UNIDAD 7: MECANISMOS TECNOLOGIAS 3º ESO I.E.S. ALTO GUADIANA (P. 148 Oxford) 1. INTRODUCCIÓN Las máquinas sirven para hacer más fácil el trabajo al hombre, por ejemplo levantar grandes cargas, desplazarse de un sitio a otro, moler cereales, excavar en la tierra, cortar árboles, triturar carne, etc. En una máquina la estructura sirve para sostener y proteger al resto de los elementos. La estructura es estática, es decir no se mueve. También los mecanismos forman parte de la máquina y son los que aportan el movimiento y la fuerza que ayudan al hombre en sus trabajos. Los mecanismos se pueden definir como elementos destinados a transmitir y transformar fuerzas y movimientos desde un elemento motriz a un elemento receptor. EJEMPLO: En un automóvil el elemento motriz es el motor. Los mecanismos son la biela, cigüeñal, embrague, caja de cambios... Y, finalmente, las ruedas son los elementos receptores. Actividades Realiza los ejercicios 1 y 2 2. CLASIFICACIÓN Existen dos grandes grupos de mecanismos: De transmisión del movimiento: transmiten el mismo tipo de movimiento. Por ejemplo, en el caso de la bicicleta, el sistema de engranajes y cadenas es un mecanismo de transmisión de movimiento circular. De transformación del movimiento: transforman un tipo de movimiento en otro. Por ejemplo, en el mecanismo piñón cremallera el movimiento giratorio del piñón se transforma en un movimiento lineal de la cremallera (al girar el piñón hace que la cremallera se desplace).
Mecanismos de transmisión: Pueden transmitir movimiento lineal o circular Mecanismos de transformación: Pueden transformar el movimiento circular en lineal o lineal alternativo. De circular a lineal alternativo De circular a lineal 2
3. MECANISMOS TRANSMISORES DEL MOVIMIENTO RECTILÍNEO 3.1. LA PALANCA Es una barra rígida que se articula en un punto de apoyo (o fulcro), que hace posible que la barra gire. Elementos de la palanca P y R son fuerzas y se miden en Kilogramos (Kg) o Newtons (N). 1 N = 9,8 Kg Bm y Br son longitudes y se miden en metros o sus submúltiplos. - R = resistencia. Es el peso o la fuerza que tenemos que vencer. Ejemplo: levantar una piedra. - P = potencia. Es la fuerza que tenemos que hacer. - Bm = brazo motor o brazo de la potencia. Es la distancia entre la potencia y el punto de apoyo. - Br = brazo resistente o brazo de la resistencia. Es la distancia entre la resistencia y el punto de apoyo. Ley de la palanca En una palanca en equilibrio la potencia por su brazo es igual a la resistencia por el suyo. F Bm = R Br Ejemplo: contesta las siguientes preguntas 1. Miden igual los dos brazos de la palanca? 2. Hacia qué lado se inclinará el balancín? 3. Por qué se inclina ahora el balancín del lado del niño pequeño? 4. Cuánto tiene que pesar el niño pequeño para que el balancín esté en equilibrio? 3
La ley de la palanca lo que nos dice es lo siguiente: Imagina que quieres levantar una piedra con una palanca, cuanto más largo sea el brazo motor (es decir, más lejos te pongas del punto de apoyo) y más corto sea el brazo resistente (es decir, cuanto más cerca esté la piedra del punto de apoyo), te costará menos esfuerzo (P será menor) levantar la piedra. 1 3 3 1 Tipos de palancas 4
Actividades Realiza los ejercicios 3, 4, 5, 6, 7 y 8 3.2. LA POLEA La polea es un disco que puede girar alrededor de su eje y que dispone en el borde de una acanaladura por la que se hace pasar una cuerda, un cable o una correa. Tipos de poleas 4. MECANISMOS TRANSMISORES DEL MOVIMIENTO CIRCULAR 4.1. DESCRIPCIÓN Y APLICACIONES RUEDAS DE FRICCIÓN Descripción Una rueda que recibe el movimiento de un elemento motriz (ejemplo: un motor) transmite su giro a otra rueda con la que está en contacto, gracias a que ambas están recubiertas de un material antideslizante y la fuerza de rozamiento entre ellas es muy alta. Son muy limitadas y sólo se pueden utilizar para transmitir pequeños esfuerzos, ya que si los esfuerzos son muy grandes las ruedas pueden patinar. Lo podemos encontrar en las dinamos de la bicicletas, radiocasetes, aparatos de video... 5
