Mecanismos

Una máquina se puede considerar como un sistema en el que una forma de energía entra para salir transformada en otra forma de energía o en trabajo útil.
Energía 1 ---->   MÁQUINA  ---> Energía 2
Una máquina simple es aquella que realiza esta transformación en un solo paso, mientras que una máquina compuesta está formada por varios mecanismos conectados entre sí.
Los mecanismos son los elementos encargados de transmitir y transformar los movimientos y las fuerzas en trabajo útil.
La utilidad de una máquina se basa en que multiplica y transforma la fuerza que una persona o un motor puede realizar. Para ello la fuerza o movimiento de entrada, deben ser transmitidos, transformados, o ambas cosas a la vez, en un movimiento y una fuerza de salida adecuados para que la máquina pueda realizar la función para la que ha sido diseñada.
Los mecanismos encargados de efectuar todas estas transformaciones, se pueden clasificar en función del tipo de transformación que producen:

La rueda: fue inventada hace más de 5000 años. Cuando se utiliza para el transporte de carga, disminuye notablemente el área de contacto con el suelo y, por tanto, el rozamiento.
Mecanismos de transmisión lineal.- Transmiten el movimiento y la fuerza de manera lineal de un punto a otro. Entre estos mecanismos se encuentran:

    La palanca.- Es una barra rígida que gira en torno a un punto de apoyo o fulcro. Cualquier fuerza aplicada sobre la palanca hace que esta gire respecto al fulcro. La fuerza de giro (momento), es directamente proporcional a la distancia entre el fulcro y la fuerza aplicada. En la figura observamos:

  La fuerza aplicada F_A o P (potencia), esfuerzo que debemos aplicar para levantar la carga.

  La fuerza resistente F_R o R (resistencia), es el peso de la carga que queremos levantar.

  El brazo de la fuerza aplicada b_A, distancia entre el fulcro y el punto de la barra donde se aplica la fuerza.

  El brazo resistente b_R, distancia entre el fulcro y el punto de la barra donde se encuentra la carga.

Como ya vimos, cualquier fuerza aplicada a la palanca hace que esta gire con respecto al punto de apoyo o fulcro, creando un momento de giro (M). Para que un cuerpo que puede girar esté en equilibrio, la suma de los momentos tiene que ser cero.

             M_A - M_B = 0

Como el momento es la fuerza por la distancia sustituimos y nos queda:

P · b_p = R · b_R

  Esta ley es la ley de la palanca o ley de equilibrio de las máquinas simples.

Según esto vemos que la fuerza F_A es tanto menor cuanto mayor sea la distancia d a la que se aplica y viceversa, a menor distancia mayor fuerza necesaria para igualar la resistencia. Esto nos permite diseñar palancas para elevar grandes cargas con poco esfuerzo y mayor comodidad.

Podemos diferenciar tres tipos de palancas según la posición relativa del punto de apoyo, potencia (fuerza) y resistencia.
   Palancas de primer género.- En este tipo de palancas el punto de apoyo o fulcro se encuentra situado entre la potencia y la resistencia. Ejemplos de este tipo de palancas son el balancín, las tijeras, alicates, tenazas, balanzas, abrelatas,...

                                   

En este tipo de palancas, cuanto más grandes sean los mangos, menos esfuerzo necesitamos realizar para utilizarlas, sobre todo, cuando se trata de cortar un material que presente una cierta resistencia con unas tijeras o unos alicates por ejemplo.
Palancas de segundo género.- En este tipo de palancas la resistencia  se encuentra situada entre el punto de apoyo o fulcro y la potencia. Ejemplos de este tipo de palancas son la carretilla, la guillotina,...

                                  
   Palancas de tercer género.- En este tipo de palancas la potencia  se encuentra situada entre el punto de apoyo o fulcro y la resistencia. Ejemplos de este tipo de palancas son las pinzas de depilar, grapadora, pedal,...

                  

Palancas múltiples.- están formadas por combinaciones de palancas del mismo o distinto género.

