El progreso de la humanidad exige la ejecución de múltiples trabajos que una persona, solo con el uso de las manos, jamás podría llevar a cabo. Pero el Homo Sapiens sabe usar su inteligencia y capacidad de reflexión para idear medios y métodos para hacer posible o más fáciles y cómodos los trabajos que le exige su propio progreso.
Las herramientas han ido evolucionando, a lo largo del tiempo, desde las primitivas hachas, cuchillos, buriles y raspadores hasta las máquinas modernas y sofisticadas que nos rodean por todas partes, aunque muchas veces no nos percatemos siquiera de su existencia: máquinas de afeitar, de taladrar, de cortar césped, ascensores, automóviles, etc.
El estudio de las características de estas máquinas, sus tipos, las partes de las que están compuestas y los elementos que tiene en común son el objeto de esta tema.
2.- Mecanismos, Máquinas y Ventaja Mecánica
Antes de empezar a desgranar los detalles de las estructuras y funcionamientos de los distintos mecanismos, conviene fijar una serie de conceptos a saber:
- Un Mecanismo es un conjunto de elementos, normalmente rígidos, que están conectados entre sí por medio de articulaciones móviles y cuya misión es transformar una velocidad en otra velocidad, una fuerza en otra fuerza, una trayectoria en otra trayectoria o un tipo de energía en otro tipo de energía.
- Un Sistema Mecánico o Máquina es una combinación de mecanismos que transforman velocidades, fuerzas, trayectorias o energías mediante una serie de transformaciones intermedias.
- La Ventaja Mecánica viene a ser el trabajo que la máquina hace por nosotros y que es, al fin y al cabo, el factor que justifica el diseño y fabricación de las máquinas ca partir de sus respectivos mecanismos. Para realizar grandes trabajos necesitaremos máquinas que nos aporten grandes ventajas mecánicas.
Si aplicamos estos conceptos por ejemplo a un automóvil, quizá una de los hitos tecnológicos más importantes en la vida diaria del Ser Humano moderno, podemos explicar que el coche es una máquina compuesta por diferentes mecanismos, tales como el sistema de frenado o aceleración (transformación de velocidad), el sistema transmisor de los pedales de frenado y aceleración (transformación de fuerza), el motor (transformación de energía), o el volante y la dirección (transformación de trayectoria). La Ventaja Mecánica del coche sería la diferencia entre la energía consumida por el vehículo en un desplazamiento y la que emplearíamos sin dicho vehículo en el mismo desplazamiento.
Podemos distinguir hasta cuatro tipos de mecanismos a saber:
Podemos distinguir hasta cuatro tipos de mecanismos a saber:
- Mecanismos que transforman movimientos rectilíneos en otros movimientos rectilíneos.
- Mecanismos que transforman movimientos de rotación en otros movimientos de rotación.
- Mecanismos que transforman movimientos de rotación en movimientos rectilíneos.
- Mecanismos que transforman movimientos rectilíneos en movimientos de rotación.
3.1.- Plano Inclinado o Rampa
- La rampa nos va a permitir subir o bajar objetos con mayor facilidad y menor esfuerzo, por deslizamiento. Aunque el trabajo sea el mismo en ambos casos, si quisiéramos subir el objeto directamente por el lado vertical tendríamos que hacer mucho más esfuerzo.
- Aplicando la Ley de Equilibrio de las máquinas simples, tenemos que en la vertical Fv = R · H y en el plano Fp = R · L. Si, por ejemplo, L = 2H, entonces Fp = Fv/2.
- Esto quiere decir que el trabajo a realizar en el plano inclinado es tanto menor de manera proporcional a la diferencia entre la longitud L del plano y la altura H a elevar el peso.
3.2.- Cuña
- Cuanto más agudo sea el ángulo del prisma mayor fuerza se realizará con la cuña
- Cuanto mayor sea la longitud de la cuña, menor será la fuerza de penetración necesaria para superar la resistencia lateral.
- Las cuñas se utilizan en los barcos cortahielos, hachas, cortafríos, cuchillos, cinceles o arados.
