1. MÁQUINAS 1.1 Definición Una máquina es un conjunto de elementos móviles y fijos, cuyo funcionamiento posibilita aprovechar, dirigir, regular o transformar energía o realizar un trabajo. Se denomina maquinaria al conjunto de máquinas que se aplican para un mismo fin. 1.2 Elementos de una máquina Estructura: Conjunto de elementos que protegen el resto de los componentes y sirve para su colocación. Motor: Dispositivo que se encarga de transformar la energía. Mecanismos: Elementos que transforma y transmite las fuerzas y los movimientos. Circuitos: Componentes a través de los que se transporta materia y energía de un lugar a otro. Dispositivos de mando, regulación y control: permiten gobernar la máquina. 1.3 Máquinas simples Emplean un solo paso para realizar su trabajo. Hay tres tipos: La palanca. La palanca es una barra rígida con un punto de apoyo, a la que se aplica una fuerza y que, girando sobre el punto de apoyo, vence una resistencia. El plano inclinado. Es una superficie elevada por uno de sus extremos. El eje y la rueda Una rueda es un círculo que gira alrededor de un eje que la atraviesa por su centro. 1.4 Mecanismos Es una combinación de máquinas simples y su misión es transformar y trasmitir fuerzas y movimientos. La cuña. Son dos planos inclinados unidos por una de sus aristas. El tornillo y la tuerca Cilindro donde se le hendido una muesca con paso de hélice. La tuerca es un orifico donde se le ha perforado con el mismo paso de hélice. Transforman el movimiento rotativo en un movimiento lineal. La polea. Es una rueda que tiene un surco o canal por el que se desliza una correa o cuerda. Engranajes Son ruedas dentadas que permiten cambiar la intensidad y dirección de las fuerzas. La leva. Es una pieza con una forma especial (tipo ovoide) que gira solidariamente con un eje. Transforma el movimiento circular o rotativo en un movimiento alternativo del seguidor. La biela manivela. La biela manivela transforma el movimiento giratorio de la manivela en uno alternativo de la biela; ambas se mueven en el mismo plano y un giro regular de la manivela da lugar a un movimiento alternativo de la biela. El cigüeñal Conjunto de manivelas colocadas sobre un mismo eje. Página 1 de 7
2. DESCRIPCIÓN Y ESTUDIO DE LAS MÁQUINAS Y LOS MECANISMOS 2.1 La Palanca La palanca está compuesta por una barra rígida que puede girar libremente alrededor del fulcro (punto de apoyo). Puede utilizarse para amplificar o cambiar la dirección de una fuerza mecánica que se aplica a un objeto. Historia El descubrimiento de la palanca y su empleo en la vida cotidiana proviene de la época prehistórica. El manuscrito más antiguo que se conserva con una mención al respecto forma parte de la Sinagoga o Colección matemática de Pappus de Alejandría, una obra en ocho volúmenes que se estima fue escrita alrededor del año 340. Allí aparece la famosa cita de Arquímedes: Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo A Arquímedes se le atribuye la primera formulación matemática del principio de la palanca. Fórmula En física, la fórmula de la palanca es: P dp = R dr Siendo P la potencia o fuerza que ejercemos y R la resistencia o fuerza que transmitimos o vencemos, d y d son las distancias que hay del punto de apoyo a P y R. p r Tipos de Palancas Las palancas se dividen en tres tipos o géneros, dependiendo de la posición relativa del fulcro (punto de apoyo) y los puntos de aplicación de las fuerzas: potencia y resistencia. Palanca de primer género En la palanca de primer género, el punto de apoyo se encuentra situado entre la potencia y la resistencia. Ejemplos de este tipo de palanca son el columpio, los remos, las tijeras (combinación de dos palancas). Página 2 de 7
Palanca de segundo género En la palanca de segundo género, la resistencia se encuentra entre el fulcro y la potencia. Ejemplos de este tipo de palanca son la carretilla y el cascanueces (combinación de dos palancas). Palanca de tercer género En la palanca de tercer género, la potencia se encuentra entre el fulcro y la resistencia. Ejemplo de este tipo de palanca es la caña de pescar, el quitagrapas y la pinza de cejas (estas dos últimas, combinación de dos palancas). El tercer tipo se caracteriza en que la fuerza aplicada debe ser mayor que la fuerza obtenida. Este tipo de palancas se utiliza cuando lo que se requiere es ampliar la velocidad transmitida a un objeto o la distancia recorrida. 2.2 Plano inclinado El plano inclinado es una superficie plana que forma un ángulo agudo con el suelo y se utiliza para elevar cuerpos a cierta altura. Tiene la ventaja de necesitarse una fuerza menor que la que se emplea si levantamos dicho cuerpo verticalmente, aunque a costa de aumentar la distancia recorrida y vencer la fuerza de rozamiento. Las leyes que rigen el comportamiento de los cuerpos en un plano inclinado fueron enunciadas por primera vez por el gran matemático neerlandés Simon Stevin, en la segunda mitad del siglo XVI. Fórmula Imaginemos que queremos arrastrar el peso G El peso del bloque, que es una magnitud vectorial (vertical y hacia abajo), puede descomponerse en dos componentes, F 1 y F 2, paralelo y perpendicular al plano inclinado respectivamente, siendo: F1 = G sinα F2 = G cosα Además, la superficie del plano inclinado genera una fuerza de rozamiento vencer para poder desplazarlo. Esta fuerza es: Página 3 de 7 F r que también deberemos
