UNIDAD DIDÁCTICA 3 MECANISMOS Y MÁQUINAS

Transcripción

1 Tecnologías de 3º E.S.O. UNIDAD DIDÁCTICA 3 MECANISMOS Y MÁQUINAS Página 1

2 1 Conceptos previos Una máquina es un conjunto de elementos que intectúan entre sí y que es capaz de realizar un trabajo o aplicar una fuerza. Definición alternativa: conjunto de dispositivos sencillos que realizan trabajo. Un mecanismo es cualquier elemento que constituye o forma parte de una máquina. Página 2

3 2 Palancas Una máquina simple es aquella que está formada por pocos elementos. La palanca es una máquina simple, ya que es capaz de multiplicar la fuerza (puedo levantar mucho peso haciendo poca fuerza) y está formada por 2 elementos: una barra y un punto de apoyo. Página 3

4 Ley de la palanca Página 4

5 Ejemplo de aplicación de la ley de la palanca Indi y Lara tienen cada uno una masa de 40 kg. Podrán levantar a Hipo? Hay que comprobar si se cumple la siguiente igualdad: F BF= R B R Página 5

6 Tipos de palancas Según la posición relativa de la fuerza, de la resistencia y del punto de apoyo, las palancas se clasifican en tres tipos: Palanca de primer grado o primer género. Palanca de segundo grado o segundo género. Palanca de tercer grado o tercer género. Página 6

7 Palanca de primer grado El punto de apoyo está entre la fuerza y la resistencia. Dependiendo de la longitud de los brazos, la fuerza será mayor, menor o igual que la resistencia. Página 7

8 Palanca de segundo grado La resistencia está entre el punto de apoyo y la fuerza. Estas palancas tienen ventaja mecánica: aplicando poca fuerza se vence una gran resistencia. Página 8

9 Palanca de tercer grado La fuerza está entre el punto de apoyo y la resistencia. Estas palancas tienen desventaja mecánica: es necesario aplicar mucha fuerza para vencer poca resistencia. Página 9

10 Ejemplos de palancas de primer grado Remos, tijeras, grúa, balanza, tenazas, balancín, alicates... Página 10

11 Ejemplos de palancas de segundo grado Carretilla, sacacorchos, cascanueces... Página 11

12 Ejemplos de palancas de tercer grado Brazo humano, quitagrapas... Página 12

13 Palancas articuladas Es un mecanismo complejo formado por la unión de varias palancas con uniones móviles. Ejemplos: vehículo elevador, cuerpo humano (los huesos son las barras, los músculos ejercen fuerza y las articulaciones son las uniones móviles). Vehículo articulado: el cierre de las 2 palancas articuladas de la base obliga a que el resto de palancas se cierren. Esto produce el desplazamiento en vertical del conjunto, que alcanza gran altura. Página 13

14 3 Poleas y polipastos La polea es una rueda con una hendidura en la llanta por donde se introduce una cuerda o una correa. Las poleas sirven para elevar cargas con más comodidad porque cambian la dirección de la fuerza. Polea fija: la polea gira pero sin moverse de su sitio. Para elevar la carga, la fuerza que se ejerza tiene que ser mayor o igual que la resistencia. Página 14

15 Polea móvil y polipastos I Un polipasto es un conjunto de poleas combinadas de tal forma que se puede elevar un gran peso haciendo muy poca fuerza. Está compuesto de una polea fija y una polea móvil. La fija solo gira cuando se tira de la cuerda y la móvil gira a la vez que se desplaza. En el dibujo, el peso cuelga de la polea móvil, y se reparte entre las dos cuerdas: la mitad del peso lo soporta el tronco y la otra mitad el hipopótamo. Página 15

16 Polea móvil y polipastos II Empleando un polipasto de 8 poleas móviles, cada una soporta 1000 N, de manera que el tronco aguanta 7500 N y ellos solo tienen que hacer 500 N de fuerza (que es como levantar 50 kg). Página 16