3.3.- Palancas
Partes de la Palanca: La Palanca es uno de los primeros utensilios empleados por los seres humanos para mover grandes cuerpos utilizando menor esfuerzo. Es una máquina simple que consiste en una barra rígida que puede oscilar sobre un eje o puto de apoyo también llamado Fulcro. En una parte de esa palanca se situará la Resistencia que deseamos mover aplicando para ello una Fuerza o Potencia en otro punto de la palanca. La distancia entre el punto de aplicación de la fuerza y el fulcro se denomina Brazo de Fuerza, mientras la distancia entre la resistencia y el fulcro se denomina Brazo de Resistencia.
Ley de la Palanca: El funcionamiento de esta máquina simple se rige por una sencilla ecuación de equilibrio y proporcionalidad matemática, según la cual "El valor de la Fuerza empleada multiplicada por el Brazo de Fuerza es igual al valor de la Resistencia que queremos vencer multiplicado por el Brazo de Resistencia": F · BF = R · BR
Tipos de Palancas: Según la disposición en la barra de los tres elementos principales de la palanca (Fuerza, Punto de Apoyo y Resistencia) podemos hablar de palancas de Primer Grado (punto de apoyo en el medio), Segundo Grado (resistencia en el medio) o Tercer Grado (fuerza en el medio). Hay que aclarar que cuando hablamos de esta en el "medio" no estamos hablando necesariamente del "centro" de la barra.
Funcionamiento: Al realizar una fuerza en uno de los extremos de la palanca para hacerla bajar, el otro extremo tiende a subir, lo que quiere decir que el mecanismo sirve para transmitir movimiento y transformar un desplazamiento rectilíneo en otro tipo de movimiento rectilíneo. También nos sirve para obtener una gran ganancia mecánica pues realizando un pequeño esfuerzo sobre uno de los extremos podemos mover un gran peso situado en el otro extremo.
Funcionamiento: Al realizar una fuerza en uno de los extremos de la palanca para hacerla bajar, el otro extremo tiende a subir, lo que quiere decir que el mecanismo sirve para transmitir movimiento y transformar un desplazamiento rectilíneo en otro tipo de movimiento rectilíneo. También nos sirve para obtener una gran ganancia mecánica pues realizando un pequeño esfuerzo sobre uno de los extremos podemos mover un gran peso situado en el otro extremo.
- En virtud de la Ley de la Palanca ya mencionada, esta fuerza tendrá que ser tanto menor cuanto mayor sea la distancia entre el punto donde realizamos la fuerza y el punto de apoyo. F = R · BR / BF
- Este principio llevó a Arquímedes, gran sabio de la antigüedad a pronunciar su célebre frase que habla bien a las claras de la extraordinaria ventaja mecánica que presenta este ingenio:"Dadme un punto de apoyo y yo moveré el Mundo". De hecho, matemáticamente se demuestra que una hormiga de 1 gr. de peso, situada en un extremo de una barra fija ideal puede levantar a un elefante de 300 kilos situado al otro extremo de la barra situando el punto de apoyo en el punto adecuado.
3.4.- Poleas y Polipastos
Partes de la Polea: La Polea es una máquina simple consistente en un disco que puede girar alrededor de un eje perpendicular a dicho disco. Este disco dispone de un borde acanalado por el cual se hace pasar una cuerda, un cable o una correa.
Funcionamiento: Si tiramos con una determinada Fuerza de uno de los extremos de la cuerda hacia abajo, hacemos que la polea gire y que el otro extremo de la cuerda suba, con lo que podemos levantar objetos de cierto Peso. Así, tenemos un mecanismo que transforma un movimiento lineal en otro movimiento lineal distinto, cambiando el sentido.
Tipos de Poleas: Dependiendo de cómo esté colocada la polea y de cuántas poleas tengamos unidas entre sí, podemos hablar de Polea Fija, Polea Móvil o de Polipastos.
La Polea Fija:
Funcionamiento: Si tiramos con una determinada Fuerza de uno de los extremos de la cuerda hacia abajo, hacemos que la polea gire y que el otro extremo de la cuerda suba, con lo que podemos levantar objetos de cierto Peso. Así, tenemos un mecanismo que transforma un movimiento lineal en otro movimiento lineal distinto, cambiando el sentido.
