colectivas y medioambientales (estos riesgos potenciales tienen un precio
demasiado alto).
Con la esperanza de que la evolución de la conciencia humana y
profesional siga persistiendo en su profunda maduración hacia el
desarrollo del conocimiento y de la aplicación, supongo que se evaluará y
se empezará a tomar acto que es deseo común aquel de vivir en armonía
con nuestro trabajo y con la naturaleza.
Dedico, con mucho amor, esta publicación a Concepción, mujer de mi vida
que continuamente debe soportar el peso de mi demasiada dedicación al
estudio y al perfeccionar más la comunicación formativa en los sistemas
didácticos.
Corrado Magrí
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Capítulo
1
Matemáticas de base
LEYENDA
ICONOS
Informaciones
importantes
Consulta Apéndices
Ejemplos
Imágenes
R
R
edondeo:
Cuando necesitamos reducir las cifras decimales, adoptaremos el
método de redondeo, dependiendo de las cifras decimales útiles; en
este caso si la cifra siguiente a la última cifra útil decimal es menor de 5,
el valor se queda inalterado; si su valor es igual a 5 se deja y si el valor
es mayor de 5 la última cifra decimal se incrementa en una unidad.
Ej.
Si se quiere redondear con una precisión de 4 cifras decimales, el
número 1,414286735 se queda en 1,4143 pero si se quiere redondear con
una precisión de 2 cifras decimales, el número se queda en 1,41.
Actividades, redondear a dos cifras decimales los siguientes números:
• 6,382
• 5,205
• 13,469
• 256,607
• 2,83333.
Metodología:
•
•
Comprobar los resultados es muy importante a fin de evitar arrastrar
errores; una forma muy simple y eficaz de comprobar si el modo de
operar es correcto, es tratar de sustituir las cifras por otras más sencillas
o simplificadas.
Normalmente es conveniente realizar las operaciones dos veces para
comprobar si se obtiene el mismo resultado hallado.
Fracciones
Para identificar el concepto de las fracciones, tomamos como referencia una
unidad “x” y se quiere dividir dicha unidad en diferentes partes iguales, por
ejemplo en 2, 3, 4, etc., así como se representa en las siguientes figuras.
En cada caso tendremos nombres diferentes expresados en números o
relación de números por cada parte dividida que forma la unidad: ...
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Si aplicamos la misma división o fraccionamiento a una unidad de tiempo
(1 hora), tendremos respectivamente:
• 1/1 hora = 60 min. ;
• ½ hora = 30 min. ;
• 1/3 hora = 20 min. ;
• ¼ hora = 15 min. .
• La relación entre la unidad y la cantidad parcial de la unidad,
expresa una fracción, indicando exactamente cuántas partes se
toman con respecto al número de partes divididas.
•
Si se sigue incrementando la división de la unidad de referencia
tendremos respectivamente :
1
1
1
--- = 1 quinto; --- = 1 sexto; --- = 1 séptimo;
5
6
7
1
1
1
--- = 1 octavo; --- = 1 noveno; ---- = 1 décimo.
8
9
10
Etc.
Cada par de números así ordenados recibe el nombre de fracción;
otros ejemplos, :
1
3
8
--- , --- , --- etc.
5
8
9
• Una fracción es todo par de números a y b, escritos en la forma
a/b, de tal forma que el segundo número (b) indica el número de
partes iguales en que se divide un todo (unidad ), y el primero (a)
señala el número de partes que se toman.
• Estos números se denominan respectivamente
a = numerador, b = denominador
• Se llaman fracciones equivalentes todas las fracciones que tienen el
mismo resultado o la misma proporcionalidad, ej. 1/2 = 2/4, ambas
tendrán el mismo resultado de 0,5 es decir que multiplicando o
dividiendo ambos números (a y b) por el mismo número, la
proporcionalidad no cambia.
• Mediante esta propiedad se pueden simplificar las fracciones.