POLEAS CON CORREA Descripción Son dos poleas situadas a cierta distancia en las que giran a la vez por efecto de una correa. Se utilizan en motores de automóviles, taladradoras, etc. lavadoras, ENGRANAJES Descripción El más simple está formado por dos ruedas con dientes, que encajan entre sí, de forma que la rueda conductora arrastra a la rueda conducida. Este sistema evita que puedan deslizar las ruedas entre si, por lo que permite utilizarlo para transmitir esfuerzos mayores. Su inconvenientes es que es un sistema ruidoso, por ello hay que lubricarlos. Se utiliza en taladradoras, relojes, automóvil... RUEDAS CON CADENAS Descripción Está formado por dos ruedas dentadas (o piñones) que giran simultáneamente por medio de una cadena. Este sistema permite transmitir potencias muy grandes y sin peligro de deslizamiento, ya que la cadena va enganchada a los dientes de los engranajes. Se utiliza en las bicicletas y motocicletas para transmitir el movimiento entre el elemento motriz (pedales o motor) y las ruedas. TORNILLO SIN FIN Descripción Un tornillo sin fin recibe el movimiento del elemento motriz (manivela, motor) y lo transmite a una rueda dentada llamada corona, que transmite el movimiento a un elemento receptor. No es reversible, es decir, la corona no puede mover al tornillo sinfín. Es un sistema con el que se consigue una gran reducción de la velocidad. Transmite el movimiento entre dos ejes que se cruzan normalmente a 90 grados. Se utiliza en las clavijas de la guitarra, cuentakilómetros, reductores de velocidad para motores eléctricos. 6
4.2. COMPONENTES En cualquiera de los mecanismos de transmisión tenemos dos componentes fundamentales: - Rueda conductora: recibe el giro del elemento motriz (motor, manivela...). De ella vamos a dar los siguientes valores: - Su velocidad, que se mide en vueltas por minuto y la representamos por N 1. - Su diámetro, si se trata de una rueda lisa (sin dientes), que en general lo representamos por D 1. - Su número de dientes, si se trata de una rueda dentada, que en general lo representamos por Z 1 - Rueda conducida: recibe el movimiento de la rueda conductora y lo transmite al elemento receptor (ruedas). Daremos de ella los mismos valores: velocidad (N 2 ), diámetro (D 2 ) y número de dientes (Z 2 ). N 1 N 2 Z 1 Z 2 Z 1 Z 2 N 1 N 2 Tornillo sin fin En este caso el tornillo es siempre el elemento conductor y la rueda dentada es el elemento conducido, nunca puede ser al revés. Z 2 Z 1 7
4.3. SENTIDO DE GIRO Ruedas de fricción y transmisión por engranajes Cuando las ruedas están en contacto el sentido de giro de la rueda conducida es contrario al de la rueda conductora. Si queremos que ambas giren en el mismo sentido, hay que colocar entre ellas una rueda loca. En las figuras de la izquierda la rueda conductora gira en sentido antihorario (contrario a las agujas del reloj) y la rueda conducida gira en sentido horario (el mismo que las agujas del reloj). En las figuras de la derecha, gracias a la rueda loca, tanto la rueda conductora como la rueda conducida giran en sentido antihorario. Sistemas de polea con correa y engranajes con cadena Si la transmisión de movimiento se produce por medio de una correa o una cadena las dos ruedas giran en el mismo sentido. En el caso de las poleas con correa, podemos conseguir invertir el giro cruzando la correa. Correa abierta Correa cruzada Tornillo sin fin El tornillo sin fin y la corona giran alredor de ejes que se cruzan en un ángulo de 90 grados. 8
4.4. TRANSMISIÓN DE LA VELOCIDAD Según el tamaño relativo de las dos ruedas, podremos conseguir aumentar o disminuir la velocidad. Multiplicación de la velocidad Si la rueda conducida es la más pequeña, su velocidad será mayor. Si las dos ruedas tienen el mismo tamaño, la velocidad será la misma también. Reducción de la velocidad Si la rueda conducida es la mayor, su velocidad de giro será menor. De la misma forma que ocurre en el mecanismos de ruedas de fricción, ocurre en los otros tipos de mecanismos. Tornillo sin fin El sistema de tornillo sin fin corona es siempre reductor ya que el tornillo es el elemento conductor y por cada vuelta del tornillo sin fin la corona avanza un diente. Eso significa que si, como en el ejemplo de la figura, la corona tiene 16 dientes, el tornillo sin fin tiene que dar 16 vueltas para que la corona gire una sola vuelta. En este caso, por tanto, la velocidad de la corona será 16 veces menor. Por eso decimos que es un mecanismo que produce una gran reducción de la velocidad. Actividades Realiza los ejercicios 11, 12, 13, 14, 15 y 16 4.5. CÁLCULO DE LA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN La relación de transmisión es la relación de velocidades entre la rueda conducida (o receptor) y la rueda conductora (o motriz). Se calcula de la misma manera en las ruedas de fricción y en el sistema de poleas con correa. 9