Tipos de Poleas: Dependiendo de cómo esté colocada la polea y de cuántas poleas tengamos unidas entre sí, podemos hablar de Polea Fija, Polea Móvil o de Polipastos.
La Polea Fija:
- La polea está sujeta a un soporte. El eje le permitirá girar cuando tiremos de la cuerda con una Fuerza F mientras en el otro extremos estará el peso a Resistencia R.
- Aplicando la Ley e la Palanca a una polea de Radio r, tenemos que: F · r = R · r.
- En definitiva F = R. Lo que quiere decir que con la Polea Fija en realidad no estamos ahorrando esfuerzo, y no obtenemos Ventaja Mecánica.
- Sin embargo, el uso de la polea fija se justifica porque es más fácil arrastrar un peso hacia abajo que tirar del peso hacia arriba, como todos podemos comprobar de manera intuitiva.
- La Polea Móvil es un dispositivo que consta de dos poleas. de las cuales hay una fija sujeta a un soporte y otra móvil conectada a la primera mediante una cuerda. Cuando tiremos hacia abajo de un extremo con una Fuerza F subimos la Resistencia R que cuelga de la polea móvil.
- La cuerda baja una distancia H y sube una distancia H/2
- Aplicando la Ley de Equilibrio de las máquinas simples, tenemos que: F · H = R · (H/2)
- En definitiva F = R/2. Lo que quiere decir que con la Polea Móvil estamos haciendo la mitad del esfuerzo que tendríamos que hacer sin ella.
- Un Polipasto es un conjunto de varios dispositivos de poleas, la mitad fijas y la otra mitad móviles, por cuyas acanaladuras pasa una única cuerda, cable o correa.
- Aplicando la ley de Equilibrio de las máquinas simples, tenemos que para un número n de poleas móviles: F = R / (2·n)
4.- Mecanismos que Transforman Movimientos de Rotación en otra Rotación
4.1.- Ruedas de Fricción
- Los Ruedas de Fricción son sistemas mecánicos de dos o mas ruedas que están en contacto entre si, transmitiéndose de esta forma movimiento unas a las otras.
- Los sentidos de giro de dos ruedas en contacto siempre son contrarios. En el caso de que haya más de dos, los sentidos de giro van cambiando alternativamente.
- En un sistema así, la rueda que se mueve está conectada al motor y se llama Rueda Motriz o Rueda Conductora, y las que son movida se llaman Ruedas Conducidas, y en ella se encontrará la resistencia que queremos vencer.
- Ley de Transmisión: Si la rueda 1 es de radio R1 (cm) y gira a la velocidad angular W1 (rpm), mientras la rueda 2 de radio R2 gira a la velocidad angular W2 entonces: W1 · R1 = W2 · R2
- Si, por ejemplo la rueda 1 es el doble de grande que la rueda 2, entonces la rueda 2 gira el doble de rápido que la rueda 1.
- Esta ley nos indica que si la rueda Conductora es más grande que la rueda Conducida, entonces estamos disminuyendo la fuerza y aumentando la velocidad, y por eso el sistema es una Multiplicadora. Si la rueda Conductora es más pequeña que la rueda Conducida entonces estamos aumentando la fuerza y disminuyendo la velocidad y el sistema es una Reductora.
- Relación de Transmisión: W1/ W2 = R2 / R1
4.2.- Ruedas Dentadas y Engranajes
- Los Engranajes son ruedas con unos salientes denominados dientes, por lo que también a estas ruedas se las denomina Ruedas Dentadas.
- El engranaje que inicia el movimiento se denomina Engranaje Motriz, Engranaje Conductor o Engranaje de Entrada, mientras que el que termina la transmisión se llama Engranaje de Salida o Engranaje Conducido.
- De la misma manera que las ruedas de fricción, dos engranajes en contacto directo siempre girarán en sentidos contrarios.
- La gran diferencia de el sistema de engranajes respecto a las ruedas de fricción es que, debido al encaje de los dientes, los primeros pueden transmitir mayores potencias sin riesgo de que se produzcan deslizamietos y falta de eficacia en la transmisión.
