tema 4. mecanismos y automatismos. · engranajes, poleas, correas y ruedas, entre otros, son...
TRANSCRIPT
MATERIA: TECNOLOGÍAS 3º. E.S.O. CURSO: 2011 -2012.
TEMA 4. MECANISMOS Y AUTOMATISMOS.
ÍNDICE:
0. INTRODUCCIÓN.
1. LOS COMPONENTES DE LAS MÁQUINAS. 1.1. Elementos de una máquina.
1.2. Automatismos.
1.3. Tipos de máquinas según su nivel de automatiza-ción.
2. MECANISMOS. 2.1. ¿Qué son los mecanismos?
2.2. Clasificación de los mecanismos.
Mecanismos de transmisión de movimiento. Mecanismos de transformación de movimiento.
3. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN LINEAL. 3.1. Palanca.
3.2. Polea fija.
3.3. Polea móvil. 3.4. Polipasto.
4. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN CIRCULAR. 4.1. Ruedas de fricción
4.2. Sistema de poleas con correa. 4.3. Engranajes o ruedas dentadas.
4.4. Tornillo sin fin
4.5. Sistema de engranajes con cadena. 4.6. Variación de la velocidad.
4.7. Tren de poleas con correa. 4.8. Tren de engranajes.
5. MECANISMOS DE TRANFORMACIÓN DEL MOVIMIEN-
TO. 5.1. Transformación de movimiento circular a rectilíneo.
Sistema piñón-cremallera. Sistema tornillo-tuerca.
Conjunto manivela-torno. 5.2. Transformación de movimiento circular a rectilíneo
alternativo o de vaivén.
Biela-manivela. Cigüeñal.
Leva. Excéntrica.
6. OTROS MECANISMOS.
6.1. Clasificación. 6.2. Mecanismos para dirigir el movimiento.
6.3. Mecanismos para regular el movimiento. 6.4. Mecanismos de acoplamiento.
6.5. Mecanismos de acumulación de energía. 6.6. Soportes: cojinetes y rodamientos.
7. MANIOBRA Y CONTROL EN LAS MÁQUINAS.
8. ELEMENTOS DE MANIOBRA Y CONTROL. 9. SOFTWARE DE SIMULACIÓN DE MECANISMOS. 10. RECURSOS WEB. 11. ACTIVIDADES.
12. BIBLIOGRAFÍA.
2
0. INTRODUCCIÓN. Desde tiempos muy remotos el hombre ha buscado la manera de resolver los problemas que se le pre-sentan. La caza, la pesca y la recolección de frutas y legumbres fueron actividades necesarias para sobre-
vivir y para realizarlas con mayor eficiencia fue necesario el empleo de diversos utensilios.
Cuando se dieron cuenta de que el arco, las ruedas y las palancas les ayudaban a mover más fácilmente
las cosas, se inició el uso de las máquinas. En estos instrumentos, la energía es proporcionada por los músculos de la persona que los utiliza; la fuerza que debe aplicar para realizar un trabajo físico es menor,
si emplea sus máquinas rudimentarias, que si no lo hace.
Una máquina es un instrumento o aparato capaz de realizar trabajo. Las máquinas simples requieren de
la participación del ser humano, mientras están funcionando. Cuando el hombre descubrió que las cuñas, los arcos, las ruedas y las palancas facilitaban su trabajo se inició el uso de las máquinas, primero fueron
simples, posteriormente éstas se combinaron para facilitar diversas tareas. Prácticamente todos los uten-silios que el hombre ha usado y usa se basan en estos tipos básicos llamados máquinas simples.
Ya desde la antigüedad, las gentes se han servido de herramientas con el fin de dominar el medio en el que se desenvolvían y hacer así su vida más fácil en todos los aspectos. Estas herramientas han ido evo-
lucionando a lo largo del tiempo, desde las primitivas hachas, cuchillos, buriles y raspadores hasta las máquinas modernas y sofisticadas que nos rodean por todas partes, aunque muchas veces no nos perca-
temos siquiera de su existencia: máquinas de afeitar, de taladrar, de cortar césped, ascensores, auto-
móviles, etc.
Los automatismos, como los finales de carrera o los relés, se ponen en funcionamiento, o dejan de fun-cionar, en determinadas circunstancias; por ejemplo, cuando algo choca con ellos o cuando reciben una
corriente eléctrica.
Existen distintos niveles de automatización, según sea más o menos necesaria la intervención humana.
Algunas máquinas provistas de sensores son capaces de tomar decisiones y alterar su funcionamiento según lo que ocurra en el entorno que las rodea, por ejemplo, los robots.
3
1. LOS COMPONENTES DE LAS MÁQUINAS.
De un modo general, se puede definir una máquina, como un artefacto que es capaz de aprovechar, transformar o regular la energía que recibe y producir un efecto.
También la podríamos definir como un conjunto de mecanismos interconectados.
1.1. Elementos de una máquina.
Las máquinas pueden llegar a ser extraordinariamente complejas. Sin embargo, en la mayoría de ellas podemos encontrar los siguientes elementos:
Estructura. Es el conjunto de elementos que protegen el resto de los componentes de la máquina y sirven de apoyo para colocarlos.
Motor. Es el dispositivo que se encarga de transformar la energía que se le suministra (la que pro-
porciona el viento o las corrientes de agua, la que se genera al quemar un combustible, la que pro-
cede de una pila, etc.) en energía mecánica. Hay muchos tipos de motores, pero los más habituales son los eléctricos y los de combustión o térmicos.
Mecanismos. Son los elementos encargados de transmitir y transformar las fuerzas y los movimien-
tos.
Circuitos. Son aquellos componentes a través de los que se transporta materia o energía de un
lugar a otro de la máquina. Pueden ser eléctricos, electrónicos, hidráulicos o neumáticos.
Actuadores. Son los elementos de la máquina que producen los efectos. Por ejemplo, el émbolo de una prensa, las aspas de una batidora, etc.
Dispositivos de maniobra y control. Son los elementos que permiten manejar la máquina para que su funcionamiento tenga lugar de acuerdo con lo previsto al diseñarla.
Algunas máquinas carecen de alguno de estos elementos. Por ejemplo, las antiguas máquinas de escribir
y la bicicleta no tienen motor (la energía motora la proporciona el que la usa), mientras que una calcula-
dora o un microprocesador carecen de mecanismos.
1.2. Automatismos.
Los automatismos son los elementos de la máquina capaces de ejecutar alguna secuencia de operaciones
sin necesidad de intervención manual.
Se ponen en funcionamiento, o se detienen, por sí solos, en determinadas circunstancias; por ejemplo, cuando algo choca contra ellos, cuando se iluminan, cuando transcurre un cierto tiempo o cuando se
alcanza una determinada temperatura.
Según el tipo de componentes que los forman, los automatismos pueden ser mecánicos, eléctricos,
electrónicos, electromecánicos, etc.
1.3. Tipos de máquinas según su nivel de automatización.
Según que su funcionamiento dependa más o menos de la intervención humana, las máquinas pueden
clasificarse en:
Máquinas sin automatismos. Cuando todo el control de la máquina se realiza de forma manual. Por ejemplo, las tijeras, los alicates, la bicicleta, etc.
Máquinas con automatismos. Cuando ciertos dispositivos de la máquina funcionan sin interven-ción manual. Este es el caso de la mayoría de las máquinas con motor, que están provistas de algún
mecanismo de seguridad.
4
Máquinas de ciclo fijo. Cuando se realiza automáticamente una o varias operaciones concretas
que repite una y otra vez en el mismo orden y de la misma manera. Si se quiere alterar el ciclo, hay
que parar la máquina y modificar manualmente la disposición de algunos de sus elementos. Muchas máquinas de líneas de montaje (envasadoras, etiquetadoras, selladoras, etc.) son máquinas de ciclo
fijo.
Máquina programable. Es similar a la anterior, pero lleva incorporado un programador, de manera
que para cambiar el ciclo no es necesario modificar la máquina, sino únicamente el programa. Ejem-plos de este tipo de máquina son algunos electrodomésticos como la lavadora o el lavavajillas, la
maquinaria industrial como los tornos para fabricar piezas, las bordadoras con diseños programados, etc.
Máquina inteligente. Cuando lleva incorporados sensores, además de un programa, de forma que es capaz de tomar decisiones y modificar su funcionamiento dependiendo de lo que ocurra en el en-
torno que la rodea. El ejemplo más claro son los robots, que pueden modificar su comportamiento en función de cómo varían distintas magnitudes, tanto internas como externas.
Máquina sin automatismos. Máquina con automatismos. Máquina de ciclo fijo. Etiquetadora.
Máquina programable. Torno CNC. Máquina inteligente. Robot Da Vinci.
2. MECANISMOS.
En nuestra vida cotidiana utilizamos numerosos dispositivos que facilitan la realización de un trabajo (W
= F · d). Los elementos que nos ayudan en la realización de una tarea o que transforman un tipo de energía en otro, reciben el nombre de operadores.