17 Torno Un torno es un cilindro que consta de una manivela que lo hace girar, de forma que es capaz de levantar pesos con menos esfuerzo. Se puede considerar como una palanca de primer grado cuyos brazos giran 360º. Página 17

18 Torno: aplicación de la ley de la palanca al torno Con la mano giramos la manivela aplicando una fuerza F, el torno gira y la cuerda se enrolla en el cilindro a la vez que eleva la carga. Es una palanca cuyo punto de apoyo es el eje del cilindro y los brazos son la barra de la manivela y el radio del cilindro. F B F =R B R Como la longitud de la barra de la manivela es mayor que el radio del torno (cilindro), la fuerza que hacemos con la manivela siempre será menor que la resistencia que levantamos. Página 18

19 Ejemplos de aplicación de la ley de la palanca Página 19

20 4 Plano inclinado, cuña y tornillo Plano inclinado El plano inclinado es una rampa que sirve para elevar cargas realizando menos esfuerzos. F b= R a F= R a b Página 20

21 Cuña La cuña es un plano inclinado doble, donde la fuerza que se aplica perpendicular a la base se transmite multiplicada a las caras de la cuña. La fuerza aumenta más cuanto mayor longitud tienen las caras y menor longitud tiene la base. Página 21

22 Tornillo El tornillo es un plano inclinado, pero enrollado sobre un cilindro. Cuando se aplica presión y se enrosca, se multiplica la fuerza aplicada. Cada filete de la rosca hace de cuña, introduciéndose en el material con poco esfuerzo. Página 22

23 5 Mecanismos de transmisión Mecanismos de transmisión: son aquellos que comunican o transmiten el movimiento a otros mecanismos, además de reducir o multiplicar la fuerza. Transmisión por engranajes. Transmisión por correa. Transmisión por cadena y catalina. Tornillo sin fin y corona. Trenes de mecanismos. Página 23

24 Transmisión por engranajes Los engranajes son ruedas que tienen dientes en todo su perímetro externo y engarzan unas con otras. El tamaño de de los dientes de cada una deben ser iguales para que encajen. Los engranajes transmiten movimientos de giro entre ejes muy próximos y son adecuados cuando también es necesario transmitir grandes fuerzas, porque los dientes de los engranajes no deslizan entre sí. Página 24

25 Relación de transmisión entre engranajes Página 25

26 Transmisión por correa Es un mecanismo compuesto de una correa que conduce el movimiento de una polea a otra. Las hendiduras de ambas poleas tienen el mismo tamaño y la correa entre ambas debe tener la tensión adecuada para que se transmita el movimiento. La transmisión por correas es más silenciosa, pero puede patinar cuando se pretende transmitir mucho esfuerzo. Esto sirve para absorber las frenadas o acelerones de un motor, por ejemplo. Página 26

27 Relación de transmisión entre poleas Página 27

28 Ejemplo resuelto de transmisión entre poleas Página 28

29 Transmisión por cadena Es un mecanismo compuesto de una cadena y de ruedas dentadas. Página 29

30 Tornillo sin fin y corona Es una forma de transmisión de movimientos entre ejes que son perpendiculares entre sí. La rosca del tornillo engrana con los dientes del engranaje. Cada vuelta de tornillo la rueda dentada avanza un diente. Para que la rueda dentada de una vuelta completa, el tornillo tiene que girar tantas veces como dientes tiene el engranaje. Página 30

31 Relación de transmisión I Cuando se transmite un movimiento, también se transmite energía. La velocidad motriz es la del elemento que acciona el mecanismo La velocidad conducida es la del elemento que recibe el movimiento. Por ejemplo, en el caso del tornillo sin fin y rueda, el tornillo es el elemento motriz, y la rueda, el conducido. Página 31

32 Relación de transmisión II Multiplicador de velocidad: mecanismo de transmisión en que la velocidad conducida es mayor que la velocidad motriz. Reductor de velocidad: mecanismo de transmisión en que la velocidad conducida es menor que la motriz. Página 32