                                                                       

    Las poleas.- Mecanismo de transmisión lineal. Es una rueda acanalada por donde se introduce una cuerda o correa. Se utilizan para elevar cargas con mayor comodidad ya que cambian el sentido de la fuerza, aunque lo más importante es qe también pueden dividir la fuerza necesaria para elevar una gran carga si se combinan varias poleas.

Según el número de poleas y su disposición se pueden clasificaar en:

  Polea fija.- Rueda acanalada por la que pasa una cuerda o correa que permite vencer de forma cómoda la resistencia ofrecida por una carga, aplicando una fuerza. En la polea fija el eje se encuentra fijo y por tanto la polea no se desplaza, sólo gira al tirar de la cuerda. Para que una polea fija esté en equilibrio, la fuerza y la resistencia deben ser iguales:

 

  Polea móvil.- Es un mecanismo que tiene ganancia mecánica (empleando pequeñas potencias se pueden vencer resistencias mayores), se emplea para reducir el esfuerzo necesario para la elevación o el movimiento de cargas. Se suele encontrar en máquinas como grúas, montacargas, ascensores... Normalmente se encuentra formando parte de mecanismos más complejos denominados polipastos. En ellas se distinguen los siguientes elementos tecnológicos básicos:
Polea móvil
Resistencia (R). Es el peso de la carga que queremos elevar o la fuerza que queremos vencer.
Tensión (T). Es la fuerza de reacción que aparece en el punto fijo para evitar que la cuerda lo arranque. Tiene el mismo valor que la potencia.
Potencia (P). Fuerza necesaria para vencer la resistencia. Esta fuerza es la única que nosotros tenemos que aplicar, pues la tensión es soportada por el punto de anclaje de la cuerda.

La carga y la polea solamente se desplazan la mitad del recorrido (L/2 metros) que realiza el extremo libre de la cuerda (L metros).

El inconveniente de este montaje es que para elevar la carga tenemos que hacer fuerza en sentido ascendente, lo que resulta especialmente incómodo y poco efectivo. Para solucionarlo se recurre a su empleo bajo la forma de polipasto (combinación de poleas fijas con móviles)                                
  Polipasto.- Tipo especial de montaje de poleas fijas y móviles. Conjunto de poleas combinadas que nos permiten elevar un gran peso empleando poca fuerza. Está compuesto de poleas fijas y móviles. Los elementos técnicos del sistema son los siguientes:
La polea fija tiene por misión modificar la dirección de la fuerza (potencia) que ejercemos sobre la cuerda. El hecho de ejercer la potencia en sentido descendente facilita la elevación de cargas, pues podemos ayudarnos de nuestro propio peso.
La polea móvil tiene por misión proporcionar ganancia mecánica al sistema. Por regla general, cada polea móvil nos proporciona una ganancia igual a 2. Dividimos la carga por dos a la hora de aplicar la fuerza.
La cuerda (cable) transmite las fuerzas entre los diferentes elementos. Su resistencia a la tracción ha de estar en función del valor de la resistencia y de la ganancia mecánica del sistema, que a su vez depende del número de poleas móviles y de su combinación con las fijas.

                                                                       

En este mecanismo la ganancia mecánica y el desplazamiento de la carga van en función inversa: cuanto mayor sea la ganancia mecánica conseguida menor será el desplazamiento. La ganancia de cada sistema depende de la combinación realizada con las poleas fijas y móviles, por ejemplo, podremos obtener ganancias 2, 3 ó 4 según empleemos una polea fija y una móvil, dos fijas y una móvil o una fija y dos móviles respectivamente. El inconveniente es que la distancia a la que puede elevarse la carga depende de la distancia entre poleas (normalmente entre entre las dos primeras poleas, la fija y la primera móvil). Para solucionarlo se recurre a mecanismos en los que varias poleas fijas y móviles acopladas respectivamente en ejes comunes, son recorridos por la misma cuerda.

	La fuerza necesaria para elevar la carga es la resistencia entre 2 elevado al número de poleas móviles.

