04. Máquinas y mecanismos

1. CARACTERÍSTICAS DE LAS MÁQUINAS

• Funcionan con aporte de energía. Puede ser mediante su conexión a la corriente eléctrica, con pilas, quemando algún combustible, usando aire a presión o accionándolas con esfuerzo muscular.
• Transmiten y transforman la energía.
• Producen efectos. Por ejemplo se mueven, se calientan, emiten imágenes y sonidos, deforman materiales, levantan pesos…

Posibles partes de una máquina:

• Estructura. Está constituida por las partes fijas de la máquina sobre las que se apoyan el resto de piezas. Se compone de:
  • La carcasa o chasis. Es el armazón sobre el que la máquina se apoya.
  • Los brazos articulados. Amplían el campo de trabajo de grúas, robots o máquinas de construcción.
  • Las guías y articulaciones que dirigen y delimitan los recorridos de las partes móviles. Por ejemplo, los rodamientos guían el giro de los ejes.
    

    Rodamientos

  • Los amortiguadores, que absorben las vibraciones o movimientos bruscos que experimenta una máquina en su funcionamiento.
• Mecanismos. Partes móviles de una máquina (ruedas dentadas, palancas, poleas, rodillos…). Sirven para transmitir la fuerza y el movimiento que suelen iniciarse en los motores.
• Circuitos. Controlan el flujo de la energía eléctrica o de los fluidos a presión.
  • Eléctricos. Hay cables, interruptores, transformadores, resistencias y motores eléctricos.
  • Electrónicos. Formados por placas de circuito impreso con resistencias, condensadores, transistores y circuitos integrados.
  • De fluidos o hidráulicos. Con tuberías y válvulas reguladoras.

2. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DEL MOVIMIENTO LINEAL

Los mecanismos transmiten movimientos y fuerzas producidas por un elemento motor hasta un elemento receptor.

Los mecanismos de transmisión lineal, a partir del movimiento rectilíneo del elemento motor producen el movimiento rectilíneo del receptor.

Tipos:

• Palanca: es una barra fija que puede girar alrededor de un punto de apoyo o fulcro. En un punto de la barra se aplica una fuerza denominada potencia (P) y en otro se recoge otra fuerza denominada resistencia (R). Las distancias al punto de apoyo se llaman brazo de potencia (Bp) y brazo de resistencia (Br).Cuando la palanca se encuentra en equilibrio se cumple que:P.Bp = R.Br

Clases de palancas:

• De primer género: balancín, tijeras, alicate, tenazas, catapulta… Una fuerza aplicada (potencia) puede ser aumentada o disminuida según la longitud de los brazos.
  

 

 

De segundo género.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

De tercer género.

 

 

 

 

 

 

 

 

Actividades:

En la romana de la izquierda, la distancia al plato desde el punto de apoyo (BR) es 10 cm y la distancia del apoyo al peso es 50 cm. Si queremos levantar una resistencia R de 4kg, calcular el valor de la Potencia P.
Solución: 800 gramos

 

 

 

Una nuez necesita una fuerza de 10 Kg para que se rompa la cáscara. Si el BP es 20 cm y BR de 5 cm, calcular la fuerza que tenemos que aplicar para poder romperla. Solución: 2,5 Kg

 

 

 

 

 

La polea fija

Una polea es una rueda acanalada con un agujero en su centro donde se monta un eje horizontal que soporta todo el peso del mecanismo.

Sólo con una cuerda y una rueda se puede arreglar el cambio de dirección. Se fija la rueda a un soporte y se pasa una cuerda por la rueda hasta alcanzar la carga. Al tirar desde el otro extremo de la cuerda (P), se puede elevar la carga (R) hasta la altura en que se halla fija la polea. El propio peso del cuerpo de la persona que tira se constituye en una ayuda.

En el equilibrio se cumplirá que:

P = R

En la práctica, la fuerza es siempre un poco mayor, ya que tiene que vencer la fuerza de fricción en la rueda de la polea y elevar la carga.

No genera ninguna ventaja en la aplicación de las fuerzas, pero mejora la comodidad, ya que se cambia el sentido de la fuerza a realizar y, además nuestro propio peso ayuda.
Las poleas simples se usan en máquinas en las que se debe cambiar la dirección del movimiento, como por ejemplo un ascensor. Aquí, el movimiento ascendente de la cabina debe estar conectado con el movimiento descendente de un contrapeso. Este tipo de polea también se utiliza para sacar agua de un pozo, o para levantar una carga en una grúa.

