ÁREA O MATERIA: Tecnología. BLOQUE TEMÁTICO 6 (BOE.RD 1631/2006). "MECANISMOS"
Las máquinas son artefactos construidos por la humanidad para realizar un trabajo o transformar un movimiento. El fin primordial suele ser reducir el esfuerzo necesario para realizar un trabajo. Una máquina simple cambia la magnitud o la dirección de una fuerza aplicada.
Pueden estar fabricadas con una tecnología o con una mezcla de varias de ellas. Se pueden construir con tecnología mecánica, eléctrica, electrónica, neumática, hidráulica, térmica, química, etc.
Pueden ser muy complejas o sencillas dependiendo de la tecnología o tecnologías empleadas y del número de piezas necesarias para su funcionamiento.
Historia de las máquinas simples:
Las primeras máquinas inventadas o utilizadas por la humanidad fueron de tecnología mecánica y sencillas, realizando un trabajo con una fuerza manual aplicada menor.
El nombre de máquina simple procede de los filósofos de la antigua Grecia. En el siglo 3 A.C., el matemático e inventor, Arquímedes de Siracusa estudió la ventaja mecánica de la palanca, la polea y el tornillo. Más tarde otros filósofos griegos añadieron otras máquinas simples. Herón de Alejandría (10-75 A.C.) clasifica 5 máquinas simples: palanca, polea, tornillo, cuña y torno.
Según otros autores, los filósofos de la antigüedad llamaban "las cinco grandes" a las cinco máquinas simples siguientes: el plano inclinado, la cuña, el tornillo, la palanca y la rueda. Con excepción de la rueda, las otras "cuatro grandes" eran conocidas posiblemente desde el Paleolítico. La rueda tiene una historia especial.
Las seis máquinas simples clásicas que se definieron durante el Renacimiento (siglos XIV al XVII) fueron: la palanca, la polea, el plano inclinado, rueda y eje (torno), cuña y el tornillo. Aunque podemos considerar que todas ellas derivan de tres fundamentales: la palanca, el plano inclinado y la polea (rueda).
Para ahorrar esfuerzos el ser humano inventó sencillos artilugios, máquinas simples como la polea o la palanca, en los que se basan otros mecanismos más complejos.
PALANCA
Javier y su familia van de viaje, pero una roca ha caído en medio del camino y el coche no puede pasar. ¿Habrá alguna forma de quitar la piedra de ahí?
Prueban a moverla con un tronco apoyado en otra piedra más pequeña, y cuando la colocan bastante alejada de ellos, consiguen mover la piedra. El tronco que han utilizado apoyado en la piedra pequeña es una máquina simple: una palanca.
En este ejemplo se utilizó una palanca en la que el punto de apoyo estaba situado entre el peso que se quería mover y el punto de aplicación de la fuerza. Este tipo de palanca se llama de primer género; pero también
existen otras posibilidades.
En la carretilla, el peso se encuentra entre el punto de apoyo y la fuerza aplicada. Este tipo de palanca se llama de segundo género, sirve para mover pesos muy grandes.
La caña de pescar es una palanca de tercer género. En este tipo de palanca, la fuerza se aplica ente el punto de apoyo y el peso que se quiere mover.
Las palancas de primer y segundo género nos ahorran esfuerzo, aunque a costa de realizar un recorrido mayor; es decir a medida que aumentamos la distancia desde el punto de apoyo al punto donde se aplica la fuerza, disminuye el esfuerzo.
Aunque en muchos casos las palancas quedan ocultas en las máquinas, hay otros ejemplos de palanca que te resultarán conocidos como: el balancín, el cascanueces, la escoba, las tijeras, la palanca del cambio de marchas de un coche, etc.
LEY DE LA PALANCA
Con los elementos anteriores se elabora la denominada LEY DE LA PALANCA, que dice: La potencia por su brazo es igual a la resistencia por el suyo.
Matemáticamente se puede poner:
POTENCIA x BRAZO DE POTENCIA = RESISTENCIA x BRAZO DE RESISTENCIA
P x BP = R x BR
Esta expresión matemática podemos sentirla de forma práctica si pensamos que es más fácil girar una puerta (resistencia) cuanto más lejos de las bisagras (brazo de potencia) apliquemos la fuerza (potencia). Lo mismo podemos comprobar si intentamos cortar un alambre con unos alicates de corte: cuanto más cerca del eje coloquemos el alambre (brazo de resistencia) y más alejado del mismo (brazo de potencia) apliquemos la fuerza de nuestras manos (potencia), más fácil nos resultará cortarlo
PLANO INCLINADO
El plano inclinado es una máquina simple que permite subir objetos realizando menos fuerza. Ejemplo de esto lo encontramos en las rampas para coches, en las de acceso a supermercados, etc.
¿en qué otros lugares encontramos el plano inclinado?
POLEAS
Una polea nos puede ayudar, por ejemplo, a subir pesos ahorrando esfuerzo.
Tiene la forma de una rueda con una acanaladura por la que hace pasar una cuerda o un cable, y un agujero en su centro para montarlas en un eje. La carga que se quiere elevar se sujeta a uno de los extremos de la cuerda y desde el otro extremo se tira, provocando así el giro de la polea en torno a su eje.
Con una polea simple subimos más fácilmente el cubo porque cambiamos el sentido de la fuerza y nuestro peso nos ayuda a tirar.