Mecanismos de transmisión circular.- Transmiten el movimiento, la fuerza y la potencia de manera circular desde el elemento motriz a los elementos receptores. Entre estos mecanismos se encuentran las ruedas de fricción, las poleas con correa, los engranajes y el tornillo sin fin.
Para empezar a trabajar con los mecanismos de transmisión circular empezaremos a trabajar conceptos básicos relacionados con la velocidad. La velocidad de giro de las poleas o de un eje se puede medir de dos formas:
Velocidad circular (n).- se mide en vueltas por minuto o revoluciones por minuto (rpm).

Velocidad angular (w).- se mide en radianes por segundo. El radian es la unidad de medida de los ángulo
Ruedas de fricción.- Sistema formado por dos o más ruedas, solidarias con sus ejes, en contacto. Desde el punto de vista técnico tenemos que considerar, como mínimo, 4 operadores:

Eje conductor: Normalmente estará unido a un motor y es el que realiza el giro que queremos transmitir.
Rueda conductora: solidaria con el eje conductor, recoge el giro de este y lo transmite por fricción (rozamiento) a la rueda conducida
Rueda conducida: recoge el giro de la rueda conductora mediante fricción entre ambas.
Eje conducido: recibe el giro de la rueda conducida y lo transmite al receptor.

 

  El sentido de giro de salida es el contrario al de entrada. Si hay más de una rueda, el sentido se va alternando.

Las ruedas de fricción no son capaces de transmitir grandes potencias debido a que pueden resbalar entre sí, con la consecuente pérdida de velocidad. Además, sufren desgaste debido a que su funcionamiento viene dado por rozamiento y presión.

La distancia recorrida por una rueda de fricción es la longitud de la circunferencia (perímetro), por el número de vueltas que da en un tiempo determinado que lamamos t.

 La longitud recorrida por la rueda naranja es:

            perímetro = 2 · p · r_m

 La longitud recorrido por la rueda azul es:

           perímetro = 2 · p · r_c

 El espacio recorrido por ambas ruedas de pende del perímetro y del número de vueltas. Entonces:

El espacio recorrido por la rueda naranja es:

             espacio_m =  2 · p · r_m · n_m  siendo n el número de vueltas en un tiempo t
El espacio recorrido por la rueda azul es:

            espacio_c =  2 · p · r_m · n_c  siendo n el número de vueltas en un tiempo t
Ambas ruedas se mueven durante el mismo tiempo y al final deben recorrer el mismo espacio, y por lo tanto:
            espacio_m =  espacio_c    entonces     2 · p · r_m · n_m   =  2 · p · r_c· n_c

                 Dos ves el radio es el diámetro y nos queda:

  p · d_m · n_m   =   p · d_c · n_c

                Simplificamos y nos queda:

  d_m · n_m  =  d_c · n_c

La relación de transmisión, i, relaciona entre sí los diámetros de las ruedas o bien de las velocidades de las ruedas. La relación de transmisión es la relación entre la velocidad de la rueda conducida y la conductora, o bien la relación entre el diámetro de la conductora y la conducida.

          

  Poleas con correa.- Mecanismo formado por una correa que conduce el movimiento de una polea a otra. Las hendiduras de ambas poleas deben ser del mismo tamaño y la correa entre ambas debe tener la tensión adecuada para transmitir el movimiento. Permite la transmisión de movimiento entre ejes alejados entre sí. Permite aumentar o disminuir la velocidad, o bien mantener o invertir el sentido de giro de los ejes.

                     

       Eje conductor, eje que dispone del movimiento que queremos trasladar o transformar.
       Eje conducido, eje que tenemos que mover.
       Polea conductora unida al eje conductor.
       Polea conducida unida al eje conducido.
       Correa, aro flexible que une ambas poleas y transmite el movimiento de una a otra.
       Base, encargada de sujetar ambos ejes y mantenerlos en la posición adecuada.  
La transmisión por correa es silenciosa, aunque puede patinar cuando se quiere transmitir mucho esfuerzo, esto a veces es positivo al permitir a la correa absorber las frenadas o aceleraciones del motor. El que la correa patine produce cambios en la relación de transmisión. La correa debe tensarse para evitar pérdidas en el rendimiento. Las pérdidas de potencia suelen ser elevadas de manera que el rendimiento suele ser del 94 al 98%. No soportan temperaturas elevadas por el material del que están hechas, pudiendo sufrir deterioros importantes.
Las correas empleadas se clasifican según su forma, siendo las más frecuentes:
A mayor diámetro mayor fuerza se transmite a su eje y menor velocidad de giro.

