Enseñanza de la Tecnología Máquinas y Mecanismos

Transcripción

1 2009 Enseñanza de la Tecnología Máquinas y Mecanismos María Beatriz Fuentes U.C.C. 04/09/2009

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3 MAQUINAS Definición: Artificio del hombre para dirigir, aprovechar o regular la acción o el sentido de una fuerza. Las máquinas forman parte de la vida del ser humano desde que tenemos memoria, cuando hablamos de máquinas no estamos hablando sólo de las excavadoras industriales, de las básculas de camiones, de las fundidoras de metal o de las bombas de calor. Cuando hablamos de máquinas, estamos hablando también de máquinas de café, de cortadoras de césped, de computadoras, de máquinas de coser, de artefactos simples. Pero si buscamos una definición de máquina en un diccionario, encontramos, en líneas generales, que la misma se considera un conjunto de objetos o elementos que a la vez se pueden denominar piezas (inmóviles o móviles). Dichas piezas son capaces de transformar la energía a través de la interacción de las mismas. Descripción: máquinas simples y máquinas complejas. También se denomina máquina a aquel dispositivo que nos da la posibilidad de modificar la dirección y magnitud de la aplicación de una fuerza. Estamos hablando aquí de las máquinas simples, es necesario aclarar que en el mundo de las máquinas encontramos dos divisiones, las simples y las complejas. Los ejemplos de máquinas simples son: poleas, ruedas, la palanca, etc. Utilizando dichas máquinas de forma correcta podemos obtener una fuerza mucho mayor que la que un ser humano podría aplicar o tener sólo con la fuerza de su musculatura. A partir del hallazgo o creación de estas máquinas simples y sus combinaciones, surgieron entonces las de tipo complejas. Las máquinas complejas están compuestas por diferentes elementos, entre los más importantes tenemos el motor, el cual funciona como una fuente que extrae energía, ésta última se necesitará para realizar el trabajo deseado. Es relevante señalar que el

4 motor por sí mismo puede ser considerado una máquina, en este caso posee el objetivo de transformar energía (puede ser eléctrica, química, cinética, etc.) en energía mecánica. Luego tenemos el mecanismo, éste es considerado como todos los factores mecánicos en conjunto, dentro de ellos, los móviles serán los que están destinados a lograr el efecto que necesitamos de la máquina, estos se conocen como efecto útil, transformará la energía que proviene del motor. MAQUINAS SIMPLES: EL USO DE LA FUERZA Definición: Tipo de maquina que requiere solamente la aplicación de una fuerza para funcionar. Las máquinas simples: Cuales son y que características tienen? Cuando hablamos de máquinas se nos vienen a la cabeza miles de pensamientos a los cuales relacionamos con máquinas de café, máquinas de musculación, máquinas industriales, etc. Pero las máquinas son mucho más complejas y las hay de todo tipo; dentro del mundo de las máquinas encontramos divisiones que se dan a partir de aplicaciones, dentro de estas divisiones tenemos el rubro de las máquinas simples. Las máquinas se conocen como un conjunto de mecanismos que son capaces de transformar una fuerza aplicada en otra saliente, habiendo modificado previamente la dirección o sentido, la magnitud de la fuerza o una combinación de ellas. Las máquinas simples cumplen con lo que se denomina conservación de energía; ésta última no se crea ni se destruye, simplemente se

5 transforma. En física se dice que la fuerza por el espacio aplicado, lo que se denomina trabajo aplicado, debe ser igual a la fuerza por el espacio resultante, que se conoce como trabajo resultante. Una definición muy común de máquina simple es un artefacto que no crea ni destruye el trabajo mecánico, sino que tiene como fin transformar algunas de sus características. Definición y funcionamiento de la máquina simple Es fundamental que se aclare en la definición, que no se debe confundir a una máquina simple con componentes de máquinas, o piezas para éstas, ni con sistemas de regulación o control de otra fuente de energía. Las máquinas simples transforman fuerzas aplicadas o potencias, en otra resistencia o fuerza saliente, esto de acuerdo al principio de conservación de la energía. Las máquinas simples que conocemos hoy en día, se encuentran formadas por ciertos mecanismos que son sin rozamiento, esto quiere decir que no pierden energía por el efecto del rozamiento. Éstas son máquinas teóricas que nos ayudan a establecer la relación entre la fuerza aplicada, su dirección y sentido, su desplazamiento, y la fuerza resultante, también aquí, su desplazamiento, sentido y dirección. Tipos de máquinas simples tradicionales Las máquinas simples básicas son dos, la palanca y el plano inclinado de estas derivan las otras, de la palanca deriva la rueda y de esta la polea y el torno; del plano inclinado derivan la cuña y el tornillo.

