CONTENIDOS: Máquinas

Indice
1.- Antecedentes históricos | 4.4.- Ruedas dentadas y cadena
1.1.- Las 5 grandes máquinas simples | 5.- Mecanismos de transformación de movimiento
2.- Las palancas | 5.1.- Tornillo o husillo
2.1.- Ecuación de equilibrio de las palancas | 5.2.- Piñón-cremallera
3.- Las poleas | 5.3.- Levas
4.- Mecanismos de transmisión de movimiento | 5.4.- Excéntricas
4.1.- Poleas de transmisión | 5.5.- Biela-manivela
4.2.- Engranajes (ruedas dentadas) | 5.6.- Cigüeñal
4.3.- Tornillo sinfín-corona | 6.- Recursos utilizados

1.- Antecedentes históricos.

Desde siempre hemos intentado mejorar nuestra calidad de vida y acceder a nuevas cuotas de confort, por lo que durante nuestra evolución se fueron investigando formas y utensilios para disminuir el esfuerzo físico. No se sabe con exactitud en qué momento el ser humano comienza a utilizar las primeras máquinas simples, aunque se piensa que ya en el Paleolítico se conocían operadores tales como el plano inclinado, la cuña y la palanca. Estas tres máquinas, junto con el tornillo y la rueda (inventados tiempo después), constituyen lo que los griegos llamaron posteriormente “las cinco grandes”.

1.1.- Las 5 grandes máquinas simples.
Los griegos denominaban “las cinco grandes” a las siguientes máquinas simples: la cuña, el plano inclinado, la palanca, la rueda y el tornillo.

Cuña | Plano inclinado | Palanca | Rueda | Tornillo

1.- Cuña. Es un plano inclinado doble. La fuerza que se aplica perpendicular a la base se transmite multiplicada en dos fuerzas perpendiculares a las caras de la cuña. Muchas herramientas tienen esta forma (formones, hachas, etc).

2.- Plano inclinado. Permite reducir el esfuerzo que sería necesario realizar para subir una carga desde un punto hasta otro de mayor elevación. A menor pendiente menor esfuerzo, pero mayor distancia a recorrer.

3.- Palanca. Es una máquina simple que con toda seguridad fue empleada por el ser humano desde el Paleolítico para realizar multitud de trabajos y tareas.

4.- Rueda. Máquina simple de la que no se sabe a ciencia cierta sus orígenes (posiblemente Mesopotamia hace 5500 años). Puede transformar el movimiento circular en lineal y constituye parte fundamental en otras máquinas más complejas.

5.- Tornillo. Es un plano inclinado, pero enrollado sobre una superficie cilíndrica. Es capaz de multiplicar el esfuerzo que se le aplica, por eso se introduce con relativa facilidad en los materiales. El tornillo de Arquímedes era un tornillo sinfín que permitía elevar agua desde una zona inferior hasta otra zona superior (imagen superior).

2.- Las palancas.
La palanca es un sistema mecánico capaz de vencer fuerzas y/o realizar desplazamientos. Es una o varias barras rígidas que oscilan sobre un punto de apoyo (fulcro F) por acción de dos fuerzas contrapuestas, la potencia (P) y la resistencia (R). Según la posición relativa del fulcro, potencia y resistencia, se distinguen tres tipos de palanca.

Primer género | Segundo género | Tercer género

2.1.- Ecuación de equilibrio de las palancas.
Cualquier palanca (de primer, segundo o tercer género), cumple la siguiente ecuación de equilibrio:

POTENCIA (P) X BRAZO DE POTENCIA (BP) = RESISTENCIA (R) X BRAZO DE RESISTENCIA (BR)

3.- Las poleas.

Las poleas son ruedas que pueden girar libremente respecto a su eje de simetría y que poseen una acanaladura o hendidura en su periferia llamada garganta. Sobre la garganta se disponen cuerdas, correas y cadenas para provocar el arrastre y movimiento de la polea. Las poleas, según su forma y disposición, nos pueden servir para elevar cargas fácilmente (poleas con cuerdas) o para transmitir movimientos entre dos ejes distantes (poleas con correas y cadenas). Pueden ser de 3 tipos:

1.- Polea fija: puede girar libremente respecto a su eje de simetría, pero no puede trasladarse porque se fija sobre alguna superficie (pared, techo, etc). Modifica la dirección de la fuerza pero no presenta ventaja mecánica. 2.- Polea móvil: puede girar libremente respecto a su eje de simetría y trasladarse conforme se va recogiendo la cuerda. Presentan ventaja mecánica porque reducen el esfuerzo.

