MAQUINAS COMPUESTAS

Cuando no es posible resolver un problema técnico en una sola etapa hay que recurrir al empleo de una máquina compuesta, que no es otra cosa que una sabia combinación de diversas máquinas simples, de forma que la salida de cada una de ellas se aplica directamente a la entrada de la siguiente hasta conseguir cubrir todas las fases necesarias.

Las máquinas simples, por su parte, se agrupan dando lugar a los mecanismos, cada uno encargado de hacer un trabajo determinado. Si analizamos un taladro de sobremesa podremos ver que es una máquina compuesta formada por varios mecanismos: uno se encarga de crear un movimiento giratorio, otro de llevar ese movimiento del eje del motor al del taladro, otro de mover el eje del taladro en dirección longitudinal, otro de sujetar la broca, otro...

La práctica totalidad de las máquinas empleadas en la actualidad son compuestas, y ejemplos de ellas pueden ser: polipasto, motor de explosión interna (diesel o gasolina), impresora de ordenador, bicicleta, cerradura, lavadora, video...

MECANISMOS

Toda máquina compuesta es una combinación de mecanismos; y un mecanismo es una combinación de operadorescuya función es producir, transformar o controlar un movimiento.

Los mecanismos se construyen encadenando varios operadores mecánicos entre si, de tal forma que la salida de uno se convierte en la entrada del siguiente.

Por ejemplo, en el taladro de sobremesa se emplean varios mecanismos, analicemos dos de ellos directamente relacionados con los movimientos de la broca (giro y avance):

El primer mecanismo es el encargado de llevar el movimiento giratorio desde el eje conductor al conducido (desde el motor al eje que hace girar la broca). Para construirlo se han empleado diez poleas de diferentes diámetros, dos ejes y una correa, formando la denominada caja de velocidades.

Con este sistema se modifican las condiciones de velocidad del eje del motor adaptándolas a las que necesita la broca.

El segundo mecanismo es el encargado de desplazar la broca longitudinalmente (hacia arriba o hacia abajo). Este mecanismo consiste en uneje de avance que accionado por una palanca de control hace girar un piñónque a su vez engrana con una cremallera que se desplaza hacia arriba o hacia abajo según el sentido de giro del piñón (mecanismo cremallera-piñón). Vemos que con este sistema transformamos un movimiento circular en el extremo de la palanca de control en uno longitudinal de la broca.

Este mecanismo encadena los efectos de, al menos, cuatro operadores (algunos no se han representado para simplificar el gráfico): eje, palanca,piñón y cremallera.

Mecanismos para la transformación de movimientos 

Para diseñar mecanismos para nuestros proyectos de tecnología necesitamos conocer el movimiento que tenemos (movimiento de entrada) y el que queremos (movimiento de salida) para después elegir la combinación de operadores (mecanismo) más adecuada. En el cuadro siguiente se ofrece una clasificación útil para abordar los proyectos de Tecnología.

Movimiento Entrada

Movimiento Salida 

Mecanismo que podemos emplear

Giratorio

Giratorio

Ruedas de fricciónTransmisión por correa (Polea-correa)Transmisión por cadena (Cadena-piñón)Rueda dentada-LinternaEngranajesSinfín-piñón

OscilanteLeva-palancaExcéntrica-biela-palanca

Lineal alternativo

Cigüeñal-bielaExcéntrica-biela-émbolo (biela-manivela)Leva-émbolo

Lineal continuoCremallera-piñón Tornillo-tuercaTorno-cuerda

OscilanteGiratorio Excéntrica-biela-palancaOscilante

Lineal alternativoSistema de palancas

Lineal continuo  Giratorio  

Cremallera-Piñón o Cadena-Piñón Aparejos de poleas   RuedaTorno

Lineal alternativo  

Giratorio alternativo

Cremallera-piñón

Giratorio continuo

Biela-manivela (excéntrica-biela; cigüeñal-biela)

Lineal alternativo 

Sistema de palancas

Otros mecanismos

Además de lo anterior, para nuestros proyectos mecánicos de Tecnología necesitaremos hacer uso de otros mecanismos que no se dedican a transformar movimientos, sino más bien a controlarlos o facilitarlos. Algunos de los más útiles son:

Mecanismo/operador Utilidad práctica

Cable o cuerdaTransmitir fuerzas entre dos puntos variando la dirección de estas

CuñaEvita el movimiento de objetos rodantes. Multiplica la fuerza.

Gatillo Permite liberar una energía fácilmente.Palanca Permite mover masas más fácilmente.