Existen distintos tipos de operadores, entre los que podemos encontrar:
Operadores mecánicos (palanca, muelle, rueda…). Se usan para transmitir el movimiento en-
tre las diversas partes de una máquina.
Operadores eléctricos (interruptor, lámpara…). Por ellos circula la corriente eléctrica.
5
Operadores electrónicos (diodo, transistor…). Por ellos circulan corrientes eléctricas de inten-
sidad muy baja.
Operadores neumáticos (bomba de aire, válvulas…). El aire comprimido mueve los distintos elementos de la instalación neumática.
Operadores hidráulicos (llave de paso, contador, válvulas…). El agua o el aceite mueven a es-tos elementos.
En este tema, nos centraremos en el estudio de los operadores mecánicos.
2.1. ¿Qué son los mecanismos?
Si observamos a nuestro alrededor, comprobaremos que estamos rodeados de objetos que se mueven o
tienen capacidad de movimiento.
El sistema de engranajes con cadena de la bicicleta, los engranajes del reloj, la palanca del balancín y la polea del pozo de agua son algunos de los mecanismos más sencillos que se encuentran formando parte
de muchos objetos.
Como puedes ver, todos ellos tienen aplicaciones diversas: desplazar a las personas de un sitio a otro,
indicar la hora, entretener a los niños en el parque o subir y bajar objetos. En cualquiera de los casos nos hacen la vida más cómoda y agradable: sin la bicicleta habría que desplazarse a pie; la ausencia del reloj
impediría que nos sincronizáramos; los niños no podrían jugar en el parque con el balancín, y resultaría
bastante incómodo extraer agua del pozo si no dispusiésemos de un sistema de poleas.
En todos estos ejemplos resulta indispensable un elemento motriz, o motor, que origine el movimiento. Dicho elemento motriz puede ser un muelle, un motor eléctrico o nuestros propios músculos. El movi-
miento producido por el motor se transforma y transmite, a través de los mecanismos, a los elementos receptores: ruedas, manecillas, brazos mecánicos…, realizando, así, el trabajo para el que han sido cons-
truidos esos objetos.
Los mecanismos son elementos destinados a transmitir y transformar fuerzas y movimientos desde un elemento motriz (motor) hasta un elemento receptor. Los mecanismos permiten al ser humano realizar
determinados trabajos con mayor comodidad y menor esfuerzo.
Engranajes, poleas, correas y ruedas, entre otros, son mecanismos que facilitan el trabajo de las perso-nas, ahorrándoles esfuerzo físico y tiempo y aumentando, así, su rendimiento.
Dos o más operadores mecánicos unidos entre sí, o interrelacionados, se denominan mecanismo.
Varios mecanismos interrelacionados entre sí se denominan máquina.
ELEMENTO MOTRIZ
Origina el movimiento (muelle, motor, músculos...).
MECANISMOS
ELEMENTOS RECEPTORES.
Realizan un trabajo para llevar a cabo una aplica-ción determinada (ruedas, manecillas, brazos mecá-nicos...).
OPERADOR
(Muelle, engranje, resorte...).
MECANISMO
(Sistemas de transmisión del
movimiento circular por engranajes).
MÁQUINA
(Reloj).
6
2.2. Clasificación de los mecanismos.
Según su función, podemos clasificar los mecanismos en:
Mecanismos de transmisión de movimiento. Transmiten a otro punto el movimiento produ-cido por un elemento motriz (motor).
Mecanismos de transformación de movimiento. Transforman un movimiento circular en un
movimiento rectilíneo, o viceversa.
3. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN LINEAL. Estos mecanismos transmiten el movimiento y la fuerza de manera lineal de un punto a otro. Entre estos
mecanismos se encuentran la palanca, la polea fija, la polea móvil y el polipasto.
3.1. Palanca.
La palanca es una barra rígida que gira en torno a un punto de apoyo, eje, fulcro o articulación. En un punto de la barra se aplica una fuerza, F, con el fin de vencer una resistencia, R, que actúa en otro punto
de la barra.
7
La palanca se encuentra en equilibrio cuando el producto de la fuerza, F, por su distancia, d, al punto de
apoyo es igual al producto de la resistencia, R, por su distancia, r, al punto de apoyo. Es la denominada
ley de la palanca (Arquímedes), que matemáticamente se expresa así:
LEY DE LA PALANCA:
F = fuerza que debemos aplicar para vencer a la resistencia, se mide en el S. I.
en Newtons (N) o en kg fuerza.
d = longitud del brazo motor (BM) se mide en el S. I. en metros (m). R = resistencia o fuerza que queremos vencer, en Newtons (N) o kg fuerza.
r = longitud del brazo resistente (BR), se mide en el S. I. en metros (m).
Tipos de palancas.
Hay tres tipos de palanca (de primer grado, de segundo grado y de tercer grado) en función de la posición relativa del punto de apoyo, la fuerza aplicada y la resistencia. En la tabla siguiente se muestra
un dibujo esquemático y varios ejemplos de los tres tipos de palanca:
3.2. Polea fija.
La polea es una rueda, con una hendidura tallada en su periferia, que gira alrededor de un eje. Este se
halla sujeto a una superficie fija. Por la hendidura o ranura de la polea se hace pasar una cuerda, cadena
o correa que permite vencer, de forma cómoda, una resistencia, R, aplicando una fuerza, F.
La polea fija se encuentra en equilibrio cuando la fuerza aplicada, F, es igual a la resistencia, R, que presenta la carga, es decir, cuando:
La polea sirve para elevar y bajar cargas con facilidad. Se utiliza en pozos, grúas sencillas, aparatos de musculación, etcétera.
8
3.3. Polea móvil.
La polea móvil es un conjunto de dos poleas, una de las cuales se encuentra fija, mientras que la otra puede desplazarse linealmente.
La polea móvil se encuentra en equilibrio cuando se
cumple la siguiente igualdad:
De este modo, el esfuerzo realizado para vencer la resis-tencia de una carga se reduce a la mitad con respecto a
la polea fija. Por ello, este tipo de polea permite elevar
cargas con menos esfuerzo.
3.4. Polipasto. El polipasto es un tipo especial de montaje de poleas fijas y móviles. Consta de un número par de pole-
as, la mitad de las cuales son fijas, mientras que la otra mitad son móviles.
La polipasto se encuentra en equilibrio cuando se cumple la
siguiente igualdad:
En la igualdad anterior, n es el número de poleas móviles (la mitad de las que tenga el polipasto).
Si se combinan varias poleas móviles, la fuerza que es necesa-rio aplicar sigue disminuyendo proporcionalmente al número
de poleas móviles del sistema.
Las poleas móviles y los polipastos tienen múltiples aplicacio-
nes: ascensores, montacargas, grúas…
Momento de una fuerza.
El momento, M, de una fuerza, F, aplicada a una distancia, d, viene dado por la expresión:
La fuerza, F, se mide en newtons (N), y la distancia, d, en metros (m). Por tanto, el momento, M, se expresa en newtons por metro (N·m).
Mientras que las fuerzas producen desplazamientos, los
momentos dan lugar a movimientos circulares. Podemos
comprobar este efecto al girar un volante, abrir una puerta o utilizar una llave inglesa. Además, cuanto mayor sea la distan-
cia entre el punto de aplicación de la fuerza y el eje, menor será el esfuerzo.
9
4. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN CIRCULAR.
Transmiten el movimiento, la fuerza y la potencia de forma circular desde el elemento de entrada a los receptores. Los mecanismos de transmisión circular incluyen las ruedas de fricción, los sistemas de pole-
as, los sistemas de engranajes y el tornillo sin fin.
4.1. Ruedas de fricción. Son sistemas de dos o más ruedas que se encuentran en contacto. Una de las ruedas (1) se denomina
rueda motriz o de entrada, pues al moverse provoca el movimiento de la rueda de salida (2), que se ve
arrastrada o conducida por la primera.
El sentido de giro de la rueda arrastrada es contrario al de la rueda motriz. Si se utilizan más de dos rue-das, el sentido de giro va cambiando alternativamente.
Las ruedas de fricción son muy empleadas en la industria, por ejemplo, para fabricar y arrastrar chapas
metálicas, rollos de papel u otras superficies de poco espesor. Asimismo, los radiocasetes, los aparatos
de video, etc., se sirven de este mecanismo para el arrastre de las cintas.
La relación entre las velocidades de giro de las ruedas o poleas depende del tamaño relativo de dichas ruedas y se expresa mediante la siguiente ecuación:
N1 = velocidad angular de la rueda motriz, motora, conductora o de entrada (rpm). D1 = diámetro de la rueda motriz o de entrada (mm).
N2 = velocidad angular de la rueda de salida o conducida (rpm). D2 = diámetro de la rueda de salida o conducida (mm).
i = relación de transmisión del sistema.
Las ruedas de fricción tienen algunos inconvenientes:
No transmiten grandes potencias, ya que pueden resbalar unas sobre otras, con la consiguiente
pérdida de velocidad.