Operaciones con fracciones
(Suma):
a
c
axd
bxc
axd+bxc
--- + --- = --------- + ---------- = ------------------b
d
bxd
bxd
bxd
(Resta):
a
c
axd
bxc
axd-bxc
--- - --- = --------- - ---------- = ------------------b
d
bxd
bxd
bxd
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(Multiplicación):
a
--- x
b
(División):
a
c
--- : --- =
b
d
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c
axc
--- = --------d
bxd
a
d
axd
--- x --- = --------b
c
bxc
Fracciones y concepto de número decimal
• Las fracciones 1/10,
1/100,
1/1.000, etc. se llaman
respectivamente: una décima, una centésima, una milésima, etc.;
todas estas fracciones se llaman unidades decimales y se expresan
respectivamente: 0,1; 0,01; 0,001 etc.
• Si queremos escribir 7 unidades y 4 décimas, lo expresaremos: 7 +
4/10 = 7,4
Así como en el caso de 7 unidades y 4 centésimas, escribiremos:
7 + 4/100 = 7,04
Conversión de fracción en número decimal
Para encontrar la expresión decimal de una fracción, sólo necesitaremos
dividir el numerador por el denominador, por ejemplo la fracción de 4/5 en
número decimal es 0,8 y de esta expresión se puede deducir que 4/5 es una
fracción equivalente a 8/10 (4/5 * 2 = 8/10).
Conversión de número decimal en fracción
Para poder desarrollar esta conversión, tenemos tres casos:
1) número decimal exacto, ej. 1,275 = 1.275/1000 que simplificado por 25
queda: 51/40 (es decir, se divide por la unidad seguida de tantos
ceros por cada cifra decimal);
2) número decimal periódico puro, 2,7 = (27 – 2) /9 = 25/9
9,43 = (943 – 9) / 99 = 934/99
(es decir se divide por tantos 9 por cada cifra periódica)
3) número decimal periódico mixto, 1,476 = (1476 – 147) / 900
= 1.329/900 = 443/300
3,3251 = (33.251 – 332) / 9.900
= 32.919/9.900
(es decir, se divide por tantos 9 por cada cifra periódica, añadiendo
tantos ceros por cada cifra decimal).
Potencias y Raíces
La potencia se representa con un número entero y positivo como base y un
exponente que indica el número de veces por lo que la base debe ser
multiplicada por sí misma.
El exponente, generalmente puesto arriba y a la derecha del número o base
de la expresión, como por x2 que equivale a (x * x); análogamente:
(x + y)3, expresa el producto de:
(x + y)*(x + y)*(x + y);
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En los cálculos los exponentes deberán ser sumados, restados,
multiplicados o divididos según determinadas leyes que expresan las
propiedades de las potencias.
23=8; 72 = 49; 153= 3.375; 33= 27; etc.
El opuesto de una potencia es la raíz donde el resultado, dependiendo
del exponente, es un número que multiplicado por sí mismo un número
de veces igual al exponente, produce la base de la raíz.
El único caso en el que el exponente no se pone es en todas las raíces
cuadradas.
√2 = 1,4142.. ; √3 = 1,7320...;
3
√8 = 2; 3√3.375 = 15; 3√27 = 3 etc.
Valor Medio
El valor medio se obtiene sumando respectivamente los datos del valor más
alto y del valor más bajo, después dividiendo la suma obtenida por dos, así
como en la siguiente fórmula:
Val máx. + Val. mín.
Vmed. = -----------------------------2
Mayor precisión se puede obtener con la media matemática que se calcula
sumando todos los valores disponibles y dividiendo por el número de
valores (como número de valores se entienden todas las veces que se suma):
v1 + v2 + v3 + vn ...