3.- Polipasto o aparejo de poleas: combinación de poleas fijas y móviles que son recorridas por la misma cuerda. En estos mecanismos, la fuerza a aplicar (potencia P) para levantar una carga (resistencia R) se calcula mediante la expresión:

4.- Mecanismos de transmisión de movimiento.

| Muchas veces, el punto donde se produce el movimiento y el punto donde se aplica están alejados entre sí, por lo que necesitamos una serie de mecanismos que nos permitan transmitir el movimiento de un punto a otro. Esta es la finalidad fundamental de los mecanismos de transmisión.
Los mecanismos de transmisión de movimiento nos permiten además modificar la velocidad de giro, el par motor e incluso invertir el sentido de giro del eje motor.

4.1.- Poleas de transmisión.

Permiten transmitir un movimiento circular entre dos ejes paralelos o no paralelos. Básicamente el sistema se compone de dos poleas y un elemento de transmisión. Una polea se monta sobre el eje conductor y otra sobre el eje conducido. El elemento de transmisión (correa, cuerda, cable, cadena) se enrolla alrededor de las dos poleas, de manera que debido a la fricción, el movimiento del eje conductor es transmitido a la correa y por tanto al eje conducido por efecto de arrastre. Algunos ejemplos importantes de estos mecanismos son:

1.- Sistema reductor de velocidad / aumenta par motor.

2.- Sistema multiplicador de velocidad / disminuye par motor.

3.- Inversor de giro (sistema con correas cruzadas).

Un parámetro fundamental es la relación de transmisión "i", que calcularemos de la siguiente forma:

4.2.- Engranajes (ruedas dentadas).

Los engranajes son ruedas dentadas, es decir, presentan dientes en su periferia, por lo que la transmisión de movimiento entre eje conductor y conducido tienen lugar por contacto directo. Este sistema evita el problema de resbalamiento que se produce en la transmisión mediante poleas y correas.

En los engranajes también se define la relación de transmisión "i" de la misma forma. La única diferencia es que se cambian los diámetros de las poleas por el nº de dientes de las ruedas dentadas.

4.3.- Tornillo sinfín-corona.

| El tornillo sinfín se define como una rueda dentada de 1 sólo diente (lo que sucede es que ha sido tallado en forma de hélice). El sinfín, unido a una rueda dentada se utiliza para trasmitir movimiento entre ejes perpendiculares que se cruzan, consiguiendo una gran reducción de velocidad y aumento del par motor (ventaja mecánica). El movimiento es irreversible, el sinfín siempre es el conductor (motriz) y la corona el conducido (nunca al revés). El sistema ofrece la ventaja de ocupar poco espacio en relación con otros engranajes.

4.4.- Ruedas dentadas y cadena.

Este mecanismo nos permite transmitir un movimiento de rotación entre dos ejes paralelos distantes entre sí. Está compuesto básicamente por una rueda motriz y otra conducida, sobre las que se coloca una cadena cuyos eslabones engranan perfectamente con los dientes de ambas ruedas. Este sistema evita el resbalamiento propio del sistema poleas-correa, de forma que la transmisión de potencia es más eficaz. Sin embargo, es más caro, ruidoso y precisa de una adecuada lubricación. Para calcular la relación de transmisión se emplea la misma expresión que con las ruedas dentadas. |

5.- Mecanismos de transformación de movimiento.

| A veces, según las necesidades, en lugar de transmitir un movimiento lo que necesitamos es transformar un movimiento lineal en circular o viceversa. Los mecanismos transformadores de movimiento realizan esta importante función, como por ejemplo el tornillo o husillo, el piñón-cremallera, las levas, las ruedas excéntricas, la biela-manivela y el cigüeñal.

Cada uno de estos mecanismos tiene características propias y según la aplicación interesará uno u otro.