Sufren desgaste, debido a que funcionan por rozamiento. Si se pierde el punto de contacto entre
las dos ruedas, dejaría de existir transmisión de movimiento.
4.2. Sistema de poleas con correa.
Se trata de dos poleas situadas a cierta distancia, cuyos ejes suelen ser paralelos, que giran simultánea-
mente por efecto de una correa. Así, el giro de un eje se transmite al otro a través de las poleas acopla-das a ambos. Las dos poleas y, por tanto, los dos ejes giran en el mismo sentido.
Ventajas: Transmisión suave y silenciosa, no necesita lubricación, transmite entre ejes a cierta distancia.
Inconvenientes: deslizamiento o patinaje de la correa (se evita con tensores), calentamientos y estira-mientos de la correa.
10
Utilización: en máquinas industriales, así como en motores de automóviles, lavadoras, taladradoras,
reproductores de CD y DVD, transmisiones de los coches (ventilador, árbol de levas), etc.
La relación entre las velocidades de giro de las poleas depende del tamaño relativo de dichas poleas y se expresa mediante la
siguiente ecuación:
N1 = velocidad angular de la polea motriz, motora, conductora o de entrada (rpm).
D1 = diámetro de la polea motriz o de entrada (mm). N2 = velocidad angular de la polea de salida o conducida (rpm).
D2 = diámetro de la polea de salida o conducida (mm).
i = relación de transmisión del sistema.
Cuando queremos transmitir elevadas fuerzas giratorias, con los sistemas de poleas, puede ocurrir que la
correa patine; para evitar este inconveniente, así como para mantener la relación de transmisión, se utili-zan en algunas máquinas los sistemas de transmisión por poleas dentadas con correas dentadas.
4.3. Engranajes o ruedas dentadas. Los engranajes son ruedas que poseen en su periferia unos salientes denominados dientes, que encajan
entre sí, de modo que unas ruedas arrastran a las otras. Permiten transmitir un movimiento circular entre dos ejes próximos, ya sean paralelos, perpendiculares u oblicuos. Para ello, se utilizan diferentes tipos de
engranajes. Entre todos destacamos los cilíndricos, de dientes rectos o helicoidales, y los cónicos.
Todos los dientes han de tener la misma forma y tamaño (módulo). Las dos ruedas y, por tanto, los dos ejes giran en sentido contrario.
La relación entre las velocidades de giro de los engranajes depende del número de dientes (Z) de cada
uno y se expresa mediante la siguiente ecuación:
N1 = velocidad angular del engranaje motriz, motor, conductor o de entrada (rpm).
Z1 = número de dientes del engranaje motriz o de entrada (mm). N2 = velocidad angular del engranaje de salida o conducido (rpm).
D2 = número de dientes del engranaje de salida o conducido (mm). i = relación de transmisión del sistema.
11
Los engranajes son más fiables que las ruedas de fricción, porque no patinan y pueden transmitir fuerzas
mayores. Por el contrario, son ruidosos, necesitan lubricación y resultan más caros.
En un sistema de engranajes sencillo, la rueda de entrada y la rueda de salida giran en sentido contrario.
Para conseguir que ambas giren en el mismo sentido, hay que colocar entre ellas una rueda dentada adicional, que recibe el nombre de engranaje loco, y que no modifica la relación de transmisión.
Existe una gran variedad de formas y tamaños de engranajes, desde los más pequeños usados en relo-
jería e instrumentos científicos (se alcanza el módulo 0,05) a los de grandes dimensiones, empleados, por
ejemplo, en las reducciones de velocidad de las turbinas de vapor de los buques, en el accionamiento de los hornos y molinos de las fábricas de cemento, etc.
El campo de aplicación de los engranajes es prácticamente ilimitado. Los encontramos en las centrales de
producción de energía eléctrica, hidroeléctrica y en los elementos de transporte terrestre: locomotoras, automotores, camiones, automóviles, transporte marítimo en buques de todas clases, aviones, en la in-
dustria siderúrgica: laminadores, transportadores, etc., minas y astilleros, fábricas de cemento, grúas,
montacargas, máquinas-herramientas, maquinaria textil, de alimentación, de vestir y calzar, industria química y farmacéutica, etc., hasta los más simples movimientos de accionamiento manual.
Toda esta gran variedad de aplicaciones del engranaje puede decirse que tiene por única finalidad la
transmisión de la rotación o giro de un eje a otro distinto, reduciendo o aumentando la velocidad del
primero.
4.4. Tornillo sin fin. Se trata de un tornillo que engrana a 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 acoplada al eje de arrastre gira un diente. Este sistema permite, por tanto, transmitir el movimiento desde el eje del ele-
mento motriz (tornillo) al eje de la rueda dentada. De este modo se consigue, además, una gran reduc-ción de la velocidad. Por ello se utiliza en mecanismos cuentavueltas y en sistemas reductores. También
se emplea en las clavijas de la guitarra, en limpiaparabrisas, etcétera.
En un tornillo sin fin, la velocidad del tornillo, N1, es el producto de la velocidad de la rueda, N2, por su
número de dientes, Z2, dividido por el número de entradas del tornillo (Z1).
N1 = velocidad angular del tornillo sin fin (rpm).
Z1 = número de entradas del tornillo sin fin (mm). Son el número de dientes del tornillo que están en
contacto con los dientes de la corona. Normalmente, Z1 = 1. N2 = velocidad angular de la rueda dentada o corona (rpm).
D2 = número de dientes de la corona (mm).
12
i = relación de transmisión del sistema.
En ingeniería mecánica se denomina tornillo sin fin a una disposición que transmite el movimiento en-
tre ejes que están en ángulo recto. Cada vez que el tornillo sin fin da una vuelta completa, el engranaje
avanza un diente.
Características:
Relaciones de transmisión altas.
Coste elevado.
Transmite el movimiento a través de ángulos rectos.
En el uso coloquial, el término también se utiliza para referirse al tornillo de Arquímedes.
4.5. Sistema de engranajes con cadena.
Consiste en dos ruedas dentadas de ejes paralelos, situadas a cierta distancia una de otra, que giran
simultáneamente por efecto de una cadena metálica o correa dentada de neopreno engranada a ambas. La cadena hace que el movimiento circular del eje 1 se transmita al eje 2 a través de los engra-
najes 1 y 2. Los dos engranajes y, por tanto, los dos ejes giran en el mismo sentido. El sistema de en-granajes con cadena permite transmitir elevadas potencias sin pérdida de velocidad, ya que la cadena o
correa va enganchada a los dientes del engranaje y no existe posibilidad de deslizamiento entre cadena y engranajes.
13
Para que se transmita el movimiento, en el caso de la cadena metálica, los eslabones han de ser iguales
en forma y tamaño a los dientes de los engranajes. Del mismo modo, la correa de neopreno ha de estar
dentada de igual forma que las ruedas dentadas con las que engrana.
Este sistema se utiliza en máquinas industriales y motores. En bicicletas, motocicletas y vehículos de tres ruedas, por ejemplo, permite transmitir el movimiento del elemento motriz (motor, piernas o brazos) a
las ruedas.
Para calcular la relación entre las velocidades de giro de las ruedas motriz (1) y arrastrada (2), se emplea
la mismo fórmula que vimos al estudiar los engranajes, pues la cadena no hace cambiar la relación de transmisión, sino que se limita a transmitir el movimiento.
Así pues:
N1 = velocidad angular del engranaje motriz, motor, conductor o de entrada (rpm).
Z1 = número de dientes del engranaje motriz o de entrada (mm). N2 = velocidad angular del engranaje de salida o conducido (rpm).
D2 = número de dientes del engranaje de salida o conducido (mm). i = relación de transmisión del sistema.
En ocasiones, se colocan ruedas tensoras dentadas para evitar que la cadena se salga de la rueda.
En una bicicleta, el piñón es la rueda dentada pequeña que engrana en el sistema de transmisión del
movimiento; y el plato es la rueda dentada grande montada en el eje de los pedales.
4.6. Variación de la velocidad. Además de transmitir fuerzas y movimientos, los mecanismos de transmisión circular permiten variar la
velocidad de dichos movimientos.
Cuando las ruedas de los sistemas de fricción o de poleas con correa son de igual tamaño, giran a la misma velocidad. Sin embargo, cuando una rueda es mayor que otra, la de menor tamaño gira más rápi-
damente. La razón entre las velocidades de las dos ruedas viene dada por la relación de transmisión. Por
ejemplo, si el diámetro de la rueda grande es el doble que el de la rueda pequeña, esta dará dos vueltas por cada una que dé la grande. En los casos analizados a continuación, las ruedas motrices y las arras-
tradas se indican con las números 1 y 2, respectivamente.
En el caso de un sistema de engranajes o de engranajes con cadena, la relación entre las velocidades
vendrá determinada por el número de dientes de las ruedas dentadas.
14
En cualquiera de los casos vistos anteriormente, cuanto mayor sea la velocidad, menor será la fuerza transmitida al elemento receptor, y viceversa.