Media matemática = ------------------------nº valores
Actividad:
Las variaciones térmicas ambientales registradas a lo largo de un día, nos
dan los siguientes valores; calcular:
1) el valor medio de la temperatura,
2) el valor de la media matemática,
3) la diferencia entre los dos valores hallados:
Datos:
0,00h 12,5ºC
1,00h 12,0ºC
2,00h 11,0ºC
3,00h 8,8ºC
4,00h 9,2ºC
5,00h 9,7ºC
6,00h 10,8ºC
7,00h 12,6ºC
8,00h 13,2ºC
9,00h 14,5ºC
10,00h 15,7ºC 11,00h 17,3ºC
12,00h 18,8ºC
13,00h 20,3ºC
14,00h 21,0ºC
15,00h 20,8ºC
16,00h 19,2ºC
17,00h 18,1ºC
18,00h 17,2ºC
19,00h 15,9ºC
20,00h 14,7ºC
21,00h 13,9ºC
22,00h 12,8ºC
23,00h 12,4ºC
Solución:
Valor medio: ................................................................................. 14,9 ºC
Valor media matemática: ............................................................. 14,68ºC
∆Valor: ......................................................................................... 0,22ºC
∆T: …........................................................................................... 12,2 ºC
incid.% ( E ): ............................................................................... 1,8 %
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variación térmica ambiental
25
20
15
ºC
10
5
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
h
Relaciones
La expresión en tanto % de un número manifiesta a cuanta cantidad
porcentual se refiere con respecto al total, siendo el total de la unidad en
examen el 100%
Las precedentes fracciones: 1/1 , ½ , 1/3, ¼, etc. se podrán expresar así
como en números decimales, también en tanto % :
1
1
--- = 1 = 100 %;
--- = 0,5 = 50%;
1
2
1
---- = 0,33 = 33,3 %;
3
1
--- = 0,25 = 25%
4
Etc.
Los cálculos del tanto % pueden aplicarse en tres casos:
1. calcular la cantidad en tanto %
2. incrementar un tanto %
3. descontar un tanto %
1º caso
Se multiplica la cantidad unitaria por el tanto % y el resultado se divide
entre 100, también se puede realizar una sola operación si se multiplica la
cantidad unitaria por el % expresado en decimales.
•
Si la cantidad unitaria de referencia es 780 el
45% de esta cantidad se calculará:
780 x 45
--------------- = 351;
100
También el 45% corresponde a 0,45 por lo tanto 780 x 0,45 = 351
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2ºcaso
Para incrementar la unidad un tanto % se procederá expresando el % en
números decimales y sumándolos a la unidad; multiplicando la unidad
por el número obtenido, la unidad se incrementará del tanto % deseado.
Si deseamos incrementar nuestra producción de gas de 1.500 m3/h al
27%, primero expresaremos el 27% en decimales 0,27 después
añadiremos los decimales a la unidad, obteniendo el número de 1,27 por
fin multiplicaremos este número obtenido por la unidad de referencia
1.500; es decir (1.500 x 1,27), el resultado será de 1.905 m3/h.
3er caso
Para descontar la unidad de un tanto % se procederá expresando el % en
números decimales y sumándolos a la unidad; dividiendo la unidad por
el número obtenido, la unidad se descontará del tanto % deseado.
Si deseamos descontar el 30% del precio de compra de una moto de
4.500€, primero expresaremos el 30% en decimales 0,3 después
añadiremos los decimales a la unidad, obteniendo el número de 1,3 por
fin dividiremos este número obtenido por la unidad de referencia 4.500;
es decir (4.500:1,3), el resultado será de 3.461,54€
La incidencia %
Representa la cantidad de un número que incide sobre la unidad de
referencia, normalmente se expresa en %.
1 - Para calcular el % de una potencia producida por un motor de
1000W nominales que consume 530W, se procede:
530W
(-------------) x 100 = 53%
1.000W
2 - En una investigación comercial se ha descubierto que sobre 10
millones de personas sólo 957.250 prefieren fumar puros; ¿qué
incidencia representa esta cantidad de personas?
(957.250 / 10.000.000) * 100 = 9,57%
Proporciones
Mediante la relación entre dos fracciones su puede calcular la
proporcionalidad de los factores que las componen, de tal manera se puede
calcular un factor desconocido que tiene como referencia otros factores
conocidos.
