FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA MECÁNICA

Transcripción

1 FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA MECÁNICA 1

2 Sistema internacional de unidades Las unidades vigentes en España según la ley 3/1985 de 18 de Marzo son las del sistema internacional de unidades (SI) que también es el vigente en toda la Comunidad Europea. El uso de este sistema (y su enseñanza) es obligatorio en todo el territorio del Estado Español. Las unidades básicas del sistema internacional son las que aparecen en la tabla siguiente: Unidades básicas del sistema internacional (SI) Magnitud Unidad Nombre Símbolo Longitud metro m Masa kilogramo kg Tiempo segundo s Intensidad eléctrica ampere A Intensidad luminosa candela cd Temperatura kelvin K Cantidad de sustancia mol mol Además de las unidades básicas hay dos unidades suplementarias: Unidades suplementarias del sistema internacional (SI) Magnitud Unidad Nombre Símbolo Ángulo plano radián rad Ángulo sólido estereorradián sr A partir de las unidades básicas y suplementarias pueden derivarse otras; algunas de estas tienen nombre propio, como se muestra en la tabla siguiente. Unidades derivadas que tienen nombre propio Magnitud Unidad Nombre Símbolo Expresión Actividad de un radionucleido becquerel Bq s -1 Carga eléctrica, cantidad de electricidad coulomb C s A Capacidad eléctrica farad F 2 m -2 kg -1 s 4 A Índice de dosis absorbida gray Gy -2 m 2 s 2

3 Inductancia henry H -2 m 2 kg s -2 A Frecuencia hertz Hz s -1 Energía, trabajo joule J -2 m 2 kg s Flujo luminoso lumen lm cd sr Iluminancia lux lx m -2 cd sr Fuerza newton N m kg s -2 Resistencia eléctrica ohm Ω -2 m 2 kg s -3 A Presión pascal Pa -2 m -1 kg s Conductancia eléctrica siemens S 2 m -2 kg -1 s 3 A Dosis equivalente sievert Sv -2 m 2 s Densidad de flujo magnético tesla T -1 kg s -2 A Potencial eléctrico, fuerza electromotriz volt V -1 m 2 kg s -3 A Potencia, flujo radiante watt W -3 m 2 kg s Flujo magnético weber Wb -1 m 2 kg s -2 A Los símbolos de las unidades pueden verse afectados de prefijos que actúan como múltiplos y submúltiplos decimales. Estos prefijos se colocan delante del símbolo de la unidad correspondiente sin espacio intermedio. El conjunto del símbolo más el prefijo equivale a una nueva unidad que puede combinarse con otras unidades y elevarse a cualquier exponente (positivo o negativo). Los prefijos decimales se muestran en las tablas siguientes. Múltiplos decimales Prefijo Símbolo Factor deca da 10 1 hecto h 10 2 kilo k 10 3 mega M 10 6 giga G 10 9 tera T peta P exa E zetta Z yotta Y Submúltiplos decimales Prefijo Símbolo Factor deci d 10-1 centi c 10-2 mili m 10-3 micro μ

4 nano n 10-9 pico p femto f atto a zepto z yocto y Los símbolos que corresponden a unidades derivadas de nombres propios se escriben con la letra inicial mayúscula (ejemplos: A, V, etc.). Siempre con letras romanas a excepción del ohm. Los demás símbolos se escriben con letras romanas minúsculas. Los símbolos de las unidades no cambian de forma para el plural (no incorporan ninguna s) y no van seguidos de punto. Las unidades derivadas se definen como productos o cocientes de las unidades básicas o suplementarias aunque también pueden utilizarse unidades suplementarias con nombre propio. Para expresar las unidades derivadas pueden utilizarse los siguientes métodos: o Poner las diferentes unidades una a continuación de otra sin separación; por ejemplo: As, Nm. En este caso se deben evitar las combinaciones en que una unidad que tiene el mismo símbolo que un prefijo se coloque delante ya que pueden dar lugar a confusión. Por ejemplo no debe utilizarse mn (que significa milinewton) en lugar de Nm (newton por metro). o Poner las diferentes unidades separadas por un punto alto; por ejemplo: A s, N m. Esta disposición es preferible a la anterior. En este caso también conviene evitar las combinaciones que puedan dar lugar a confusión si el punto es poco visible (así hay que evitar, por ejemplo, m N). o En el caso de cocientes puede utilizarse: Un cociente normal La barra inclinada (m/s, m/s 2 ) evitando el uso de productos en el denominador; por ejemplo podemos escribir: kg/a/s 2 en lugar de kg/(a s 2 ). Potencias negativas; por ejemplo: kg A -1 s -2. Los nombres de las unidades se escriben siempre con minúsculas. Los nombres de las unidades llevan una s cuando se escriben en plural, excepto los que terminan en s, z o x. Los nombres de las unidades que corresponden a nombres de personas deben escribirse con idéntica ortografía que el nombre correspondiente pero, como es lógico, con minúscula inicial. 4