Una polea simple es una palanca de primera clase. Sirve únicamente para cambiar de dirección o el sentido de la fuerza, ya que es más fácil ejercerla tirando la cuerda hacia abajo que hacia arriba.

Polea móvil

Es un conjunto formado por una polea fija y otra que puede desplazarse verticalmente, y sobre la cual se aplica la resistencia a mover.

El diagrama de fuerzas muestra que la mitad de la resistencia la soporta la cuerda fija al techo; por lo tanto solo es necesario vencer la otra mitad mediante la polea fija:

F = R/2

Es posible repetir el diseño formando un mecanismo denominado polipasto, con un número par de poleas, la mitad fijas y la otra mitad móviles. En este caso se cumple que:

F = R/2n

siendo n el número de poleas móviles.

3. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DEL MOVIMIENTO CIRCULAR

Sirven para transmitir el movimiento circular de un motor a otras partes de una máquina.

Tipos:

• Poleas de transmisión

Transmiten el movivimiento circular entre dos ejes situados a cierta distancia por medio de una correa que las abraza. Las correas suelen ser cintas de cuero flexibles y resistentes. El movimiento circular comunicado a una de las poleas (polea motriz) se transmite a la otra (polea conducida) a través de la correa. Los elementos de este sistema de transmisión son:

1. La polea motriz: también llamada polea conductora: Es la polea ajustada al eje motor que tiene movimiento propio, causado por un motor, manivela, etc.
2. Polea conducida: Es la polea ajustada en el eje al que deseamos transmitir el movimiento.
3. La correa de transmisión: Es una cinta o tira cerrada de cuero, caucho u otro material flexible que permite la transmisión del movimiento entre ambas poleas. La correa debe mantenerse lo suficientemente tensa pues, de otro modo, al producirse el fenómeno de deslizamiento o resbalamiento de la correa, no cumpliría su cometido satisfactoriamente.

En un sistema de transmisión mediante poleas siempre gira más deprisa la de menor tamaño. Según esto podemos distinguir entre dos conexiones bien diferenciadas:

1. Sistema reductor de velocidad: En este caso, la velocidad de la polea conducida ( o de salida) es menor que la velocidad de la polea motriz (o de entrada). Esto se debe a que la polea conducida es mayor que la polea motriz.

En el siguiente vídeo se puede apreciar un mecanismo reductor de poleas con correa. Observa como la polea motriz es menor que la polea conducida la cual gira a menor velocidad.

Para invertir el sentido de giro de las poleas, que una sea levógira y la otra dextrógira o a la inversa, basta con que crucemos la correa:

 2. Sistema multiplicador de la velocidad: En este caso, la velocidad de la polea conducida es mayor que la velocidad de la polea motriz. Esto se debe a que la polea conducida es menor que la polea motriz.

Los sistemas de poleas con correa presentan una serie de ventajas que hacen que hoy en día sean de uso habitual:

• Posibilidad de transmitir un movimiento circular entre dos ejes situados a grandes distancias entre sí.
• Funcionamiento suave y silencioso.
• Diseño sencillo y costo de fabricación bajo.
• Si el mecanismo se atasca la correa puede desprenderse y, de este modo, se para. Este efecto contribuye a la seguridad probada de muchas máquinas que emplean este mecanismo como pueden ser taladros industriales.

Sin embargo, también este sistema presenta algunos inconvenientes:

• La primera de las ventajas puede ser una desventaja, es decir, este mecanismo ocupa demasiado espacio.
• La correa puede patinar si la velocidad es muy alta con lo cual no se garantiza una transmisión efectiva.
• La potencia que se puede transmitir es limitada.

Aplicaciones: Este mecanismo es esencial en los motores de los automóviles, pues la transmisión circular entre diferentes ejes de los mismos se hacen con correas. Hemos oído hablar multitud de veces de la correa de transmisión (o de distribución) del coche. Pues bien, es esencial para el funcionamiento del ventilador de refrigeración, el alternador,…

Más información

Relación de transmisión:

d1/d2 = n2/n1

Siendo d el diámetro de la polea y n la velocidad de giro en rpm (revoluciones por minuto).

•  Engranajes

Son piezas dentadas que transmiten el movimiento circular entre ejes cercanos por el empujende los dientes de una pieza sobre otra.