33 Trenes de mecanismos Los trenes de mecanismos son la unión de varios mecanismos simples. Por ejemplo, los relojes analógicos tienen muchos engranajes, unos acoplados a otros. Página 33

34 Sistema de transmisión reductor Para unir un sistema de poleas a un sistema de engranajes, es necesario que una polea y un engranaje estén en el mismo eje y giren a la misma velocidad, i.e., que sean solidarios. Página 34

35 Tren de poleas Cuando queremos reducir la velocidad de un motor se puede hacer con varias poleas unidas con correa. En este proceso la energía transmitida a cada elemento es la misma, i.e., que al reducir la velocidad aumenta la fuerza. Página 35

36 Tren de engranajes Si queremos aumentar la velocidad de un mecanismo se utilizan varios engranajes o poleas acoplados, pasando de mayor a menor tamaño. Página 36

37 Mecanismos de transformación Son los que cambian el tipo de movimiento, de lineal a circular, o a la inversa, y de alternativo a circular, o inversa. Los más importantes son: Piñón cremallera y husillo tuerca: para transformaciones de movimiento circular en lineal o lineal a circular. Biela-manivela, excéntrica, cigüeñal y leva: para transformaciones de movimiento circular en alternativo. Página 37

38 Piñón cremallera Es un sistema compuesto por un engranaje, llamado piñón, y una barra dentada. Página 38

39 Elevalunas (piñón cremallera) Al girar la manivela del elevalunas, se mueve el piñon, la cremallera se desplaza y produce el ascenso de la luna. Cuando se gira la manivela al revés, la cremallera se mueve en sentido contrario y el cristal baja. Página 39

40 Dirección de un coche (piñón cremallera) Al girar el volante, se produce un desplazamiento lineal de la cremallera que mueve las palancas y obliga a girar a las ruedas en el mismo sentido. Página 40

41 Husillo-tuerca Está compuesto de un eje roscado (husillo) y una tuerca con la misma rosca que el eje. Si se gira la tuerca, esta se desplaza linealmente sobre el husillo; y al revés, si gira el husillo, también se desplaza la tuerca. Página 41

42 Gato a manivela (husillo-tuerca) Al girar la manivela del gato, gira la tuerca y avanza por el husillo linealmente de forma que se cierran las barras articuladas. Al girar en sentido contrario, se abren las barras. Página 42

43 Mecanismos de transformación de movimiento circular a alternativo Biela-manivela Es un mecanismo compuesto de dos barras articuladas, de forma que una gira y la otra se desplaza por una guía. La barra que gira se llama manivela, y la otra, biela. Página 43

44 Biela-manivela I Página 44

45 Biela-manivela II Página 45

46 Biela-manivela III Página 46

47 Biela-manivela IV Página 47

48 Mecanismo biela-manivela en las ruedas de un tren de vapor Página 48

49 Excéntrica La excéntrica es una rueda que tiene una barra rígida unida en un punto de su perímetro. Convierte el movimiento circular en alternativo y viceversa. Página 49

50 El cigüeñal El cigüeñal es un sistema compuesto por la unión de múltiples manivelas acopladas a sus correspondientes bielas. Transforma simultáneamente un movimiento de giro en varios movimientos alternativos. Página 50

51 Leva y seguidor La leva es un dispositivo que al girar es capaz de accionar un elemento al que no está unido y moverlo de forma alternativa. Transforma un movimiento de giro en un movimiento lineal alternativo. El seguidor solo transmitirá el movimiento lineal cuando la parte saliente de la leva entre en contacto con el mismo. Página 51