6 Máquinas Simples Palanca Plano inclinado Rueda Cuña Tornillo Polea Torno Las máquinas simples permiten disminuir el esfuerzo para realizar un trabajo, pero toda disminución de la fuerza necesaria para realizar un trabajo va acompañada por un aumento recíproco de la distancia que recorre el punto de aplicación de la fuerza. Palanca Una palanca es una máquina simple formada por una barra rígida que puede girar alrededor de un punto de apoyo. Hay varios tipos de palancas, pero en todas ellas hay un punto donde se coloca el cuerpo que se quiere mover, llamaremos a ese cuerpo carga o resistencia, y otro punto donde se aplicará la fuerza para mover a la carga, a esa fuerza la llamaremos potencia. A las distancias entre el punto de apoyo y los puntos de aplicación de carga y potencia se les llama brazo. En el esquema siguiente, el balde que se intenta levantar es la carga, la fuerza ejercida por la persona es la potencia. A las distancias entre el punto de apoyo y la carga se les llama brazo de carga, y entre el punto de apoyo y donde aplicamos la fuerza las llamaremos brazos de potencia

7 La finalidad de una palanca es conseguir mover una carga grande a partir de una fuerza o potencia muy pequeña. Tipos de palancas De acuerdo con la posición de la potencia y de la resistencia con respecto al punto de apoyo, se consideran tres clases de palancas, que son: De primer género: El punto de apoyo está entre la carga y el punto de aplicación de la potencia, por ejemplo el sube y baja, las tenazas, las tijeras. De segundo género: La carga está entre el punto de apoyo y la fuerza, por ejemplo una carretilla, un cascanueces. De tercer género: El punto de aplicación de la fuerza está entre el punto de apoyo y la carga, por ejemplo unas pinzas de depilar, una escoba, una pala de obra. En este caso el brazo de palanca de la carga

8 es mayor que el de la fuerza, por lo tanto la fuerza a aplicar es mayor a la que necesitaríamos si no utilizáramos palanca. La finalidad de la palanca en este caso es el conseguir aplicar la fuerza de una forma más cómoda Plano inclinado El plano inclinado es una máquina simple que permite subir objetos realizando menos fuerza. Se utiliza para reducir el esfuerzo necesario para levantar un cuerpo (vencer la fuerza de la gravedad), esta fuerza será menor cuando menor sea la relación entre la altura del plano y la longitud del mismo, esta relación es igual a la relación entre la fuerza necesaria para subir la carga y el peso de la carga. Cuña Se llama cuña a un cuerpo sólido, de forma prismática, de sección triangular. La cara menor del prisma se llama cabeza, las laterales simplemente caras, y la arista opuesta a la cabeza, filo. La cuña se basa en el mismo principio que el plano inclinado; cuando en un cuerpo se introduce una cuña con una fuerza que actúa perpendicularmente a la cabeza, esta fuerza se descompone en dos (perpendiculares a las caras de las caras de la cuña y cada una mucho mayor que la que actúa sobre la base) que facilitan la apertura y la penetración de la cuña. Los cuchillos y los elementos cortantes, son ejemplos de cuñas.

9 Tornillo El tornillo también deriva del plano inclinado. Ya Arquímedes consideraba al tornillo como una analogía circular del plano inclinado. Un triángulo de papel enrollado alrededor de un cilindro marca la rosca de un tornillo. La fuerza de avance del tornillo es siempre mayor que la fuerza aplicada. Polea Se llama polea a una rueda que puede girar libremente alrededor de su eje (montado en una horquilla o armadura) y en cuyo contorno se adapta una cuerda flexible (correa, cable, cadena, etc.). Cuando el dispositivo se mantiene fijo hablamos de polea fija, cuando el dispositivo se puede desplazar, estando soportado por la cuerda, hablamos de polea móvil. La polea fija es una aplicación directa de la palanca de primer género, en este caso los brazos de palanca y resistencia son iguales, por lo que la condición de equilibrio es: F = R Por lo tanto, en este caso, la polea sirve solamente para variar la dirección de la fuerza pero no su intensidad. La polea móvil es una palanca de segundo género, en la que sobre el fulcro actúa la mitad de la resistencia, por lo que la condición de equilibrio es: Polipasto P= R/2 Para disminuir aún mas el esfuerzo frente a la resistencia, se utilizan combinaciones de poleas (una fija y otra móvil) posibilita dividir por dos el esfuerzo necesario para equilibrar o vencer la resistencia. Este dispositivo se llama polipasto.