4.7. Tren de poleas con correa. Un tren de poleas es un sistema de poleas (o ruedas) con correa formado por más de dos ruedas.
El movimiento circular del eje 1 se transmite al eje 2 a través de las poleas 1 y 2 mediante la correa de enlace tensa que las une. Las poleas 2 y 3, acopladas al mismo eje, giran con igual velocidad. Por último,
el movimiento de la polea 3 se transmite a la polea 4 mediante la correa que las une. Todas las ruedas giran en el mismo sentido.
La relación de velocidades de giro de las ruedas motriz (1) y conducida (4) depende del tamaño relativo
de las ruedas del sistema y puede expresarse fácilmente en función de sus diámetros:
En la igualdad anterior, N1 y N4 son las velocidades angulares de las ruedas motriz y conducida, respecti-vamente, y D1, D2, D3 y D4, los diámetros de las correspondientes poleas. En general, en el caso de un
tren de este tipo formado por un número par de poleas, para calcular la relación entre las velocidades de
la rueda conducida y de la rueda motriz, se coloca en el numerador de la fracción el producto de los diá-metros de las ruedas impares (ruedas motrices) y en el denominador el producto de los diámetros de las
ruedas pares (ruedas arrastradas o conducidas).
VENTAJA MECÁNICA. A lo largo de este tema, en una máquina simple, la ventaja mecánica se define como el cociente o razón entre la resistencia y la fuerza que se aplica para vencerla. Cuando su valor es mayor que 1, se
dice que hay ganancia mecánica; es decir, que el esfuerzo necesario para vencer la resistencia es menor cuando se utiliza la máquina que cuando no se utiliza.
15
4.8. Tren de engranajes. Un tren de engranajes es un sistema formado por más de dos engranajes, engranados tal como se mues-tra en las siguientes figuras:
En este sistema, el movimiento circular del primer eje se transmite al segundo a través de los engranajes 1 y 2. El engranaje 3 gira simultáneamente con el engranaje 2 y transmite el movimiento al engranaje 4,
con el que está engranado. Cada uno de los engranajes de un par de engranajes conectados gira en
sentido opuesto.
La relación entre las velocidades de giro de los engranajes motriz (1) y conducido (4) depende del núme-ro de dientes de los engranajes del sistema y se expresa mediante la siguiente ecuación:
En la igualdad anterior, N1 y N4 son las velocidades angulares del engranaje motriz y del conducido, res-
pectivamente, y Z1, Z2, Z3 y Z4, el número de dientes de los cuatro engranajes. Se puede observar la similitud entre esta expresión anterior y la correspondiente al tren de poleas.
5. MECANISMOS DE TRANFORMACIÓN DEL MOVIMIENTO. Existen dos grupos de mecanismos de transformación del movimiento: los mecanismos de transformación de movimiento circular a rectilíneo y los de transformación de movimiento circular a rectilíneo alternativo
o de vaivén.
5.1. Transformación de movimiento circular a rectilíneo. Dentro de este grupo de mecanismos de transformación del movimiento circular a rectilíneo, se encuen-
tran:
Sistema piñón-cremallera.
Se trata de un piñón o rueda dentada de dientes rectos, engarzado a una cremallera, de decir, una co-
rrea o barra dentada. Cuando la rueda dentada gira, la cremallera se desplaza con movimiento rectilíneo.
16
La relación entre el número de vueltas del piñón y la velocidad de avance de la cremallera se expresa
mediante la siguiente expresión:
En la igualdad anterior, L es la velocidad de avance de la cremallera; P, el paso o la distancia entre dos dientes consecutivos, expresada en milímetros; Z, el número de dientes del piñón, y N, el número de
vueltas por minuto (rpm) que realiza este. Por tanto, el avance de la cremallera se expresará en milíme-tros por minuto.
Este mecanismo permite también transformar el movimiento rectilíneo de la cremallera en un movimiento circular del piñón. Es decir, es un mecanismo reversible. Se utiliza en columnas de taladradoras, saca-
corchos, direcciones de automóviles, sistemas automáticos de apertura y cierre de puertas…
Sistema tornillo-tuerca. El sistema tornillo-tuerca consta de un tornillo o varilla roscada y de una tuerca cuyo diámetro interior
coincide con el diámetro del tornillo. Si el tornillo gira y se mantiene fija la orientación de la tuerca, esta avanza con movimiento rectilíneo por el eje roscado; y viceversa, si gira la tuerca y se mantiene en la
misma posición, la varilla roscada, o tornillo, se desplaza linealmente.
Se utiliza como elemento de unión en prensas, grifos, gatos de coche, tapones de rosca, etc.
Conjunto manivela-torno.
Una manivela es una barra que está unida a un eje al que hace girar. La fuerza necesaria para que el eje gire en menor que la que habría que aplicarle directamente. El mecanismo que se basa en este dispositi-
vo es el torno, que consta de un tambor que gira alrededor de su eje a fin de arrastrar un objeto.
Un torno se halla en equilibrio cuando se cumple esta ecuación:
17
En las igualdades, F es la fuerza aplicada; R, la resistencia; d, el brazo de la manivela, y r, el radio del
torno. Si la relación entre r y d es lo suficientemente pequeña, el torno permitirá levantar pesos con poco
esfuerzo.
Aunque en teoría sería posible levantar cualquier peso con un torno adecuado, en realidad hay que tener en cuenta el problema de la resistencia de los materiales, que hace desaconsejable fabricar una manivela
demasiado larga.
5.2. Transformación de movimiento circular a rectilíneo alternativo o de vaivén. Dentro de este grupo de mecanismos de transformación del movimiento circular a rectilíneo alternativo o
de vaivén, se encuentran:
Biela-manivela.
El conjunto biela-manivela está formado por una manivela y una barra denominada biela. Esta se
encuentra articulada por un extremo con dicha manivela y por el otro con un elemento que describe un
movimiento alternativo.
Al girar la rueda, la manivela transmite el movimiento circular a la biela, que experimenta un movimiento
rectilíneo alternativo o de vaivén.
Este sistema biela-manivela también funciona a la inversa, es decir, transforma un movimiento rectilíneo alternativo o de vaivén en un movimiento circular o de rotación. Es un mecanismo reversible.
Este mecanismo tuvo una importancia decisiva en el desarrollo de la locomotora de vapor, pero también
se utiliza en motores de combustión interna, limpiaparabrisas, máquinas herramienta, etc.
Cigüeñal. Si se coloca una serie de bielas en un mismo eje acodado, cada uno de los codos del eje hace las veces
de manivela, y el conjunto se denomina cigüeñal.
El cigüeñal transforma el movimiento de rotación de un eje en los movimientos alternativos desacompa-
sados de las diferentes bielas. Igualmente, puede convertir el movimiento de vaivén de las bielas en un movimiento de rotación del eje.
18
Este mecanismo se emplea en motores de combustión, donde la acción combinada de los cilindros aco-
plados a las bielas genera un movimiento acumulado de rotación en el eje. También se ha utilizado tradi-
cionalmente en máquinas de coser.
Los automóviles llevan, por lo general, un cigüeñal formado por cuatro cilindros dispuestos en línea, el efecto acumulado de los cuales produce el movimiento del eje y, con él, el del automóvil.
Sin embargo, hay otras configuraciones posibles con cuatro o seis cilindros.
Leva. La leva es, básicamente, una rueda con un saliente que empuja un seguidor a su paso. Se pueden aña-dir más salientes e introducir perfiles más o menos abruptos para conseguir movimientos más complejos
(varios saltos por vuelta, elevaciones suaves, caídas bruscas…).
De este modo, la leva transforma el movimiento de rotación de la rueda en un movimiento lineal alterna-
tivo del seguidor o varilla, que recorre el perfil de la leva cuando esta gira.
19
Un conjunto de levas colocadas sobre el mismo eje se denomina árbol de levas. Se emplea en motores
de combustión para regular de forma automática la apertura y el cierre de las válvulas que permiten la entrada y salida de combustible y gases a los cilindros del motor.
Excéntrica.
La excéntrica consiste en una rueda cuyo eje de giro no coincide con el centro de la circunferencia. Transforma el movimiento de rotación de la rueda en un movimiento lineal alternativo de la varilla.
Se denomina excentricidad a la distancia entre el centro de la circunferencia y el eje de giro de la ex-
céntrica.
20
6. OTROS MECANISMOS. 6.1. Clasificación. Hasta el momento hemos estudiado los principales mecanismos de transmisión y transformación de mo-
vimiento. A continuación, veremos otros, no menos importantes, que también forman parte de muchos
objetos tecnológicos.
21
6.2. Mecanismos para dirigir el movimiento.
El ejemplo más característico de este tipo de mecanismos es el trinquete, dispositivo que permite el giro en un sentido y lo impide en el contrario, tal y como puedes observar en la figura.
Existe un tipo de trinquetes que puede invertir el sentido de actuación de la cuña, permitiendo, así, el
giro en uno u otro sentido (por ejemplo, la llave de carraca que puedes observar en la figura anterior).