52 CÓMO HACER UNA PALANCA? Página 52

53 CÓMO HACER UNA POLEA? Página 53

54 CÓMO HACER UN TORNILLO SIN FIN? Página 54

55 CÓMO HACER ENGRANAJES? Página 55

56 CÓMO MONTAR ENGRANAJES PREFABRICADOS? Página 56

57 CÓMO CONSTRUIR UN PIÑÓN CREMALLERA? Página 57

58 CÓMO HACER UNA BIELA MANIVELA? Página 58

59 CÓMO HACER UN CIGÜEÑAL? Página 59

60 6. Las máquinas térmicas Máquinas térmicas: transforman la energía térmica en energía mecánica (movimiento). Según la forma de realizar la combustión del combustible, pueden ser de dos tipos: De combustión externa: el combustible se quema fuera del motor, como es el caso de la máquina de vapor. De combustión interna: el combustible se quema dentro de la máquina, como en el motor de un coche. Página 60

61 Combustión externa: la máquina de vapor Página 61

62 Fases de la combustión externa La Revolución Industrial La máquina de vapor se usó en trenes, barcos a vapor y multitud de máquinas que sustituyeron al trabajo manual. Aparecieron nuevas profesiones: mineros, mecánicos, etc. Surgió una nueva clase social: la clase obrera. Se produjo la Revolución Industrial. Página 62

63 Combustión interna El motor de combustión interna es más eficiente, ya que el calor se produce dentro de la máquina: hay menos pérdidas. Tipos: Motor de cuatro tiempos. Motor de dos tiempos. Motores diésel. Página 63

64 El motor de cuatro tiempos Es el motor de combustión interna más usado. Necesita de combustible y de aire (que contiene oxígeno). Posee 4 fases bien diferenciadas. Página 64

65 Fase de admisión La válvula A se abre; entran el aire y el combustible (gasolina pulverizada) en el cilindro. Baja el pistón. Al bajar el pistón, se hace el vacío y ayuda a que entre mejor la mezcla. Página 65

66 Fase de compresión Al subir el pistón, se cierran las válvulas A y E y se comprime la mezcla (gasolina y aire). Para que suba el pistón la primera vez, hay que ayudarse con un motor de arranque alimentado por la batería del coche. Después, ya sube por el propio giro del cigüeñal. Página 66

67 Fase de explosión Cuando la mezcla está muy comprimida, la bujía lanza una chispa que hace explotar la mezcla. Los gases muy calientes se expanden y hacen bajar el pistón. Página 67

68 Fase de escape Se abre la válvula E (escape) y, al subir el pistón, expulsa los gases producidos en la combustión a través de dicha válvula. Los gases pasan al tubo de escape, que los envía al exterior. Se vuelve a empezar el ciclo admisióncompresión-explosiónescape y, así sucesivamente. Página 68

69 El motor de dos tiempos Es un motor más sencillo que se utiliza mucho en las motos, cortadoras de césped, etc. Al igual que el motor de cuatro tiempos, tiene que admitir combustible, comprimirlo, explotar y expulsar los gases, pero lo hace en solo dos fases en un solo cilindro: Compresión-explosión. Escape-compresión. El aceite lubricante elimina rozamientos. Las rejillas de ventilación sirven para refrigerar el motor debido al calentamiento. Página 69

70 1. COMPRESIÓN-EXPLOSIÓN El pistón sube y comprime la mezcla. Cuando está arriba del todo, se enciende la bujía provocando la explosión de la mezcla. Los gases calentados a alta temperatura se expanden y hacen descender el pistón con mucha energía. Empieza el escape de los gases al llegar a la lumbrera E. Página 70

71 2. ESCAPE-COMPRESIÓN Cuando el pistón está abajo, salen por el escape los gases procedentes de la anterior combustión y, al mismo tiempo, entra por la lumbrera A (gracias a la bomba de soplado) la mezcla de aire y gasolina. Por último, el pistón sube y comienza otra vez la compresiónexplosión. Página 71

72 Los motores diésel. Cilindrada Usan como combustible el gasóil o gasóleo. No usan bujía. La mezcla de aire y combustible se comprime tanto que alcanza los 600ºC, a la cual explota la mezcla sin necesidad de chispa de una bujía. Página 72