Su expresión es la siguiente: i es la relación de transmisión. No tiene unidades. D 1 es el diámetro de la rueda conductora. Se mide en mm. D 2 es el diámetro de la rueda conducida. Se mide en mm. N 1 es la velocidad de la rueda conductora. Se mide en rpm. N 2 es la velocidad de la rueda conducida. Se mide en rpm. rpm: revoluciones (o vueltas) por minuto. Ejemplo: Calcula la velocidad de la rueda conducida (N 2 ) en el siguiente sistema de ruedas de fricción: En primer lugar estudiamos el mecanismo: Es un sistema multiplicador (la rueda conducida es más pequeña que la conductora), por tanto la velocidad de la rueda conducida va a ser mayor de 250 rpm. Como el diámetro de la rueda conducida es tres veces más pequeño que el de la rueda conductora, la velocidad de la rueda conducida va a ser tres veces mayor, es decir N 2 será 750 rpm. Ahora lo vamos a resolver matemáticamente: a) Calcular i: La relación de transmisión nos indica el número de veces por el que hay que multiplicar la velocidad de la rueda conductora para obtener la velocidad dela rueda conducida. b) Calcular N2 : Actividades Realiza los ejercicios 17 y 18 La relación de transmisión se calcula de la misma manera en las transmisiones que utilizan ruedas dentadas (engranajes, tornillo sin fin- corona y engranajes con cadenas). 10
Su expresión en este caso es la siguiente: i es la relación de transmisión. No tiene unidades. Z 1 es el número de dientes del engranaje conductor. Z 2 es el número de dientes del engranaje conducido. N 1 es la velocidad de la rueda conductora. Se mide en rpm. N 2 es la velocidad de la rueda conducida. Se mide en rpm. rpm: revoluciones (o vueltas) por minuto. Ejemplo: Calcula la velocidad del engranaje conducido (N2) en el siguiente sistema de engranajes: En primer lugar estudiamos el mecanismo: Es un sistema multiplicador (el engranaje conducido es más pequeño que el conductor), por tanto la velocidad del engranaje conducido va a ser mayor de 60 rpm. Como el número de dientes del engranaje conducido es tres veces más pequeño que el del engranaje conductor, la velocidad del engranaje conducido va a ser tres veces mayor que la del engranaje conductor, es decir N2 será 180 rpm. Ahora lo vamos a resolver matemáticamente: a) Calcular i: La relación de transmisión nos indica el número de veces por el que hay que multiplicar la velocidad del engranaje conductor para obtener la velocidad del engranaje conducido. b) Calcular N2: Actividades Realiza los ejercicios 19,20 y 21. 4.6. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN COMPUESTOS Son varias ruedas engranadas dos a dos. Se consiguen reducciones o multiplicaciones de la velocidad muy grandes. También se pueden construir trenes de engranajes de poleas con correa y trenes de engranajes con cadena. Incluso pueden mezclarse distintos tipos de mecanismos de transmisión en un mismo tren. 11
La relación de transmisión total se calcula multiplicando todas las relaciones de transmisión. Ejemplo de la figura: i 12 = 0,5 i 34 = 0,33 i 56 = 0,5 i T = 0,5 0,33 0,5 = 0,0825 N 2 = i T N 1 = 0,0825 600 = 50 rpm 5. MECANISMOS TRANSFORMADORES DEL MOVIMIENTO CIRCULAR EN RECTILÍNEO 5.1. SISTEMA PIÑÓN-CREMALLERA El sistema está formado por un piñón (rueda dentada) que engrana perfectamente en una cremallera. Cuando el piñón gira sus dientes empujan los de la cremallera, provocando el desplazamiento lineal de ésta. Si lo que se mueve es la cremallera, sus dientes empujan a los del piñón, consiguiendo que este gire y obteniendo en su eje un movimiento giratorio. Aunque el sistema es perfectamente reversible, suele utilizarse para la conversión de giratorio en lineal continuo. Sus principales aplicaciones son: microscopios, retroproyectores, taladros de columna, movimiento de puertas automáticas de garaje, sistema de dirección de los coches, elevalunas manuales, sacacorchos, regulación de altura de los trípodes, cerraduras... 12