El trinquete se utiliza en relojería, como elemento tensor de cables (red de una pista de tenis) o de segu-
ridad en máquinas elevadoras, en frenos, etcétera.
6.3. Mecanismos para regular el movimiento. Los mecanismos más utilizados para regular el movimiento son los frenos. Los hay de varios tipos: de
disco, de cinta y de tambor.
Los frenos de disco constan de unas pastillas y un disco acoplado al elemento que se desea frenar. Funcionan por fricción o rozamiento de las pastillas cuando presionan el disco.
El freno de cinta consta de una cinta metálica o fleje que presiona un tambor acoplado al eje que se
desea frenar; funciona, igualmente, por fricción o rozamiento.
22
Por último, en el freno de tambor, la reducción de velocidad se consigue cuando una o dos zapatas,
fabricadas con material de fricción, entran en contacto con un tambor de frenada que gira simultánea-
mente con el elemento que se desea frenar.
El sistema de frenos de una bicicleta consta de una pareja de zapatas situadas a ambos lados de la llanta de la rueda, que se aprietan contra ella cuando se acciona la palanca del freno.
6.4. Mecanismos de acoplamiento. Los embragues son mecanismos que permiten el acoplamiento o desacoplamiento entre ejes o árboles de transmisión. En los embragues de fricción, este proceso se lleva a cabo mediante la fuerza de ro-
zamiento de dos superficies que, unidas a los ejes o árboles, son presionadas entre sí. Por su parte, en
los embragues de dientes, el acoplamiento o desacoplamiento de los ejes o árboles de transmisión tiene lugar cuando encajan los dientes de las dos piezas enfrentadas. Ambos tipos de embrague se pue-
den utilizar en motores y máquinas de varias marchas para cambiar la velocidad o la potencia suministra-da por el motor.
El embrague de dientes, de la figura anterior derecha, permite engranar distintos juegos de engranajes, con lo que se obtienen diferentes relaciones de transmisión con los diferentes cambios de marchas.
Los acoplamientos fijos o bridas son elementos que se emplean para unir ejes o árboles de transmi-
sión largos enlazados de forma permanente. Los árboles tienen que estar perfectamente centrados y han de ser resistentes.
Los acoplamientos móviles se usan para unir árboles de transmisión que pueden desplazarse a lo largo del eje o que forman un ángulo entre sí. Los juntas Oldham transmiten el movimiento entre árbo-
les enlazados o situados a poca distancia, mientras que las articulaciones universales o juntas Cardan transmiten el movimiento entre árboles que forman un determinado ángulo.
NOTA: La fuerza de rozamiento es la fuerza que se opone al deslizamiento o a la rotación de un cuerpo sobre otro. El rozamiento depende de la naturaleza de ambas superficies y del grado de pulimento de las mis-mas.
23
6.5. Mecanismos de acumulación de energía.
Los muelles son dispositivos que, gracias a la elasticidad de los materiales con los que están elaborados, absorben energía cuando son sometidos a cierta presión. Esta energía puede ser liberada más tarde, ya
sea dosificada en pequeñas cantidades o de golpe.
La energía almacenada en el muelle (resorte) de los relojes antiguos se iba liberando poco a poco. El
mecanismo se ponía en marcha y funcionaba hasta que el muelle se destensaba completamente. Enton-ces había que dar de nuevo cuerda al reloj. En la imagen inferior derecha puedes observar un resorte.
Según el tipo de fuerza externa que se aplique, los muelles trabajan de diferentes formas:
A compresión. El muelle se aplasta o comprime, como en un sillón.
A tracción. El muelle es estirado, como en un somier.
A torsión. El muelle es retorcido, como en las pinzas de tender.
Los muelles tienen aplicaciones muy diversas: máquinas industriales y domésticas, juguetes de cuerda,
relojes, cerrojos, bolígrafos, colchones, somieres, alicates, pinzas, etc.
Los amortiguadores están formados por muelles helicoidales de acero, y las ballestas, por láminas de acero de gran elasticidad, apiladas de mayor a menor longitud y unidas por el centro. Estos elementos
forman parte del sistema de suspensión de los vehículos.
6.6. Soportes: cojinetes y rodamientos. Los soportes son los elementos sobre los que se apoyan los árboles y los ejes de transmisión. Podemos
clasificarlos en dos grupos: cojinetes de fricción y rodamientos.
En los cojinetes de fricción, el eje o árbol que se apoya roza o fricciona al girar, por lo que necesitan
ser engrasados o lubricados con aceite, lo cual facilita el giro y reduce el desgaste y el rozamiento.
24
Para evitar el rozamiento entre el eje o árbol de transmisión y el elemento de soporte, se usan roda-
mientos, formados por dos anillos concéntricos entre los que se colocan bolas o rodillos. El anillo interior
se une o ajusta al eje o árbol de transmisión, y el exterior, al elemento soporte.
Tanto los cojinetes de fricción como los rodamientos se fabrican con materiales muy resistentes al des-gaste por rozamiento, como el bronce y otros materiales antifricción.
7. MANIOBRA Y CONTROL EN LAS MÁQUINAS. 7.1. Sistemas de control. Un sistema de control es una combinación de componentes que actúan juntos para controlar un proceso,
con el fin de lograr un cierto funcionamiento establecido de antemano.
Por ejemplo, los movimientos corporales humanos están controlados por un complejo sistema en el que
intervienen los sentidos y el cerebro.
En las máquinas, los sistemas de control tienen como finalidad regular y controlar los distintos compo-nentes (motores, mecanismos, actuadores, etcétera) para que funcionen de la manera prevista, de forma
que se reduzcan los fallos y se obtengan los resultados buscados.
7.2. Formas de control. Según el grado de intervención humana, hay tres formas de maniobrar y controlar una máquina:
• Maniobra y control manual. El operador realiza todas las acciones necesarias para que tenga lugar cualquier cambio en las condiciones de funcionamiento de la máquina; por ejemplo, accionando un pul-
sador, un pedal o un interruptor que paran o ponen en marcha el motor, aumentan o reducen su veloci-dad de giro, etc.
• Maniobra y control semiautomático. Algunas acciones de control son automáticas, mientras que otras deben ser ejecutadas por el operador de la máquina. Por ejemplo, la conducción de un automóvil.
• Maniobra y control automático. Una vez dada la orden inicial de puesta en marcha del sistema,
todas las acciones de control se ejecutan sin intervención humana. Este es el caso, por ejemplo, del con-trol de funcionamiento de una lavadora o un lavavajillas, una vez que se ha seleccionado el programa de
lavado.
25
Torno manual. El operario maneja la herramienta sobre la pieza que gi-ra.
Torno semiautomático. Muchas operaciones pueden hacerse manual o automáticamente.
Torno automático. El proceso de trabajo, incluida la alimentación, está enteramente automatizado.
7.3. Tipos de sistemas de control. En todo sistema de control hay una entrada, un proceso y una salida. La entrada puede ser, por ejemplo,
una leve presión, una cierta cantidad de luz, una pequeña corriente eléctrica, etc., y la salida puede ser un cierto movimiento, una corriente eléctrica de mayor intensidad, la puesta en marcha de un motor. .. El
proceso es lo que transforma la entrada en la salida.
Según si la salida influye o no en la información de entrada, los sistemas de control pueden ser de lazo
abierto o de lazo cerrado.
• En los sistemas de control de lazo abierto, la salida no influye en la entrada. Por ejemplo, una
lavadora en la que la blancura de la ropa no influye en la duración de las fases del lavado o un sistema de riego automático sin sensores de humedad, que funciona con independencia de que haya llovido o no,
son sistemas de control de lazo abierto.
• En los sistemas de control de lazo cerrado, la salida influye en la entrada. Por ejemplo, un sistema
de apagado y encendido de las luces de una habitación según cuál sea la luminosidad ambiental o el
sistema de regulación de la calefacción dependiendo de la temperatura son sistemas de control de lazo cerrado. También el sistema de control de llenado de una cisterna es de lazo cerrado.
26
8. ELEMENTOS DE MANIOBRA Y CONTROL. 8.1. Elementos de maniobra y control manual.
Como su nombre indica, se accionan manualmente (o con el pie o cualquier otra parte del cuerpo) por el
usuario. Entre ellos tenemos:
• Interruptores y pulsadores. Abren o cierran un circuito según se encuentren en una u otra posición.
• Volantes. Son manipulados por el operador para controlar el resto del sistema de dirección.
• Pedales. Son palancas que se accionan con el pie y accionan otros componentes; por ejemplo, im-
pulsándolos o reteniéndolos.
• Reostatos. Son cursores o mandos que permiten regular la resistencia eléctrica y las magnitudes aso-ciadas a ella.
• Temporizadores. Se programan manualmente para ajustar el tiempo que debe durar un cierto proce-so, como el mando del horno o el reloj de cocina.
• Selectores de programa. Permiten escoger, entre varias, una operaación o una secuencia de opera-
ciones.