Polea fija de cableReduce el rozamiento en los cambios de dirección de una cuerda.

Polipasto Permite mover masas más fácilmente.Rampa Guía el desplazamiento de objetos rodantes

Tren de rodaduraFacilita el desplazamiento de objetos sobre una superficie.

Trinquete Evita que un eje gire en un sentido no deseado.

OPERADORES

En Tecnología se entiende por operador cualquier objeto (o conjunto de objetos) capaz de realizar una función tecnológica dentro de un conjunto. Por ejemplo:

FUNCIÓN TECNOLÓGICA POSIBLES OPERADORESAbrir o cerrar el paso de una corriente

eléctricainterruptor, pulsador, conmutador...

Unir dos trozos de madera tornillo, clavo, tirafondo...Convertir en alternativo un movimiento

giratorioexcéntrica, manivela, leva...

Producir calorresistencia eléctrica, vela, antorcha...

Conseguir ganancia mecánica polipasto, palanca, manivela...

Como vemos, en el apartado POSIBLES OPERADORES hemos puesto tanto elementos individuales (clavo, tirafondo, manivela...) como agrupaciones de ellos (interruptor, palanca, polipasto...), pues lo que identifica a un operador no es el conjunto de elementos que lo forman sino su capacidad para realizar una función dentro de un conjunto.

Aunque no sea una clasificación muy precisa, se puede hablar de operadores según la tecnología a la que pertenecen, pudiendo encontrar

operadores: eléctricos (lámpara, cable, fusible, enchufe...), electrónicos (diodo, transistor, placa de circuito impreso...), mecánicos (eje, biela, polea, cuerda...), térmicos (cerillas, teas, piezoeléctrico...), químicos (grasa, cera, fósforo...), estructurales (barra, cartela, remache...), hidráulicos (grifo, bomba de agua, turbina...), etc.

Cuando empleamos operadores mecánicos, su unión (o interconexión) da lugar a un mecanismo, que a su vez puede ser considerado como otro operador si se une con otros mecanismos para formar una máquina. Eso mismo sucede con el resto de operadores. Veamos dos ejemplos cotidianos:

Para la construcción de una balanza romana tenemos que recurrir a la interconexión de varios operadores mecánicos y estructurales: barra, argolla, plato, tirantes, gancho... que en conjunto dan lugar a una palancaque se emplea para medir la masa de los objetos.

Para construir un circuito eléctrico elemental necesitamos interconectar, como mínimo, los operadores siguientes: pila eléctrica, cable, interruptor y lámpara.

En este caso el cable es un operador que tiene por misión permitir el paso de la corriente eléctrica por su interior evitando las fugas hacia el exterior, pero está formado por 2 operadores

más básicos: un conductor (cobre por el interior) y un aislante (PVC en el exterior). Lo mismo sucede con el interruptor, cuya función tecnológica es controlar el paso de la corriente eléctrica de forma fácil y segura, y está compuesto por otros operadores más elementales (una carcasa aislante exterior, varios tornillos y tuercas, un muelle, una palanca y un accionador basculante). Con la lámpara y la pila eléctrica sucede lo mismo.

 Operadores para la transformación de movimientos

Para la elaboración de nuestros proyectos tecnológicos necesitamos emplear mecanismos que a su vez están construidos con operadores.

La mayoría de los operadores mécanicos derivan de una máquina simple (o de una combinación de ellas), por lo que, aunque no sea una agrupación muy usual, se puede relacionar cada operador mecánico con la máquina simple de la que deriva. En la siguiente tabla aparecen relacionados, por orden alfabético, los operadores que necesitaremos para nuestros proyectos de Tecnología.

 OPERADORmecánico

MÁQUINA SIMPLE

Palanca Plano

inclinado Rueda

Biela      Cigüeñal *   *

Cremallera   * *

Cuña   *  Émbolo      

Excéntrica *   *

Husillo   * *

Leva   * *

Manivela *   *

Palanca *    Plano inclinado   *  

Polea     *

Rampa   *  Rodillo     *

Rueda     *

Rueda dentada * * *Sinfín   * *

Tirafondo   * *

Tornillo   * *

Tuerca   *  

En el cuadro vemos que la biela y el émbolo no tienen relación con las 3 máquinas simples consideradas; ello es debido a que derivan de la barra, que es un operador estructural que trabaja solamente a compresión o tracción.

BIELA

Consiste en una barra rígida diseñada para establecer uniones articuladas en sus extremos. Permite la unión de dos operadores transformando el movimiento rotativo de uno (manivela, excéntrica , cigüeñal ...) en el lineal alternativo del otro (émbolo ...), o viceversa.