Fr = µ F2 = µ G cosα siendo µ el coeficiente de rozamiento. Analizando la figura, es evidente que para conseguir desplazar el bloque, la fuerza (F) que deberemos aplicar, será: F = F1 + Fr = G sinα + µ G cosα = G( sinα + µ cosα) Si en vez del utilizar el plano inclinado, tratáramos de levantar el bloque verticalmente, la fuerza (G) que tendríamos que aplicar sería la del peso del bloque debido a la fuerza de la gravedad. 2.3 La Cuña La cuña consiste en una pieza terminada en ángulo diedro muy agudo. Técnicamente es un doble plano inclinado portátil. Sirve para hender o dividir cuerpos sólidos, para ajustar o apretar uno con otro, para calzarlos o para llenar alguna raja o hueco. El funcionamiento de la cuña responde al mismo principio que el del plano inclinado. Al moverse en la dirección de su extremo afilado, la cuña genera grandes fuerzas en sentido perpendicular a la dirección del movimiento. Estas son las fuerzas que se aprovechan para separar objetos, o para generar fricción y mantener la cuña fija a los objetos con los que está en contacto. Ejemplos muy claros de cuñas son hachas, cinceles y clavos aunque, en general, cualquier herramienta afilada, como el cuchillo o el filo de las tijeras, puede actuar como una cuña. 2.4 El Tornillo y la Tuerca 2.5 La Polea Una polea, también llamada garrucha, carrucha, trocla, trócola o carrillo, sirve para transmitir una fuerza. Se trata de una rueda, generalmente maciza y acanalada en su borde, que, con el concurso de una cuerda o cable que se hace pasar por el canal ("garganta"), se usa como elemento de transmisión para cambiar la dirección del movimiento en máquinas y mecanismos. Además, formando conjuntos aparejos o polipastos sirve para reducir la magnitud de la fuerza necesaria para mover un peso, variando su velocidad. Página 4 de 7
Polea simple fija La manera más sencilla de utilizar una polea es anclarla en un soporte, colgar un peso en un extremo de la cuerda, y tirar del otro extremo para levantar el peso. A esta configuración se le llama polea simple fija. Una polea simple fija no produce una ventaja mecánica: la fuerza que debe aplicarse es la misma que se habría requerido para levantar el objeto sin la polea. La polea, sin embargo, permite aplicar la fuerza en una dirección más conveniente. Polea simple móvil Una forma alternativa de utilizar la polea es fijarla a la carga, fijar un extremo de la cuerda al soporte, y tirar del otro extremo para levantar a la polea y la carga. La polea simple móvil produce una ventaja mecánica: la fuerza necesaria para levantar la carga es justamente la mitad de la fuerza que habría sido requerida para levantar la carga sin la polea. Por el contrario, la longitud de la cuerda de la que debe tirarse es el doble de la distancia que se desea hacer subir a la carga. Polea compuestas Página 5 de 7
Polipastos o aparejos El polipasto es la configuración más común de polea compuesta. Es una máquina que se utiliza para levantar o mover una carga con una gran ventaja mecánica (En el caso de una máquina simple, la ventaja mecánica es el parámetro que resulta de dividir el valor numérico de la resistencia de un cuerpo entre la fuerza aplicada sobre este) porque se necesita aplicar una fuerza mucho menor al peso que hay que mover. La ventaja mecánica del polipasto puede determinarse contando el número de segmentos de cuerda que llegan a las poleas móviles que aportan la carga. Lleva dos o más poleas incorporadas para minimizar el esfuerzo. En un polispasto, las poleas se distribuyen en dos grupos, uno fijo y uno móvil. En cada grupo se instala un número arbitrario de poleas. La carga se une al grupo móvil. Estos mecanismos se utilizan mucho en los talleres o industrias que cargan elementos y materiales muy pesados para hacer más rápida y fácil la elevación y colocación de estas piezas en las diferentes máquinas-herramientas que hay en los talleres o almacenes, así como cargarlas y descargarlas de los camiones que las transportan. Suelen estar sujetos a un brazo giratorio que hay acoplado a una máquina, o pueden ser móviles guiados por rieles colocados en los techos de las naves industriales. Los polipastos tienen varios tamaños o potencia de elevación; los pequeños se manipulan a mano y los más grandes llevan incorporados un motor eléctrico. 2.6 Los engranajes Ruedas dentadas que cambian la dirección y el sentido del movimiento y transforman las fuerzas. Página 6 de 7
2.7 La Leva Es una pieza en forma de ovoide que gira solidariamente con un eje. Convierte el movimiento giratorio en un movimiento alternativo de un elemento rectilíneo (seguidor). 2.8 La Biela-manivela La biela es una barra rígida colocada en un punto de un círculo, distinto del centro. A medida que el círculo gira, la biela avanza y retrocede. La manivela es una barra rígida en forma de Z unida a un eje de tal manera que, cuando se gira la manivela, el eje gira también. El conjunto formado por los dos mecanismos se denomina biela-manivela. 2.9 El Cigüeñal Es un conjunto de manivelas que están colocadas sobre un mismo eje. Se utiliza para dar movimiento a varios elementos de forma alternativa. Convierte un movimiento giratorio en alternativo o viceversa. Página 7 de 7