• Mandos a distancia. Un mando a distancia o control remoto es un disspositivo electrónico que permi-
te enviar señales de radio o de infrarrojos que activan o detienen una función de la máquina.
8.2. Interruptores automáticos. Hay distintas formas de accionar automáticamente un interruptor. Por ejemplo:
• Los interruptores ópticos se activan o des activan cuando se iluminan.
• Los interruptores de final de carrera se colocan al final del recorrido de un elemento móvil y se
accionan cuando dicho elemento presiona una palanca o pulsador. El ascensor, por ejemplo, tiene finales
de carrera.
Disponen de tres patillas o contactos: el común, normalmente marcado con C, es el contacto fijo; el NA, normalmente abierto, que en posición de reposo está abierto, pero que se cierra al accionar el interrup-
tor; y el NC, normalmente cerrado, que opera al contrario que el anterior: cierra el interruptor en reposo
y lo desconecta cuando se activa.
Interruptor final de carrera.
• Los interruptores bimetálicos se accionan cuando, debido al calor, se arquea una lámina fabricada con dos metales diferentes (con distinto coeficiente de dilatación).
27
• Los disyuntores o interruptores magnetotérmicos, que abren o cierran un circuito cuando se
produce un cortocircuito o cuando la intensidad de la corriente que circula por él excede un cierto valor.
8.3. Relé. Un relé es un interruptor automático controlado por un circuito eléctrico. Está formado básicamente por
dos elementos:
• Un electroimán, que puede ser activado por una corriente de bajo voltaje.
• Un interruptor, que se abre o se cierra dependiendo de que circule o no corriente por el electroimán.
Los relés se emplean para controlar otros circuitos; por ello, en una instalación con un relé encontramos dos circuitos totalmente independientes:
• El circuito de control, en el que se encuentra el relé y su fuente de alimentación; la corriente que
circula por él suele ser continua y de bajo voltaje.
• El circuito a controlar o circuito de potencia, que puede tener diverrsos componentes. Por él pue-
de circular corriente continua o alterna de cualquier voltaje.
Existen relés capaces de controlar varios circuitos a la vez.
Cómo funciona un relé sencillo.
El electroimán, al activarse, atrae una palanca metálica encargada de cerrar el interruptor que controla el
otro circuito. Si deja de pasar la corriente a través del electroimán, la palanca volverá a su sitio y se abrirá el interruptor, con lo que dejará de circular la corriente por el otro circuito.
8.4. Temporizadores. Los temporizadores son dispositivos encargados de abrir o cerrar una rama de un circuito una vez que ha
transcurrido un tiempo determinado. Tienen múltiples usos, por ejemplo, encender el riego automático, desconectar la corriente del coche una vez que se sale de él, encender o apagar cualquier electrodomés-
tico, etc.
Pueden ser mecánicos, eléctricos, electromecánicos y electrónicos. Su precisión dependerá de cómo
estén constituidos.
8.5. Programadores. Un programador es un dispositivo que controla el orden y el tiempo de funcionamiento de los distintos
elementos que forman una máquina. Pueden ser mecánicos, electromecánicos o electrónicos.
28
Los programadores funcionan siguiendo un programa, que consiste en una secuencia de instrucciones en
la que se fijan el orden en el que deben producirse los acontecimientos y la duración que debe tener
cada uno de ellos.
Las instrucciones del programa pueden escribirse de muchas formas: haciendo marcas sobre una superfi-cie, haciendo agujeros en una tira de cartulina, grabándolas en un soporte magnético, etc.
8.6. Chips y microprocesadores.
Un chip es un circuito formado por miles de componentes electrónicos diminutos (diodos, transistores, resistencias, etc.). Todos los componentes del circuito están integrados en una placa fina de silicio, que
se encierra en una cápsula de plástico o de cerámica.
Para interconectarlos con otros circuitos o componentes, los chips se montan en cápsulas que contienen
conductores eléctricos externos.
Un microprocesador es un chip que se puede programar.
8.7. Sensores. Un sensor es un dispositivo que capta y mide una magnitud física o química y la convierte en una magni-
tud eléctrica que puede ser interpretada por un circuito electrónico.
Los hay de muchos tipos en función de los parámetros que pueden detectar: humedad, temperatura, pH,
aceleración, inclinación, intensidad lumínica, presión, conductividad eléctrica, etc.
9. SOFTWARE DE SIMULACIÓN DE MECANISMOS.
Entre otros usos, el software de simulación de mecanismos se emplea para:
• Diseñar nuevos mecanismos para analizar su funcionamiento.
• Estudiar el comportamiento de mecanismos ya diseñados.
Algunos de estos programas son de uso profesional, mientras que otros tienen un propósito didáctico.
Entre estos últimos, tenemos los siguientes:
9.1. Relatrán. Relatrán es un software, elaborado por Jaume Dellunde, que permite realizar ejercicios sobre mecanis-
mos (velocidades de giro, ventajas mecánicas, relaciones de transmisión, etc.).
En el momento de escribir este texto, se puede descargar una copia gratuita, para uso exclusivamente
doméstico, desde la siguiente dirección web: http://personales.ya.com/jdellunde/
Para realizar las actividades, hay que elegir una de las opciones de las categorías Tipo, Mecanismo y Ejercicio y, a continuación, indicar si queremos resolver un test o un ejercicio.
Por ejemplo, para resolver un ejercicio sobre engranajes rectos, tendríamos que seleccionar:
• Tipo: Transmisión de movimiento. • Mecanismo: Engranaje recto.
• Ejercicio: Relación de transmisión.
Una vez hecha la selección, al hacer clic sobre el botón Ejercicio, se nos propondrá un problema que
tendremos que solucionar. Para realizar los cálculos necesarios, el programa incluye un botón mediante el que se accede a la calculadora de Windows.
29
9.2. Simulador de mecanismos 3D.
La descarga de Relatrán también incluye una demo, de uso limitado a 30 días, del programa Simulador de mecanismos 3D, que facilita el diseño de mecanismos sencillos, como engranajes, transmisión por
correa y cadena y ruedas de fricción.
La simulación muestra el funcionamiento del mecanismo, con el detalle del movimiento de las piezas o
bien mostrando el número de vueltas completadas por cada eje. En todo momento se reflejan en un panel de resumen las características más relevantes del mecanismo: potencia, velocidad de giro y par.
9.3. Crocodile Clips y Crocodile Technology.
Tanto Crocodile Clips como Crocodile Technology incluyen una pequeña librería de mecanismos: motor, volante, engranajes rectos, engranajes y cadena, piñón y cremallera, etc.
Situando el cursor del ratón sobre los terminales de los componentes, también se pueden hacer algunas
medidas como, por ejemplo, la velocidad de giro.
9.4. Yenka Gears. Yenka Gears es un software didáctico diseñado para experimentar con diversos componentes mecánicos
en 3D.
Los componentes se acoplan automáticamente al ser seleccionados y es posible moverlos y rotarlos en
las tres direcciones del espacio.
Los engranajes se pueden unir directamente entre sí, o bien usando una cadena de transmisión de cual-quier longitud. La aplicación permite elegir el diámetro de cada engranaje, así como el número y el ta-
maño de sus dientes.
También dispone de mecanismos tipo sin fin, corona y cremallera, para modificar la dirección de giro o
transformar el movimiento circular en lineal.
Otras posibilidades incluyen conectar una manivela a uno de los engranajes para hacerlo girar manual-
mente o añadir ruedas de diferentes masas y diámetros.
9.5. Animaciones. Muchas animaciones no son interactivas, ni permiten realizar modificaciones o cálculos, pero resultan
muy útiles para comprender el funcionamiento de los mecanismos y sus combinaciones.
Se pueden visualizar, e incluso descargar, desde distintos sitios de internet.
Para localizarlos, bastará con introducir en Google, Yahoo, Bing o cualquier otro buscador, términos simi-
lares a los siguientes: "animacion mecanismos", "simulaación mecanismos': "animated mechanism", "me-chanism animation”, etc.
Otra forma de localizarlos es acceder a enciclopedias on line, como Wikipedia, o a portales, páginas y
blogs de recursos educativos, como educared, TecnoTIC, AraTecno, etc.
30
10. RECURSOS WEB.
MecanESO: http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/index.htm Unidad Didáctica Interactiva “El movimiento en las máquinas”, de la editorial SM.
http://www.librosvivos.net/smtc/homeTC.asp?TemaClave=1123 Página Web del PROYECTO ARQUÍMEDES, del Ministerio de Educación, sobre experiencias donde se justi-
fican la utilización de mecanismos (Interactivo):
http://proyectos.cnice.mec.es/arquimedes/alumnos.php?ciclo_id=2&familia_id=5&modulo_id=26&unidad_id=18
Juego sobre engranajes: http://www.kongregate.com/games/ch00se/gears En este video de YouTube, se puede observar una aplicación de los engranajes Bomba Lóbulos, Ciri, catia
v5, cinemática. http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=GfbY6mQNh4s
Blog TecnologíaS: http://blog.educastur.es/tecnologiaslmcr/tecnologia-industrial-i/mecanismos/imagenes-mecanismos-imagenes-kalipedia/
Animaciones mecanismos: http://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/animaciones.htm Programa de simulación Relatran 3.5. Relatran es un programa de mecanismos muy apropiado para el
área de Tecnología en la E.S.O. Es un programa gratuito que puedes descargar visitando la web del au-
tor, Jaume Dellunde, donde podrás encontrar más información. http://auladetecnologias.blogspot.com/2009/03/relatran-35.html Unidad Didáctica “Máquinas y mecanismos”. En esta Unidad, con animaciones se abordan la mayoría de los contenidos de este bloque.