5.2. SISTEMA TORNILLO TUERCA El sistema está formado por un tornillo que se acopla perfectamente a una tuerca u orificio roscado. Este sistema puede funcionar de dos formas: Si la tuerca está fija (no puede girar ni desplazarse longitudinalmente) el tornillo es obligado a girar y desplazarse. Un grifo puede ser un ejemplo de este sistema. Si el tornillo no se desplaza longitudinalmente y la tuerca no puede girar, al girar el tornillo hace que la tuerca se desplace longitudinalmente. En la barra de pegamento el tornillo no se desplaza, pero su giro hace que el cilindro de cola suba o baje debido a que esta es la que hace de tuerca. También también una puerta automática se puede abrir y cerrar por este procedimiento. 5.3. SISTEMA MANIVELA-TORNO El sistema está formado por una manivela o barra acodada y un torno que tiene alrededor una cuerda de la que cuelga un objeto que queremos levantar. Al girar la manivela (que se puede sustituir por un motor), girará también el torno y recoge la cuerda. Este mecanismo suele complementarse con un trinquete para evitar que la manivela gire en sentido contrario llevada por la fuerza que hace la carga. Este sistema permite levantar pesos con menos esfuerzo. Se utiliza en grúas (accionado por un motor eléctrico, en vez de una manivela), barcos (para recoger velas, redes, anclas...), pozos de agua (elevar agua), cabrestantes de los automóviles, ascensores. 13
6. MECANISMOS TRANSFORMADORES DEL MOVIMIENTO CIRCULAR EN LINEAL ALTERNATIVO 6.1. BIELA MANIVELA El sistema biela-manivela está formado por una manivela (barra acodada) unida a la cabeza de una biela (barra rígida con dos extremos llamados cabeza y pie). Cuando la manivela gira transmite el movimiento circular a la cabeza de la biela y hace que el pie de la biela adquiera un movimiento alternativo. El pie de la biela está unido a un elemento (por ejemplo, un émbolo) y que es el que recibe el movimiento alternativo. Si sustituimos la manivela por una rueda excéntrica llamamos al conjunto excéntrica-biela. El resultado es el mismo. El sistema es perfectamente reversible, es decir, el movimiento lineal alternativo de la biela se puede transmitir a la manivela o excéntrica para conseguir un movimiento circular. Motor de automóvil, limpiaparabrisas, rueda de afilar, máquina de coser, compresor de pistón. 6.2. CIGÜEÑAL Cuando varias manivelas se asocian sobre un único eje da lugar al cigüeñal. En las muñequillas del cigüeñal se colocan las bielas, de forma que en las cabezas de éstas se consigue un movimiento lineal alternativo desacompasado. El sistema suele complementarse con un émbolo que es el que recibe el movimiento alternativo del pie de biela. El ejemplo más conocido de este mecanismo es el de los motores de combustión interna de los vehículos. 14
En los automóviles para transmitir el movimiento del motor a las ruedas. En este caso la transmisión se produce desde el émbolo (movimiento lineal alternativo) al cigüeñal (movimiento rotacional que se transmite a las ruedas). En juguetes, para sincronizar piernas y manos. 6.3. LEVA La leva es un disco con un perfil externo parcialmente circular sobre el que apoya un operador móvil (seguidor de leva ) destinado a seguir las variaciones del perfil de la leva cuando esta gira. La forma del contorno de la leva (perfil de leva) siempre está supeditada al movimiento que se necesite en el seguidor, pudiendo aquel adoptar curvas realmente complejas. Motores de automóviles (para la apertura y cierre de las válvulas), programadores de lavadoras (para la apertura y cierre de los circuitos que gobiernan su funcionamiento), carretes de pesca (mecanismo de avance-retroceso del carrete), cortapelos, depiladoras, cerraduras. 6.4. EXCÉNTRICA La excéntrica es, básicamente, un disco (rueda) dotado de dos ejes: eje de giro y eje excéntrico. Se suele utilizar combinada con otros operadores mecánicos y sus dos utilidades principales ya las hemos visto: Formando un sistema biela-excéntrica (con la misma utilidad que el sistema biela-manivela). La rueda gira alrededor del eje de giro. Formando un sistema excéntrica-seguidor (similar a un sistema leva seguidor). La rueda gira alrededor del eje excéntrico. 15
: Actividades Realiza los ejercicios 22, 23, 24 y 25 16