- Ley de Transmisión: Si el engranaje 1 tiene Z1 dientes y gira a la velocidad angular W1 (rpm), mientras el engranaje 2 de Z2 dientes gira a la velocidad angular W2 entonces: W1 · Z1 = W2 · Z2
- Si, por ejemplo el engranaje 1 tiene el doble de dientes que el engranaje 2, entonces el engranaje 2 gira el doble de rápido que el engranaje 1.
- Como ocurre con las ruedas de fricción si el engranaje Conductor es más grande que el engranaje Conducido, entonces estamos disminuyendo la fuerza y aumentando la velocidad, y por eso el sistema es una Multiplicadora. Si el engranaje Conductor es más pequeño que el Conducido entonces estamos aumentando la fuerza y disminuyendo la velocidad y el sistema es una Reductora.
- Relación de Transmisión: W1/ W2 = Z2 / Z1
4.3.- Transmisión por Correa
4.4.- Transmisión por Cadena
- La Transmisión por Correa se usa para transmitir movimientos entre dos o mas poleas cuyos ejes que estén alejados entre si y no permita contacto directo entre las poleas o discos.
- El elemento de arrastre que se utiliza para transmitir el movimiento entre dos poleas se llama Correa de Transmisión.
- Según montemos la correa de transmisión, podemos hacer que las dos poleas giren en el mismo sentido (correa recta) o en sentido opuesto (correa cruzada).
- La diferencia de diámetros entre ambas ruedas no debe ser muy grande, porque ello podría dar problemas de arrastre.
- Este mecanismo tiene exactamente las mismas características que el mecanismo de Ruedas de Fricción antes visto en cuanto a Ruedas Conductoras y Ruedas Conducidas, Ley de Transmisión y Relación de Transmisión, por lo que no las vamos a ver otra vez.
- Sistemas Múltiples de Transmisión: Consiste en combinar más de dos ruedas o poleas de manera sucesiva para así conseguir grandes cambios de velocidad y de fuerza, muy difíciles de alcanzar con una sola transmisión.
- La Transmisión por Cadena se usa para transmitir movimiento entre dos ruedas dentadas cuyos ejes están alejados entre si y sin contacto directo.
- El elemento de arrastre que se utiliza para transmitir el movimiento entre los engranajes es una Cadena.
- Las cadenas no se pueden cruzar, de manera que ambos engranajes siempre girarán en el mismo sentido.
- Este es el mecanismo con el cual funciona la transmisión desde el plato de una bicicleta a los piñones de la rueda trasera y permiten el avance del vehículo con cada golpe de pedal del ciclista.
- Este mecanismo tiene exactamente las mismas características que el mecanismo de engranajes antes visto en lo referente a los distintos elementos Conductores y Conducidos, Ley de Transmisión y Relación de Transmisión, por lo que no las vamos a ver otra vez.
4.5.- Cruz de Malta
- La Cruz de Malta es un tipo de mecanismo que transforma un movimiento de rotación continua en una rotación alternativa.
- Está compuesto por dos ruedas, una de las cuales, denominada Cruz de Ginebra, posee una serie de ranuras mientras la otra tiene un saliente a modo de rodillo que actúa como Manivela.
- Cada vez que la manivela da una vuelta completa el saliente encaja en un hueco de la cruz de Ginebra y la hace avanzar una fracción de rueda. Así, para que la rueda de Ginebra complete una vuelta, es necesario que la manivela de tantas vueltas como huecos tenga la cruz.
4.6.- Leva-Seguidor Oscilante
- Una lleva es un elemento impulsor que sirve para transmitir movimiento a otro eslabón seguidor mediante contacto directo.
- La leva realiza un movimiento de rotación continua y el eslabón seguidor podrá realizar un movimiento lineal alternativo o de rotación alternativo, que es el caso que nos ocupa.
- En función del movimiento del eslabón oscilante podemos hablar de cuatro tramos a saber: Subida (el eslabón seguidor sube), Detención (el eslabón seguidor se mantiene arriba), Retorno (el eslabón seguidor baja) y Posición Inicial (el seguidor está en reposo en la parte más baja de su recorrido).