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/andared02/maquinas/index.html Web, en catalán, sobre engranajes. http://www.xtec.es/~jrosell3/engranatges/index.htm
En este enlace podemos encontrar una presentación de diapositivas sobre Mecanismos a nivel de ESO.
http://www.iesfranciscosalinas.com/dptos/tecno/presentaciones/mecanismos/index.htm En esta web se pueden estudiar, con animaciones, los siguientes contenidos: Poleas, polipastos, engrana-
jes, etc. http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material022/index.html Unidad didáctica "Temperatura y calor" de SM, sobre la temperatura, el calor y las máquinas térmicas.
Contiene vídeos, actividades interactivas y un cuestionario de evaluación.
http://www.profes.net/varios/videos_interactivos/index.html Enlace con multitud de animaciones sobre contenidos del tema.
http://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/animaciones.htm http://www.xtec.es/aulanet/ud/tecno/motor/motgas.htm
Página web, en catalán, donde se pueden estudiar los motores de combustión. Incluye animaciones. http://auladetecnologias.blogspot.com/2010/01/animaciones-de-motores-termicos.html
Página web del simulador Crocodile Clips. Dicho programa incorpora un módulo para trabajar con simula-
ciones de sistemas con mecanismos. http://www.crocodile-clips.com/es/Home/ En este enlace podemos ver Animaciones de motores térmicos (Universidad de Castilla-La Mancha)
Animaciones sobre motores de dos tiempos y de cuatro tiempos, ciclo Otto y ciclo Diesel. Esta web explica El ciclo de Carnot. http://auladetecnologias.blogspot.com/2009/11/el-ciclo-de-
carnot.html
Página web sobre la máquina de vapor. http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0314-01/la_maqva.htm
Video sobre el funcionamiento de la máquina de vapor. http://www.youtube.com/watch?v=nuxJgV9b7cI Animación funcionamiento máquina de vapor. http://www.ub.edu/histodidactica/img/rocky.swf
Unidad Didáctica “Maquinas y calor”. En ella, encontraremos un epígrafe dedicado a las Máquinas Térmi-
cas. http://recursostic.educacion.es/newton/web/materiales_didacticos/maquinastermicas/index.html En este enlace podemos encontrar una presentación de diapositivas “Mecanismos y máquinas”. En esta,
podemos encontrar un bloque sobre máquinas térmicas (motores). http://www.slideshare.net/jcarlostecnologia/maquinas-termicas
Web, en inglés, donde se pueden estudiar todo tipo de motores. Incluye animaciones. http://library.thinkquest.org/C006011/english/sites/index.php3?v=2
Esta página web explica el funcionamiento de la bomba de calor. La bomba de calor es una máquina
térmica utilizada en un principio en sistemas de climatización. Debido a la posibilidad de invertir su fun-cionamiento, en la actualidad se utilizan como calefacción en invierno y como sistema de refrigeración en
verano (aire acondicionado reversible). http://auladetecnologias.blogspot.com/2009/12/como-funciona-una-bomba-de-calor.html
Animación funcionamiento barco de vapor. http://www.ub.edu/histodidactica/img/steamer.swf
Animación funcionamiento telar mecánico. http://www.ub.edu/histodidactica/img/hero.swf
31
11. ACTIVIDADES. 1. Define: operador, mecanismo y máquina. 2. ¿Qué es una palanca? ¿Para qué sirve? Explica los tipos, clases o géneros de palancas que conozcas.
Realiza los dibujos esquemáticos de cada una de ellas. Explica también la Ley de la palanca. ¿A qué
clase pertenecerán el remo de una barca y el remo libre de una piragua? Explica esta última pregunta haciendo representaciones esquemáticas.
3. Explica brevemente los sistemas de elevación de cargas: polea, polea móvil, polipasto y el torno-manivela.
4. Explica brevemente los sistemas de transmisión por ruedas de fricción y por poleas y correa, indican-do sus ventajas e inconvenientes frente a los demás sistemas de transmisión.
5. Explica brevemente los sistemas de transmisión por engranajes, indicando sus ventajas e inconve-
nientes frente a los demás sistemas de transmisión. 6. Explica el sistema de piñón-cremallera.
7. Explica brevemente la leva y la excéntrica. 8. Explica brevemente la variación de velocidad, los tres casos que se pueden presentar cuando pone-
mos en contacto dos operadores para transmitir el movimiento circular o de rotación entre dos ejes
paralelos. 9. En un balancín se sientan dos personas, una de 60 kg, que se sienta a 1,5m del punto de apoyo, y
otra de 40 kg. Calcular en qué posición debe situarse la persona de 40 kg. para que el balancín esté en equilibrio. Dibuja el esquema.
10. Un motor que gira a 3.000 rpm tiene montado en su eje un piñón de 15 dientes y está acoplado a
otro engranaje de 45 dientes. Calcula la velocidad angular de salida, la relación de transmisión del sistema y dibuja un esquema del mecanismo.
11. Con un polipasto de ocho poleas se quiere elevar una carga de 1600 N. ¿Qué fuerza será necesario aplicar? Si aplicase una fuerza de 980 N, ¿qué carga podría elevar?
12. Con un torno queremos elevar una carga de 500 N, si el radio del cilindro es de 0,1 m y la longitud del brazo de la manivela es de 0,5 m; calcula la fuerza necesaria para ello. Si aumentamos la longitud
del brazo de la manivela a 0,7 m., calcula la fuerza necesaria para elevar la carga anterior. Represen-
ta los datos en una tabla y extrae conclusiones. 13. Explica muy brevemente la biela-manivela.
14. En el tren de engranajes de la figura, calcula: a. La velocidad angular del engranaje de salida (N4).
b. La velocidad angular del engranaje de 40 dientes.
c. La velocidad angular del engranaje de 16 dientes.
d. La relación de transmisión total del sistema (iT), la relación de transmisión del primer escalona-miento (i1) y la relación de transmisión del segundo escalonamiento (i2).
Nota. En todos los problemas y actividades realiza dibujos esquemáticos del mecanismo en cuestión e
indica las condiciones de equilibrio.
32
15. Con una carretilla queremos trasladar una carga de 50 kg., si situamos la carga a 0,5 m. del punto de
apoyo y la longitud total de la carretilla es de 1,25 m., ¿qué fuerza será necesario aplicar?
16. Con una caña de pescar de 6 m. de longitud, queremos sujetar un pez de 2 kg. Si aplicamos la fuer-za, F, a 0,5 m. del punto de apoyo, ¿qué fuerza será necesario aplicar?
17. Calcula la velocidad angular, en revoluciones por minuto (rpm), de las tres manecillas del reloj. 18. ¿Qué tipo de transmisión o transformación de movimiento llevan a cabo los siguientes mecanismos?
19. Clasifica las siguientes palancas y sitúa F, R y el punto de apoyo.
20. ¿Qué fuerza hay que aplicar para levantar una carga de 100 kg con una polea fija? ¿Y con una polea
móvil?
21. Calcula la relación de transmisión en el sistema de ruedas de fricción de la figura. ¿A qué velocidad y en qué sentido girará la rueda conducida si la rueda motriz lo hace a 30 rpm?
22. ¿Cómo se puede conseguir en un sistema de poleas que estas giren en sentido contrario? 23. ¿Cuántas vueltas tiene que dar un tornillo sin fin para que la rueda dentada de 48 dientes a la que
está engranado realice dos vueltas completas? 24. Los platos pequeño y grande de una bicicleta tienen, respectivamente, 44 y 56 dientes. El piñón más
pequeño tiene 14 dientes, y cada piñón consecutivo añade dos dientes al anterior. Si la rueda trasera
tiene cinco piñones, determina las vueltas que dará por cada pedaleo completo con estas combina-ciones: plato pequeño y piñón grande, plato grande y piñón pequeño, y el plato grande y segundo
piñón. 25. Indica cuáles de los siguientes sistemas hacen que aumente la velocidad:
a. Polea 1 = 8 cm de diámetro; polea 2 = 4 cm de diámetro.
b. Rueda 1 = 27 dientes; rueda 2 = 9 dientes. c. Polea 1 = 8 cm de diámetro; polea 2 = 16 cm de diámetro.
26. Dado un tren de poleas de diámetro D1 = 10 mm, D2 = 30 mm, D3 = 20 mm, D4 = 50 mm, calcula N4 si la rueda 1 gira a 20 rpm.