Desde el punto de vista técnico se distinguen tres partes básicas: cabeza, pie y cuerpo.

La cabeza de biela es el extremo que realiza el movimiento rotativo. Está unida mediante una articulación a un operador excéntrico (excéntrica , manivela, cigüeñal ...) dotado de movimiento giratorio.

El pie de biela es el extremo que realiza el movimiento alternativo . El hecho de que suela estar unida a otros elementos (normalmente un émbolo ) hace que también necesite de un sistema de unión articulado.

El cuerpo de biela es la parte que une la cabeza con el pie . Está sometida a esfuerzos de tracción y compresión y su forma depende de las características de la máquina a la que pertenezca.

Las bielas empleadas en aplicaciones industriales suelen fabricarse en acero forjado y la forma se adaptará a las características de funcionamiento. En las máquinas antiguas solía tomar forma de "S" o "C" y sección constante. En las actuales suele ser rectilínea con sección variable, dependiendo de los esfuerzos a realizar.

Utilidad

Desde el punto de vista tecnológico, una de las principales aplicaciones de la biela consiste en convertir unmovimiento giratorio continuo en uno lineal alternativo, o viceversa. La amplitud del movimiento lineal alternativo depende de la excentricidad del operador al que esté unido. Este operador suele estar asociado siempre a unamanivela (o también a una excéntrica o a un cigüeñal).

La biela se emplea en multitud de máquinas que precisan de la conversión entre movimiento giratorio continuo y lineal

alternativo. Son ejemplos claros: trenes con máquina de vapor, motores de combustión interna (empleados en automóviles, motos o barcos); máquinas movidas mediante el pie (máquinas de coser, ruecas, piedras de afilar), bombas de agua...

CAJA DE VELOCIDADES

Permite transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes distantes, pero en este caso su diseño permite obtener, con el mismo mecanismo, diferentes velocidades en el eje conducido (tantas como parejas de poleas tengamos instaladas) sin más que elegir la pareja de poleas más adecuada.

Se emplea en máquinas que necesitan varias velocidades de funcionamiento a partir de una única velocidad del motor y es especialmente apreciado en los taladros sensitivos.

Descripción

Para la fabricación de este mecanismo es necesario emplear las denominadas poleas múltiples. Estas están formadas por varias poleas de diferente diámetro montadas sobre el mismo eje, al que permanecen unidas mediante un sistema de fijación fiable (eje estriado, chaveta, tornillos...)

Con esto se consigue que todas ellas giren solidarias con el eje y a su misma velocidad angular.

El sistema completo necesita, al menos, los operadores siguientes: dos ejes, una correa y varias parejas de poleas de diferentes diámetros para montar dos poleas múltiples.

Las poleas múltiples de los ejes conductor y conducido tienen que ser iguales, pero han de instalarse invertidas entre sí, de tal forma que la suma

de los dos diámetros emparejados sea la misma, pues vamos a emplear una única correa para todo el sistema.

Además de lo anterior, para un correcto funcionamiento del mecanismo es necesario disponer de un sistema que permita aflojar la correa para cambiar el emparejamiento de las poleas; esto se puede conseguir de dos formas básicas: modificando la distancia entre ejes (a base de desplazar el motor) o empleando un sistema para el tensado de la correa (polea tensora o polea loca).

Características

Este mecanimso nos permite modificar los emparejamientos de las poleas y, por tanto, cambiar fácilmente la velocidad del eje conducido (recordemos que la velocidad del eje conductor (N1) es constante pues depende de la del motor, pero la del conducido varía en función de la relación de diámetros (D1/D2), cumpliendo todo lo apuntado para elmultiplicador de velocidades por poleas ).

Recordemos que:

Si D1>D2, aumenta la velocidad de giro (N2>N1)

Si D1=D2, se mantiene la velocidad de giro (N2=N1)

Si D1<D2, la velocidad de giro disminuye (N2<N1)

Si analizamos la figura vemos que el mecanismo dispone de cuatro velocidades que se corresponden con las indicadas en la tabla siguiente:

Velocidad

Diámetro de las poleas... Velocidad de los ejes... Relación de

velocidades

...conductora (D1)

...conducida (D2)

...conductor (N1)

...conducido (N2)

1ª Da Dd N1N2=N1(Da/

Db)N2<<N1

2ª Db Dc N1N2=N1(Db/

Dc)N2<N1

3ª Dc Db N1N2=N1(Dc/

Db)N2>N1

4ª Dd Da N1N2=N1(Dd/

Da)N2>>N1