Con una polea móvil y otra polea fija al techo tenemos que hacer la mitad de fuerza que antes, pero durante un recorrido de longitud doble.
Polipasto.
El polipasto es un conjunto de poleas. El montaje tiene la finalidad de disminuir la fuerza necesaria para vencer grandes resistencias.
ENGRANAJES
Un engranaje es una máquina simple, es una modificación de la rueda y el eje. Tiene dientes alrededor. Es decir, es una rueda dentada que encaja exactamente con otra rueda dentada.
Se utilizan dos o más engranajes para transferir potencia o velocidad, o bien para cambiar la dirección en la cual se aplica la fuerza. Los engranajes trabajan en equipo. Dos engranajes funcionando juntos son una combinación de dos máquinas simples. Cuando dos o más máquinas simples trabajan juntas, como en el caso de un par de engranajes, hablamos de una máquina compuesta.
Dos o más engranajes trabajando juntos se denominan “Tren de engranajes”. El engranaje al cual se aplica la fuerza se denomina engranaje motor. El engranaje final al cual se transfiere la fuerza se llama engranaje de salida.
2. MECANISMO DE TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTO.
Los mecanismos que hemos considerado hasta ahora no modifican el tipo de movimiento; es decir, “transforman” movimientos rectilíneos en movimientos rectilíneos, o movimientos de rotación en otros movimientos de rotación.
Sin embargo, en los mecanismos que vamos a describir en este apartado el movimiento de entrada es diferente al movimiento de salida.
A. Mecanismos que transforman movimientos de rotación en movimientos rectilíneos.
I. Piñón-cremallera
Este sistema transforma el movimiento circular en rectilíneo
por medio de dos elementos dentados: Un piñón que gira
sobre su propio eje y una barra dentada denominada
cremallera. Los dientes pueden ser rectos o helicoidales.
Tiene diferentes aplicaciones:
Taladradora de columna: El conjunto piñón-cremallera lo componen la manivela de mando, que lleva en un extremo un piñón, y el eje portabrocas, que lleva tallada la cremallera. Al girar la manivela, el eje portabrocas avanza en sentido rectilíneo.
Caja de dirección de un automóvil: El piñón está solidario a la barra de dirección y al volante, y los
extremos de la cremallera se encargan de orientar las ruedas.
La cremallera puede considerarse como una rueda dentada de radio infinito, cuyo módulo debe coincidir con el del piñón.
II. Tornillo y tuerca
Este sistema sirve como elemento de unión entre dos o más piezas. Pero, además posee unas características que le permiten que se pueda utilizar para transmitir el movimiento. Se compone de una varilla roscada y una pieza con un agujero roscado. Al girar la varilla, permaneciendo fija la tuerca, hace que esta última se desplace en sentido longitudinal del eje, con lo que se consigue transformar un movimiento
circular uniforme en otro lineal.
B. Mecanismos que transforman movimientos de rotación en movimientos alternativos.
I. Mecanismo biela-manivela
Este mecanismo consta de dos piezas básicas articuladas entre sí y de las que recibe el nombre: la manivela y la biela.
La manivela OB es una pieza que gira alrededor de un punto O y describe un movimiento circular.
La biela AB es una pieza rígida acoplada a la manivela en el punto B. este extremo, denominado cabeza de la biela, sigue el mismo movimiento circular que la manivela, mientras el otro extremo A, denominado pie de biela, describe un movimiento alternativo o de vaivén. Las bielas constan de tres partes.
Habitualmente, la manivela actúa como elemento motriz y la biela, como elemento conducido. De este modo podemos transformar movimientos circulares en movimientos alternativos.
Cigüeñal y biela
El cigüeñal es un elemento que, junto a la biela, transforma el movimiento circular en alternativo o viceversa. Consiste en un árbol acodado (a) con unos muñones (m) y unas muñequillas (n) donde se colocan las bielas. Sobre cada una de las muñequillas se inserta la cabeza de una de las bielas por medio de una pieza llamada sombrerete.
En este caso, la biela actúa como elemento motriz y el cigüeñal como elemento conducido. El otro extremo de la biela, denominado pie de biela, está unido al llamado émbolo, que realiza un movimiento alternativo. El émbolo y el pie de la biela están unido por una pieza denominada bulón.
Émbolo
El émbolo o pistón es un elemento móvil de forma cilíndrica que se desplaza en el interior de un cilindro.
El conjunto émbolo-biela-cigüeñal son básicos en los motores de combustión interna y en otras máquinas.
II. Leva y excéntrica
La leva es un disco de forma irregular sobre el que se apoya un elemento móvil denominado varilla, seguidor
o vástago. Ambos elementos deben estar permanentemente en contacto.
Cuando el disco gira, su movimiento circular se transforma en movimiento alternativo de la varilla, el que se intercalan períodos de reposo. La diferencia entre el punto más alto del recorrido del vástago y el más bajo recibe el nombre de carrera de la leva. El perfil del disco determina el tipo de movimiento de la leva.
La excéntrica consiste básicamente en una pieza de forma geométrica diversa en la que el eje de giro coincide con su eje geométrico. La distancia entre ambos ejes se denomina excentricidad.
Cuando se sitúa una pieza rectilínea llamada vástago en contacto con la excéntrica, el movimiento circular de ésta se convierte en movimiento alternativo del vástago.
La excéntrica más sencilla que se puede encontrar tiene forma de disco circular.