Pueden ser:

– Cilíndricos: transmiten el movimiento entre ejes paralelos. Si hay dos únicos engranajes, estos giran en sentido contrario y para invertir el sentido de giro es necesario intercalar un tercer engranaje entre los ejes de transmisión.

las ruedas dentadas giran en sentido contarrio

Tercer engranaje intercalado

 

 

 

 

 

– Cónicos: transmiten el movimiento entre ejes perpendiculares. Los dientes están recortados sobre un cono en vez de sobre un cilindro.

 

 

 

 

– El sistema piñón-corona transmite el movivimento entre ejes perpendiculares.

La relación de transmisión se establece entre el número de dientes de los engranajes (Z1 y Z2 y sus velocidades de giro, n1 y n2 (en rpm):

Z1/Z2 = n2/n1

• Tornillo sin fin

Transmite el movimiento circular entre dos ejes perpendiculares. Consiste en un tornillo montado sobre un eje que engrana con una rueda dentada montada sobre otro eje en ángulo recto.

Cada vuelta del tornillo sin fin hace avanzar un diente en el engranaje, el tornillo es el que hace avanzar a la rueda dentada. Permite transmitir el movivimento entre dos ejes cruzados y es muy útil para obtener movimiento circular de poca velocidad.

 

 

 

 

 

 

 

4 MECANISMOS QUE CAMBIAN EL TIPO DE MOVIMIENTO

• El tornillo o husillo. Es el mecanismo que utiliza el gato que usamos para cambiar la rueda de un coche. Al girar la manivela del gato, el tornillo acerca las tuercas y el coche se eleva.
• El sistema piñón-cremallera. Se utiliza en los funiculares y consta de una ruea con dientes,el piñón, que engrana con una barra dentada entre las vías, la cremallera. El motor hace girar la rueda sobre la barra dentada y obliga al tren a avanzar. el mecanismo es reversible, es decir, la cremallera puede hacer girar al piñón. Se utiliza también en los sacacorchos y direcciones de automóviles.

• La leva. En mecánica, una leva es un elemento mecánico hecho de algún material (madera,metal, plástico, etc.) que va sujeto a un eje y tiene un contorno con forma especial. De este modo, el giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva toque, mueva, empuje o conecte una pieza conocida como seguidor.  Tiene forma de una rueda con un resalte. Al girar la leva, el resalte empuja una pieza guiada, llamada seguidor, que se mueve arriba y abajo durante el tramo con resalte y se para durante el tramo sin resalte. Permite obtener un movimiento alternativo, a partir de uno circular; En resumen:

Tipo de mecanismo: Transformación circular a alternativo.

• • Elemento motriz: Leva, que describe un movimiento circular.
  • Elemento conducido: Seguidor, que describe un movimiento alternativo.

  Este mecanismo se emplea en: motores de automóviles (para la apertura y cierre de las válvulas), programadores de lavadoras (para la apertura y cierre de los circuitos que gobiernan su funcionamiento), carretes de pesca (mecanismo de avance-retroceso del carrete). Un conjunto de levas situado sobre un mismo eje se denomina árbol de levas, en un motor de cuatro tiempos permite la apertura o cierre acompasado de las válvulas de los cilindros.

   

• La excéntrica. Es un disco o leva circular que gira alrededor de un eje no coincidente con su centro. Transforma el movimiento de rotación de la rueda alternativa de la varilla seguidora. El seguidor sube y baja continuamente, pero de manera más suave que con la leva.
• Sistema biela-manivela. Este mecanismo transforma el movimiento circular de una manivela en un movimiento alternativo del pie de una biela, que es una barra rígida,  cuyo extremo está articulado y unido a la manivela.  Este sistema también funciona a la inversa, es decir, transforma el movimiento alternativo de la biela en un movimiento de rotación de la manivela. Se utiliza en motores de combustión interna, máquinas de vapor, máquinas de coser, herramientas mecánicas, etc.

• El cigüeñal. Está formado por varios sistemas biela-manivela en un eje común. Transforma el giro en movimiento de vaivén o viceversa. Es uno de los mecanismos más importantes de los motores de combustión.

 

 

 

 

 

5. ELEMENTOS DE GUÍA Y REGULACIÓN
Los mecanismos que producen el movimiento deben estar montados en la estructura de las máquinas. Para ello empleamos ejes, soportes, articulaciones y guías.

– Los mecanismos giratorios necesitan de un eje que gire apoyado en un soporte.
– Las guías y articulaciones son elementos destinados a dirigir o limitar la trayectoria de piezas móviles.