- El seguidor debe estar en permanente contacto con la leva impulsora, y lo hará por gravedad o bien con la ayuda de un muelle
- Cuando el elemento seguidor realiza un movimiento circular u oscilante, tenemos que el sistema está transformando un movimiento circular en otro movimiento circular.
5.- Mecanismos que Transforman Movimientos de Rotación en Movimientos Rectilíneos
5.1.- Leva-Seguidor Lineal
- Este mecanismo difiere del de Leva-Seguidor oscilante en que el elemento seguidor no describe un movimiento circular, sino lineal de ascenso y bajada. Así, transformamos una rotación en un movimiento lineal.
- El punto más alto alcanzado por el seguidor lineal se denomina Elevación.
5.2.- Mecanismo Tornillo-Tuerca
- El mecanismo Tornillo-Tuerca consiste en un cilindro provisto de una rosca exterior y una tuerca o cilindro hueco con rosca interior, de manera que el tornillo hace rosca perfecta en el tornillo.
- Si el tornillo permanece en una posición fija mientras se le hace girar, entonces la tuerca tendrá que avanzar o retroceder a lo largo del tornillo.
- Aquí transformamos una rotación en una traslación.
- La velocidad de avance o retroceso de la tuerca estará relacionada con la velocidad de giro del tornillo y la distancia entre dos filetes consecutivos (paso) de la rosca.
- Se denominará avance a la distancia lineal que recorre la tuerca cuando el tornillo da una vuelta completa.
5.3.- Mecanismo Piñón-Cremallera
- El sistema Piñón-Cremallera consiste en una rueda dentada que engrana con una barra que también tiene dientes, como se ve en el dibujo.
- Hay dos maneras de producir el movimiento, en función de si la parte motriz del sistema es el piñón o de si es la cremallera.
- Si el piñón actúa de motriz, al girar en sentido horario desplazará la cremallera de derecha a izquierda, mientras que si gira en sentido anti-horario entonces desplazará la cremallera de izquierda a derecha. Aquí, un movimiento circular se transforma en rectilíneo.
- Si el que actúa de motor es la cremallera, el piñón girara en sentido horario o antihorario en función de si la barra se desplaza de derecha a izquierda o de izquierda a derecha. Aquí, un movimiento rectilíneo se transformará en circular.
- Este sistema se emplea en el popular sacacorchos de brazos o en la llave inglesa.
5.4.- Torno
- El Torno es una máquina simple formada por un tambor, muy parecido a una polea, con una cuerda y una manivela, que se usa para levantar cargas hasta la altura del tambor. Estamos transformando un movimiento de rotación en otro de traslación.
- Cuando se gira la manivela a favor de las agujas del reloj, la cuerda se enrolla en torno al tambor y el peso situado al otro extremo sube. De igual manera, al girar la manivela en contra de las agujas del reloj la cuerda se desenrolla y el peso situado al otro extremo baja.
- Esta máquina funciona por el principio de la Ley de la Palanca, por lo que cuanto mas grande es la manivela, mayor será el brazo de fuerzo y -por tanto- más pequeña será la fuerza necesaria para elevar el peso.
6.1.- Mecanismo Biela-Manivela
- El mecanismo Biela-Manivela está formado por un disco de radio R que gira en torno a un eje central, la Manivela, y que está conectado en uno de sus borde a una barra de longitud L denominada Biela que sigue el movimiento de rotación de la manivela y transmite un movimiento rectilíneo de vaivén a un pistón situado en el otro extremo
- En el movimiento del mecanismo diferenciamos el Punto Muerto Inferior (momento en el que el émbolo está a la menor distancia posible del eje de rotación de la biela L-R y el Punto Muerto Superior (momento en el que el émbolo está a la mayor distancia posible del eje de rotación de la biela L+R).
- Este mecanismo es el usado en los pistones de los motores de propulsión de los coches. coincidiendo el punto muerto superior con el final de la etapa de expansión el punto muerto inferior con el final de la etapa de compresión.