10 Torno Consiste esencialmente en un cilindro alrededor del cual se arrolla una cuerda, cable o cadena en cuyo extremo actúa la resistencia. Soldada al cilindro hay una manivela. Como el brazo de palanca (brazo de la manivela) es mayor que el brazo de resistencia (radio del cilindro) este dispositivo permite elevar grandes pesos con menor esfuerzo del que sería necesario si se lo elevara directamente. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN Y DE TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTOS Entendemos por mecanismo un conjunto de elementos vinculados entre sí, capaces de transmitir un movimiento o transformarlo en otro, modificando la trayectoria y/o la velocidad. Los movimientos pueden ser de rotación o de traslación (existen mecanismos que permiten pasar de uno a otro), en ambos casos continuos o alternativos, o combinación de rotación y de traslación. En el movimiento de rotación los diferentes puntos del cuerpo que se mueve describen circunferencias cuyos centros se encuentran sobre una recta fija llamada árbol o eje de rotación. Los movimientos de rotación generan trayectorias circulares (excepto en el eje de rotación). En el movimiento de traslación los diferentes puntos del cuerpo que se mueve describen trayectorias paralelas entre sí y de igual longitud. Los movimientos de traslación generan trayectorias lineales. Normalmente los movimientos suelen provenir de máquinas que generan el movimiento rotatorio de un árbol motor. Los mecanismos o dispositivos para transmitir movimientos pueden clasificarse en: contacto directo o por órganos intermedios, flexibles ó rígidos. En el siguiente gráfico se indican algunos de ellos:

11 Mecanismos de transmisión de movimientos De contacto directo De órganos intermedios Palanca Rueda de fricción Rueda dentada Órganos flexibles Órganos rígidos Biela Árbol de transmisión Correa Cadena Transformación del movimiento de rotación en traslación y viceversa Movimiento continuo Movimiento alternativo Tornillotuerca Piñóncremallera Bielamanivela Leva MECANISMOS: SU CLASIFICACIÓN Los mecanismos son operadores de transformación del movimiento que, utilizados y combinados con otros, conforman un sistema tecnológico o máquina. Para el diseño y construcción de una máquina es necesario conocer las principales funciones mecánicas. Funciones mecánicas elementales: unión, articulación, guiado, lubricación, soporte

12 Transmisión por contacto directo Ruedas de Fricción Las ruedas de fricción están formadas por dos ruedas, una motriz y otra conducida, en contacto permanente. La transmisión del movimiento se origina por el rozamiento entre éstas sin interponer ningún elemento. Utilizadas para transmisión de ejes paralelos, cruzados o que se corten. La relación de transmisión suele ser 6 aunque su máximo es 10, su potencia es baja y la velocidad tangencial suele rondar los 20 m/s. Una gran ventaja es su bajo coste pero tiene el inconveniente de ser muy ruidosas a grandes velocidades y su mal comportamiento a efectos de choque. Las ruedas de fricción pueden dividirse en varios tipos: Ruedas de fricción constantes: Las dos ruedas permanecen en contacto siempre en el mismo punto y se suelen recubrir con elementos que poseen un alto coeficiente de rozamiento para las ruedas motoras. Dependiendo de la posición relativa, éstas pueden ser interiores, exteriores o cónicas. Ruedas de fricción acoplables: La fuerza de apriete puede acoplarse o desacoplarse a modo de embrague.

13 Ruedas de fricción regulables: Existen diferentes disposiciones pero la más usada es la que la rueda motora se puede deslizar, en contacto permanente, en dirección radial sobre la rueda conducida, pudiendo variar la relación de transmisión según se acerque o aleje del centro de giro de ésta. Ruedas dentadas engranajes Con el objeto de evitar el deslizamiento, además de reducir la presión entre las ruedas, y poder transmitir potencias sin limites y sin problemas de (deslizamiento), se usan las ruedas dentadas o sea ruedas provistas, a intervalos regulares, de vanos y salientes llamados dientes. Las ruedas dentadas tienen múltiples aplicaciones y están presentes en casi todas las máquinas mecánicas construidas por el hombre: son