Tren de poleas con correa.-  El tren de poleas es un sistema de poleas formado por más de dos poleas, el movimiento circular del eje motriz, se transmite al eje 2 a través de las poleas. La polea 2 y la 3 están unidas solidariamente al eje 2, por lo que giran a la misma velocidad. El movimiento de la polea 3 se transmite a la polea 4 a través de la correa y al eje de salida al que se encuentra unida solidariamente.

                           

Cono de poleas escalonado.-  Mecanismo de transmisión por correa formado por un conjunto de poleas unidas entre sí y ordenadas de ayor a menor diámetro, montadas sobre un eje (eje motriz) y enfrentadas a otro grupo de poleas en posición invertida respecto a primero sobre un eje paralelo al primero (eje conducido).

La correa se puede desplazar de un escalón a otro del cono de poleas. Podemos obtener así distintas velocidades en el eje conducido. Se conoce como cambio de marchas o velocidades.

  Engranajes o ruedas dentadas.- Los engranajes se componen de ruedas dentadas que transmiten el movimiento por empuje directo de sus dientes. Su funcionamiento es similar al de las ruedas de fricción pero con la ventaja de no existir deslizamientos.

                                                                              

En la expresión que rige el funcionamiento de los engranajes, el diámetro se sustituye por el número de dientes:

Z_m · n_m  =  Z_c · n_c

  Las principales ventajas son: mantener la relación de transmisión constante incluso transmitiendo grandes potencias entre los ejes (caso de automóviles, camiones, grúas...), lo que se traduce en mayor eficiencia mecánica (mejor rendimiento). Además, permite conectar ejes que se cruzan (mediante tornillo sinfín), o que se cortan (mediante engranajes cónicos) y su funcionamiento puede llegar a ser muy silencioso. Permiten transmitir fuerzas mayores.
Los principales inconvenientes son: su alto coste y poca flexibilidad (en caso de que el eje conducido cese de girar por cualquier causa, el conductor también lo hará, lo que puede producir averías en el mecanismo motor o la ruptura de los dientes de los engranajes). Otro inconveniente importante es que necesita lubricación (engrase) adecuada para evitar el desgaste prematuro de los dientes y reducir el ruido de funcionamiento.
                        Los trenes de engranajes

   

  Engranajes con cadenas.- Sistema formado por dos ruedas dentadas unidas a ejes paralelos situados a cierta distancia unas de otras y que giran simultáneamente por el efecto de la rueda dentada motriz. Los dos engranajes y por tanto los dos ejes giran en el mismo sentido. Este sistema se utiliza en máquinas industriales y motores, bicicletas, motos,.... Permite la transmisión de potencias elevadas sin pérdida de velocidad debido a que la cadena va enganchando diente por diente del engranaje eliminando la posibilidad de desplazamiento entre rueda y cadena.

  Tornillo sin fin y rueda dentada.- Tornillo que engrana con una rueda dentada helicoidal, cuyo eje es perpendicular al eje del tornillo. Por cada vuelta del tornillo sin fin acoplado al eje motriz, la rueda dentada gira un diente. Se emplea en mecanismos que necesiten una gran reducción de velocidad y un aumento importante de la ganancia mecánica: clavijas de guitarra, reductores de velocidad para motores eléctricos, limpiaparabrisas de los coches, cuentakilómetros... El tornillo tiene un solo diente.

Ofrece una gran reducción de velocidad y, por tanto, un aumento importante de la ganancia mecánica. El tornillo sinfín solamente tiene un diente mientras que el piñón puede tener los que queramos.
Esa gran ganancia mecánica y la posición relativa de los dientes hace que el mecanismo sea irreversible, por lo que no es posible hacerlo funcionar si conectamos el piñón al árbol motriz y el sinfín al conducido.
El espacio que ocupa es mínimo en relación a otras opciones (multiplicador de velocidad, tren de engranajes...).

                

En el siguiente enlace podreis poner en práctica vuestros conocimientos.