73 7. Motores para volar Hace 200 años los hermanos Montgolfier construyeron el primer globo aerostático, que vuela gracias a que el aire caliente lo hace ascender. El primer avión con motor fue el de los hermanos Wright, en el año Página 73

74 Principio de acción y reacción El Arianne 5 es un cohete que lleva dos tanques, uno de hidrógeno (combustible) y otro de oxígeno (comburente). La reacción química entre ambos es muy violenta, produce mucha energía para subir el cohete. Como producto de la reacción se genera vapor de agua. Página 74

75 Cohete Un cohete es un reactor que lleva en un tanque el combustible y en el otro el comburente (sustancia que reacciona con el combustible para provocar la combustión), normalmente oxígeno. Página 75

76 ENSAYO: Principio de acción y reacción La jeringuilla pequeña sale disparada hacia arriba. Aplicando el principio de acción y reacción, observamos que el agua que estaba dentro de la jeringuilla sale con una determinada velocidad lo que hace que el cohete suba. Página 76

77 Motores de aviones Hay 2 tipos principales de motores de aviones: Los que tienen turbina compresora y se utilizan fundamentalmente en aviones comerciales: turborreactor, turbofan y turbohélice. Los que no llevan turbina y se utilizan sobre todo en aviones experimentales no comerciales: estatorreactor y pulsorreactor. El combustible utilizado por los aviones es el queroseno, porque no se congela a temperaturas muy bajas, cosa que sí le ocurre al gasóleo. Página 77

78 Turborreactor El aire entra aspirado por las hélices de un compresor. En la cámara de combustión, el oxígeno del aire (comburente) que entra comprimido reacciona con el queroseno (combustible). Los gases a altísimas temperaturas de combustión, se expanden y salen por la parte posterior a gran velocidad, impulsando al avión hacia adelante. Al salir hacen girar una turbina que, a su vez, hace girar el compresor delantero (para que entre más aire del exterior). Página 78

79 Ejemplo de turborreactor Página 79

80 Turbofan (ventilador) Es el motor más usado por los aviones comerciales. Es más silencioso que el turborreactor. Al estar el ventilador (fan) dentro del tubo, se suman dos efectos: uno, el ventilador refrigera el turborreactor, y dos, el flujo del aire es mayor. El avance del avión se debe al empuje del ventilador (fan) y al de los gases que salen por la tobera final. Página 80

81 Ejemplo de turbofan (ventilador) Página 81

82 Turbopropulsor (o turbohélice) Se diferencia del turborreactor en que la turbina de la parte posterior hace girar no solo al compresor, sino a una hélice delantera exterior. La propulsión se debe a dos causas: a los gases que salen por la parte posterior (con poca velocidad, ya que la mayor parte de la energía la gastan en mover la turbina) y al empuje de la hélice. Página 82

83 Ejemplo de turbopropulsor (o turbohélice) Página 83

84 Estatorreactor I Consiste en un tubo abierto por los dos extremos. El oxígeno del aire entra por la parte delantera a altas velocidades, y reacciona con el combustible. Los gases se expanden debido al enorme calor generado en la combustión iniciada por la chispa de la bujía, de esta forma salen por la parte posterior a gran velocidad, por lo que el motor es empujado hacia adelante. Ventajas: tiene poco peso, es sencillo, es básicamente un tubo. Se utiliza sobre todo en los aviones espía que vuelan a cotas muy altas y a grandes velocidades. Página 84

85 Estatorreactor II Página 85

86 Pulsorreactor I Evita el retroceso de aire hacia la entrada, mediante unas válvulas que permiten la entrada de aire y se cierran cuando explota la mezcla. La combustión se produce a pulsos (abriendo y cerrando la entrada de aire). Se instalan en aviones que soportan poco peso y suelen volar a baja cota. Página 86

87 Pulsorreactor II Página 87