14 fundamentales en mecanismos importantes del automóvil, como por ejemplo la caja de cambios, el diferencial, etc. Transmisión mediante órganos intermedios flexibles Correas y cadenas Cuando el árbol conductor o motriz y el árbol y el árbol conducido están a cierta distancia que no favorece el uso de ruedas de contacto directo, se suelen usar órganos flexibles como correas o cadenas. Las correas se caracterizan por ser silenciosas y no requerir lubricación, pero presentan el problema de que no permiten transmitir grandes potencias debido al deslizamiento en la superficie de contacto de la correa de poleas (nombre con el que se conocen las ruedas sobre las que se apoyan la correa). Aplicaciones de este tipo de transmisión podemos encontrarlas en las máquinas de coser, en las máquinas de lavar y en el caso del automóvil, en el accionamiento del ventilador del motor y de la dínamo. A diferencia de las ruedas de fricción y de los engranajes, en este caso las dos poleas vinculadas mediante la correa giran en el mismo sentido, si se quiere que giren en sentido contrario es necesario cruzar la correa. Cuando se quiere evitar totalmente el deslizamiento se utilizan cadenas acopladas a ruedas dentadas. En este caso las cadenas son las características especiales. Un ejemplo típico del uso de este tipo de transmisión es la bicicleta (la cadena de la bicicleta). Las cadenas requieren lubricación, las correas no.

15 Transmisión mediante órganos intermedios rígidos Palanca Barra rígida que tiene un punto de apoyo (fulcro) sobre el cual puede bascular, de forma tal que una fuerza aplicada en un punto de la misma pueda ser trasmitida y aplicada desde otro punto de la barra. Biela Pieza o barra rígida que trasmite las fuerzas desde un órgano a otro Árbol de transmisión En mecánica se llama eje a una barra que pasa por el centro de una pieza giratoria para servirle de soporte. Cuando una barra se utiliza para comunicar un movimiento de rotación de una pieza o elemento

16 mecánico a otra, aunque eventualmente también sirva de soporte, en general, en vez de eje se llama árbol (ejemplo: el árbol de levas, el árbol de transmisión de los automóviles, etc.) MECANISMOS DE TRANSMISIÓN Y TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTOS En muchos casos es necesario: transformar un movimiento de rotación en otro de translación o viceversa; o transformar un movimiento de rotación continuo en un movimiento de translación alternativo o viceversa. En el primer caso tenemos el tornillo común y la tuerca, el piñón y la cremallera, etc. En el segundo caso tenemos la biela-manivela, la leva, etc. Sistema tornillo tuerca Un sistema compuesto de tornillo y tuerca sirve no sólo como elemento de unión para fijar entre sí las piezas, sino también como dispositivo para transformar un movimiento de rotación en uno rectilíneo de traslación, con la consiguiente ganancia en cuanto a la fuerza final obtenida. Ejemplo: la morsa de banco Sistema piñón-cremallera Órgano mecánico constituido por una barra dentada en la cuál engrana un piñón que

17 permite transformar un movimiento de rotación en uno de traslación y viceversa (ejemplo: la cremallera de la dirección de un automóvil asociada al volante del mismo) MECANISMO Biela-Manivela Mecanismo compuesto de una manivela que gira solidaria con un árbol motor y vinculado a la misma una biela cuyo extremo describe un movimiento de vaivén. Este mecanismo tienen aplicaciones en: motores de combustión interna, máquinas de vapor, compresoras, máquinas de cocer a pedal, etc. Los motores de combustión interna transforman el movimiento rectilíneo de vaivén en movimiento de rotación sobre el árbol motor. Leva: Disco giratorio de diámetro irregular, sobre cuyo borde se apoya un elemento que puede desplazarse. Este dispositivo permite transformar el movimiento de rotación de leva en un leve movimiento de vaivén del elemento apoyado. Actualmente sigue teniendo un gran campo de aplicaciones, por ejemplo en los temporizadores electromecánicos, en los motores de combustión interna (árbol de levas), etc.

18 Ejemplo: árbol de levas MECANISMOS COMPLEJOS La mayoría de las máquinas complejas están constituidas por varias máquinas simples y otros componentes mecánicos que las controlan, transmiten o cambian fuerzas y/o movimiento para que realicen un trabajo específico y deseado. MECANISMOS REALES

19 Fuentes Apuntes de cátedra - Proyecto san Luis en Línea: Educación Tecnológica