2009

María Beatriz Fuentes

U.C.C.

04/09/2009

Enseñanza de la Tecnología Máquinas y Mecanismos

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

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

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.

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

Máquinas Simples

Palanca

Rueda

Polea Torno

Plano inclinado

Cuña Tornillo

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

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.

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:

P= R/2

Polipasto

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.

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:

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

Mecanismos de

transmisión de

movimientos

De contacto

directo

De órganos

intermedios

Rueda de

fricción

Rueda

dentada

Órganos

flexibles

Órganos

rígidos

Correa Cadena

Transformación del

movimiento de

rotación en traslación

y viceversa

Movimiento

continuo

Movimiento

alternativo

Tornillo-

tuerca

Piñón-

cremallera

Biela-

manivela Leva

Palanca

Biela

Árbol de

transmisión

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.

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

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.

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

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

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.

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

Fuentes

Apuntes de cátedra - Proyecto san Luis en Línea: Educación

Tecnológica http://www.abcpedia.com/construccion/maquinas/

http://www.dav.sceu.frba.utn.edu.ar/homovidens/Tonello/Proyecto_Final/Palancas.htm