5 Cambio de unidades Unidades angulares Nombre Símbolo Valor cuadrante rad grado rad minuto ' mrad revoluciones rev rad segundo '' 4.85 μrad Unidades eléctricas Nombre Símbolo Valor siemens S 1 Ω -1 Unidades de energía, trabajo y calor Nombre Símbolo Valor unidades térmicas británicas BTU kj unidades térmicas británicas por minuto BTU/min W atmósfera-litro J caloria cal J caballo de vapor CV 736 W caballo de vapor USA HP W electrón-volt ev 0.16 aj erg erg 0.1 μj kilowatt-hora kw h 3.6 MJ watt-hora W h 3.6 kj Unidades longitud, superficie y volumen Nombre Símbolo Valor acre 4047 m 2 acre cúbico m 3 anstrong Å 0.1 nm área 100 m 2 brazas (fathoms) m centiárea 1 m 2 cuartos cm 3 fermi m galones imperiales cm 3 galones USA cm 3 hectárea 1 hm 2 litro l (o L) 1 dm 3 5

6 micra μ 1 μm milla km millas cuadradas 2.59 km 2 onza para fluidos 29.6 cm 3 pies ft m pies cuadrados 2 ft m pies cúbicos 3 ft m pinta dm 3 pulgadas " 2.54 cm pulgadas cuadradas cm 2 pulgadas cúbicas cm 3 yardas m yardas cúbicas m 3 Unidades magnéticas Nombre Símbolo Valor gauss G 100 μt Unidades de fuerza, masa, peso y presión Nombre Símbolo Valor atmósfera atm kg/m 2 atmósfera atm kn/m 2 bar 100 kn/m 2 centímetros de mercurio cm Hg 136 kg/m 2 dina drams grain 1.02 mg g g libra g metro de columna de agua m.c.a. 0.1 kg/cm 2 newton Nw kg onza g onza troy 31.1 g pascal 1 N/m 2 psi N/m 2 quintal métrico 100 kg tonelada métrica 1000 kg torr N/m 2 Unidades de tiempo y velocidad Nombre Símbolo Valor minuto min 60 s 6

7 hora h 3600 s dia dia s nudo m/s veces la velocidad de la luz c km/s Ejemplos El factor de conversión es una fracción en la que el numerador y el denominador son medidas iguales expresadas en unidades distintas, de tal manera, que esta fracción vale la unidad. Método efectivo para cambio de unidades y resolución de ejercicios sencillos dejando de utilizar la regla de tres. Ejemplo 1: pasar 15 pulgadas a centímetros (factor de conversión: 1 pulgada = 2,54 cm) 15 pulgadas (2,54 cm / 1 pulgada) = 15 2,54 cm = 38,1 cm Ejemplo 2: pasar 25 metros por segundo a kilómetros por hora (factores de conversión: 1 kilómetro = 1000 metros, 1 hora = 3600 segundos) 25 m/s (1 km / 1000 m ) (3600 s / 1 h) = 90 km/h Ejemplo 3: obtener la masa de 10 litros de mercurio (densidad del mercurio: 13,6 kilogramos por decímetro cúbico) Nótese que un litro es lo mismo que un decímetro cúbico. 10 litros de mercurio (1 decímetro cúbico de mercurio / 1 litro de mercurio) (13,6 kilogramos / 1 decímetro cúbico de mercurio) = 136 kg Ejemplo 4: pasar 242º a radianes (Factor de conversión: 180º = π rad) 242º x (πrad/180º) = 4,22 rad En cada una de las fracciones entre paréntesis se ha empleado la misma medida en unidades distintas de forma que al final sólo quedaba la unidad que se pedía. 7

8 Ventajas del Sistema Internacional Son básicamente cuatro las ventajas en utilizar el Sistema Internacional de Unidades: - Unicidad: existe una y solamente una unidad para cada cantidad física [ej: el metro para longitud, el kilogramo para masa, el segundo para tiempo, y así en adelante]. Es a partir de estas unidades, conocidas por fundamentales, que se derivan todas las demás. - Uniformidad: elimina confusiones innecesarias al utilizar los símbolos. - Relación decimal entre múltiplos y sub-múltiplos: la base 10 es apropiada para el manejo de la unidad de cada cantidad física y el uso de prefijos facilita la comunicación oral y escrita. - Coherencia: evita interpretaciones erróneas 8

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16 Solución: 16

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19 Aceleración instantánea 19

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42 SISTEMAS MECÁNICOS. ÍNDICE Componentes Aplicaciones Robots 42

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56 CONCEPTO DE ROBOT El término ROBOT proviene del término checo robota, que significa siervo. Podemos definir ROBOT como aquella máquina que es capaz de realizar diversos trabajos de forma automática al ejecutar una serie de instrucciones programables. Son máquinas dotadas de una cierta autonomía y capacidad de reacción sin que sea necesaria la intervención humana. 56

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60 ARQUITECTURA DE UN ROBOT En un robot se pueden distinguir cuatro elementos bien diferenciados: La estructura Los actuadores Los sensores El sistema de control 60

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62 LOS SENSORES Son los sentidos del robot, es decir constituyen un conjunto de elementos que le permiten conocer el estado del mundo que le rodea y la posición exacta de sus componentes. Algunos tipos de sensores electrónicos:» Sensores de temperatura.» Sensores de deformación.» Sensores de luz.» Sensores de contacto.» Sensores de proximidad. LOS SISTEMAS DE CONTROL Es el cerebro del robot. En función de las tareas que desempeña el robot, es más o menos complejo. Existen diferentes sistemas para controlar los robots. 62