: Si un coche consume aproximadamente 8 litros de carburante para
realizar un recorrido mixto de 100 km, cómo podemos saber: ¿cuánto
carburante necesitamos para un viaje de 3.000 km?
La proporcionalidad de dos parámetros y las condiciones que deseamos
simular, mediante los principios de proporcionalidad nos permiten descubrir
el valor de la incógnita:
100 Km
------------- = 12,5
8 litros
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también
10
3.000 Km
--------------- = 12,5
x litros
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Si invertimos los factores, la proporcionalidad no cambia por lo tanto la
misma operación se puede expresar en la siguiente:
8 litros
------------ = 0,08
100 Km
también
x litros
--------------- = 0,08
3.000 Km
En ambos casos la respuesta es 240 litros; todas las proporciones se pueden
expresar:
a : b = c : d . donde los elementos a y d representan los
elementos extremos y los elementos b y c representan los elementos medios
en el caso que nos falte un medio, como valor desconocido x se
multiplicarán los extremos y el resultado se dividirá por el medio conocido:
c = (a x d) / b; b = (a x b) / c
En el caso que nos falte un extremo, como valor incógnito x se
multiplicarán los medios y el resultado se dividirá por el extremo conocido:
a = (b x c) / d; d = (b x c) / a
Actividades:…
Fórmulas y Gráficos
Para seguir de manera sencilla datos, tendencias, diferencias y valores en
general se suelen representar gráficamente de manera simple y así obtener
una rápida visualización.
Una manera cómoda de representar gráficamente datos y valores, son los
ejes cartesianos.
Las variables representadas en los ejes x o y pueden cambiar dependiendo
de lo que se quiere representar, así como las escalas, dependiendo de los
valores a representar:
•
El eje x o de las abscisas, siempre será horizontal, así como el eje y o
de las ordenadas, siempre será vertical.
•
En un plano bidimensional, como los ejes cartesianos, las
coordenadas de un punto P expresarán siempre un par de números
donde el primer número se refiere a los valores del eje “x” y el
segundo se refiere a los valores del eje “y”.
La pareja de números que expresan un punto, se llama coordenadas
y se indican: P ( x, y )
El valor “0” del punto 0(0,0), llamado también punto de origen “0”
representa la referencia donde empiezan respectivamente los ejes.
Antes de las coordenadas 0,0 tendremos valores negativos y después
tendremos valores positivos.
•
•
•
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Actividades:…
Realizar las gráficas de todos los datos tratados.
Introducción a la trigonometría
•
•
En matemáticas las expresiones trigonométricas con las que se
indican las cuatro funciones fundamentales son:
seno, coseno, tangente, cotangente.
Las funciones trigonométricas son definidas sobre una
circunferencia de rayo unitario centrada en el origen de un sistema
de ejes cartesianos (circunferencia trigonométrica):
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La variable independiente “x” de las funciones trigonométricas es el ángulo
al centro incluido entre un rayo de la circunferencia, denominado rayo
vector y el semieje positivo de las abscisas.
Son considerados positivos todos los ángulos conseguidos por la rotación en
sentido anti-horario del rayo vector, a partir de la posición del ángulo nulo,
correspondiente a aquel en que el rayo vector coincide con el semieje
positivo de las abscisas; en cambio son negativos aquéllos obtenidos por
rotación en sentido horario.
Suponemos que θ sea uno de los ángulos agudos de un triángulo
rectángulo, como se muestra en la siguiente figura y su cumbre A está
puesto en el origen de los ejes, el lado AC a lo largo del semieje
positivo de las x y la cumbre B coincidente con el punto P, de modo
que:
AB resulta = AP = r.
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Entonces, aplicando las definiciones anteriores, se consiguen las
relaciones sen θ = y/r = a/c; en general vale:
Teorema de Pitágoras
En un triángulo rectángulo, el área del cuadrado construido sobre la
hipotenusa es igual a la suma de los cuadrados construidos sobre los dos
catetos:
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