5.1.- Tornillo o husillo.

Tornillo sin cabeza de gran longitud con respecto a su diámetro. En combinación con una tuerca se utiliza para transformar un movimiento circular en un movimiento lineal. Podemos encontrarlo en los típicos “gatos” elevadores de los coches, tornillos de banco, sargentos, etc. |

5.2.- Piñón-cremallera.

| En mecánica, una cremallera es un prisma rectangular en el que se han tallado dientes por una de sus caras. Puede considerarse como un caso particular de rueda dentada, pero de radio infinito. Cuando la cremallera se combina con una rueda dentada (piñón), el resultado es un sistema empleado para convertir el movimiento circular en lineal o viceversa. A pesar de ser un sistema reversible, su principal aplicación es convertir movimientos circulares en lineales de gran precisión, como desplazamiento de microscopios, telescopios, máquinas herramienta, puertas de corredera, etc.

5.3.- Levas.

| La leva es un disco con un perfil externo redondeado (o parcialmente redondeado) sobre el que se apoya un elemento móvil (seguidor de leva) destinado a seguir el movimiento de la leva durante su rotación. La leva se monta sobre el eje conductor o motriz. El seguidor de leva permanece siempre en perfecto contacto con el perfil de la leva. Como seguidores se utilizan émbolos para obtener movimientos lineales alternativos o palancas para obtener movimientos angulares alternativos junto con elementos recuperadores como muelles o gomas de recuperación.

5.4.- Excéntricas.

La excéntrica es un disco con dos ejes de giro, el eje de giro y el excéntrico. Podemos distinguir 3 partes en este mecanismo:

- disco: superficie circular sobre la que se sitúan los dos ejes.

- eje de giro: está situado en el centro geométrico del disco, y es donde se produce el movimiento circular.

- eje excéntrico: paralelo al anterior a una cierta distancia.

Al rotar el eje de giro, el eje excéntrico describe una circunferencia alrededor del primero, cuyo radio R es la distancia entre ambos ejes.

5.5.- Biela-manivela.

Mecanismo reversible, ya que puede transformar el movimiento circular en lineal y viceversa. Sus elementos son:

- Manivela. Es una barra rígida que describe rotaciones completas (360º).

- Biela. Tiene tres partes: cabeza (describe rotaciones completas), pie (describe un movimiento lineal) y cuerpo (barra que une la cabeza y el pie de la biela).

Empleada en los motores de combustión interna, máquinas para afilar, máquinas de coser, compresores, bombas, máquinas-herramienta (sierra alternativa), entre otros.

5.6.- Cigüeñal.

| Un cigüeñal es una asociación de manivelas montadas sobre el mismo eje. El cigüeñal permite la transformación de movimiento lineal en circular y viceversa. Para ello debe combinarse con otros operadores como bielas y émbolos. Se utiliza en todas aquellas aplicaciones que precisen de movimientos alternativos sincronizados, como los motores de combustión interna, juguetes, tiovivos, etc.

6.- Recursos utilizados.

- Microsoft Paint version 5.1
- Mozilla Firefox 2.0.0.11
- Google
- Microsoft Frontpage 2003
- http://es.wikipedia.org
- http://bancoimagenes.cnice.mec.es/
- http://www.gifmania.com/
- http://tecnovisual.es
- http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/index.htm (Mecaneso)
- http://www.iesalquibla.com/TecnoWeb/index.htm
- Armada Simancas M. y otros, “Tecnología 1º ESO”, editorial Santillana
- Martin Alonso Luis y otros, “Tecnología 1º ESO”, editorial SM
- Moreno Márquez Jesús y otros, “Tecnología 1º ESO”, editorial Oxford Educación
- Perucha Sanz Alfredo y otros, “Tecnología 1º ESO”, Akal ediciones
- García Platas Angel y otros, “Tecnología 1º ESO”, editorial Edebé
- Gonzalo R., “Tecnología 1º ESO”, editorial Anaya
- Cardwell Donald, “Historia de la tecnología”, editorial Alianza Universidad
- Alemán F. Javier y otros, “Tecnología: guía didáctica y metodología”, editorial Paraninfo
- Garrat James, “Diseño y tecnología”, Akal ediciones