27. ¿Qué utilidad crees que puede tener un tren de poleas como el de la figura? Calcula también:
33
a. La velocidad de la polea 6, sabiendo que el diámetro de las ruedas grandes es de 30 cm, y el
de las ruedas pequeñas, de 5 cm, y que la polea 1 gira a una velocidad de 150 rpm.
b. Determina la velocidad de las ruedas 2 y 3. c. Determina la velocidad de las ruedas 4 y 5.
28. Calcula la velocidad de salida del sistema de transmisión del esquema. Indica, asimismo, el sentido
de giro de las ruedas dentadas 2, 3 y 4, sabiendo que la rueda 1 gira en sentido de las agujas del re-
loj. ¿Se trata de un sistema reductor o multiplicador de la velocidad?
29. En el siguiente tren de engranajes las ruedas pequeñas constan de veinte dientes, mientras que las
grandes tienen cuarenta dientes: a. ¿A qué velocidad girará la rueda de salida, sabiendo que la de entrada lo hace a 240 rpm?
b. Calcula la velocidad que deberá tener la rueda de entrada, suponiendo que la rueda de salida gira a 45 rpm.
30. Dado un sistema piñón-cremallera con un paso de 3 mm y un piñón de 20 dientes que gira a una
velocidad de 30 rpm, calcula el avance de la cremallera, expresado en milímetros por minuto. ¿Qué
aplicaciones puede tener dicho sistema? 31. Estudia el sentido de giro que debe tener una varilla roscada para que la tuerca se desplace hacia la
derecha y hacia la izquierda. 32. Si un torno tiene un radio de 10 cm y una manivela de 50 cm, ¿qué peso máximo podremos levantar
aplicando una fuerza de 5 N? Si con dicho torno queremos elevar una carga de 75 kg, ¿qué fuerza
tendremos que ejercer? 33. Dibuja el esquema de un mecanismo biela-manivela, indicando el nombre de cada uno de sus com-
ponentes, y explica su funcionamiento. 34. Representa el esquema de un cigüeñal. ¿Qué similitudes y diferencias encuentras entre este y el
sistema de la actividad anterior? 35. Indica cuáles de los siguientes sistemas son reversibles: biela-manivela, cigüeñal, leva y excéntrica.
34
Justifica la respuesta.
36. Dibuja una leva y un seguidor que activen un mecanismo dos veces por cada vuelta de la leva. Expli-
ca su funcionamiento. 37. Investiga los materiales con los que se construyen las superficies de fricción de los frenos: pastillas,
zapatas y cintas. 38. ¿Qué consideras más importante en un automóvil: el motor o el sistema de frenos? ¿Por qué? ¿Y en
un coche de carreras?
39. Investiga qué tipos de frenos se emplean en un automóvil. 40. Indica si los muelles de los siguientes objetos trabajan a compresión, a tracción o a torsión: un bolí-
grafo, unos alicates, un colchón, una pinza de tender la ropa, un somier y una grapadora. 41. Razona por qué el material con el que se fabrican pastillas y zapatas de freno tiene un elevado índice
de rozamiento, mientras que los materiales con los que se recubren los cojinetes y rodamientos lo
tienen muy bajo. 42. Indica cuál de los siguientes dispositivos está gobernado por medio de un sistema de control de lazo
abierto y cuál mediante un sistema de lazo cerrado: a) Vitrocerámica; b) piloto automático de un avión; c) semáforo.
43. Explica cómo funciona el sistema de control de entrada y salida del agua en la cisterna del inodoro. 44. Además del ascensor, ¿qué otros dispositivos conoces que estén provistos de finales de carrera?
45. ¿Cuál es la principal ventaja de los relés?
46. Averigua qué es un relé con enclavamiento. ¿Cuál puede ser su utilidad? ¿Cuántos pulsadores se necesitan para activarlo y desactivarlo?
47. El árbol de levas, formado por un eje en el que se colocan distintas levas, que pueden tener diferen-tes formas y tamaños y estar orientadas de diferente manera, es un programador mecánico. ¿En qué
máquinas se utiliza?
35
APLICA TUS CONOCIMIENTOS.
1. ¿Cómo tendremos que montar una palanca de modo que al desplazar un brazo hacia abajo, el otro se desplace el doble de distancia hacia arriba?
2. Observa la imagen adjunta. Se trata de un detalle del clavijero de una guitarra. Analiza su sistema
mecánico. ¿Qué dos elementos lo componen? ¿Te parece que los movimientos son reversibles? ¿Por qué no se afloja con facilidad la cuerda una vez que la hemos tensado? ¿Cuántas vueltas debemos
dar a la clavija para que el rodillo que tensa la cuerda dé una vuelta completa?
3. Para subir una cuesta con una bicicleta provista de platos y piñones, ¿cuál será la combinación de plato y piñón más adecuada? ¿Por qué? ¿Y para bajada?
4. Dibuja esquemáticamente el mecanismo que hay que poner entre dos ejes para que por cada 20 revoluciones del primero, el segundo dé una vuelta (o revolución).
5. Explica las diferencias entre un sistema de transmisión por correa y otro de transmisión por cadena.
¿Qué ventajas e inconvenientes tiene cada uno de ellos? 6. Un gatillo es un dispositivo de seguridad con el que se traba o retiene un mecanismo. Cuando el
gatillo se acciona, el mecanismo se pone automáticamente en funcionamiento. a) ¿Qué máquinas de las que conoces crees que están provistas de un gatillo?
b) Explica cuál es la función de este gatillo en dos o tres de los ejemplos que encuentres.
7. Para controlar las luces de un semáforo, se usa un programador de bote que actúa sobre los pulsa-dores de encendido de las distintas lámparas del semáforo.
a) ¿Cómo calcularías la velocidad de giro del bote? b) ¿Qué podríamos hacer para aumentar la duración del ciclo del programador? ¿Y para reducirla?
8. La leva es un mecanismo formado por un eje que gira, una leva (o rueda excéntrica), y un seguidor,
que se mueve al ser empujado por la leva cuando gira. Uno de los usos de la leva es el programador de la lavadora, que consiste en un pequeño motor que
va moviendo las levas para que estas vayan abriendo y cerrando una serie de contactos eléctricos según el programa establecido. Otro de los usos habituales de las levas es el árbol de levas.
a) ¿Cómo funciona una leva? ¿Cuál es la conversión de movimiento que lleva a cabo? b) Dibuja un esquema que lo explique.
c) ¿Cómo es un árbol de levas?
d) ¿Cuáles son sus usos? e) Las levas pueden tener distintas formas, ¿cómo crees que influye la forma de una leva en el
movimiento que realiza el seguidor?
Resuelve problemas.
9. Calcula la fuerza que tendremos que hacer para levantar un armario de 150 kg. con una palanca de
longitud 1,2 metros, si la distancia entre el punto de apoyo y el peso es de 20 cm. 10. Queremos mover un cuerpo de 90 kg utilizando una barra de 2 m como palanca de segundo grado y
haciendo una fuerza de 150 N. ¿Dónde tendremos que colocar la carga? 11. Disponemos de un torno cuyo tambor tiene un diámetro de 20 cm y en el que el brazo de la manive-
la mide 1 m. ¿Qué fuerza tendremos que aplicar en el extremo de dicha manivela para elevar una carga
de 150 kg?
36
12. Dibuja un polipasto formado por cuatro poleas, dos de ellas fijas y dos móviles, y calcula la fuerza
que sería necesaria para levantar una carga de 120 kg con este dispositivo.
13. ¿Cuántos dientes tendrá una rueda que gira a 50 rpm si mueve a otra de 80 dientes que gira a 200 rpm?
14. Se tiene un motor que gira a 1000 rpm con una polea de 10 cm de diámetro acoplada en su eje, la cual, a su vez, está unida mediante una correa a otra polea conducida de 50 cm de diámetro.
a) Representa gráficamente el sistema indicando los sentidos de giro mediante flechas.
b) Calcula la relación de transmisión. c) ¿Cuál será la velocidad de la polea conducida?
d) ¿Se trata de un mecanismo reductor o multiplicador de la velocidad? 15. La rueda conducida de un sistema de engranajes tiene 45 dientes y gira a 500 rpm. Si la rueda con-
ductora tiene 15 dientes, ¿cuál será su velocidad de giro? ¿Cuál será la relación de transmisión del siste-
ma? 16. En un sistema de transmisión por engranajes, el engranaje A, que tiene 30 dientes, gira a 10 vueltas
por minuto y mueve a B que tiene 50 dientes. a) Haz un dibujo esquemático del sistema.
b) ¿A qué velocidad angular gira B? c) ¿Qué engranaje tiene más fuerza en su eje?
17. Un bote programador, similar al que se describe en la página 128 (del libro de texto de la editorial
Anaya), da una vuelta completa cada 30 segundos. Para programado se utilizan tiras de cinta aislante cubriendo las zonas del bote en las que no se quiere que haya contacto eléctrico. Si el perímetro del bote
es 15 cm, y queremos un programa con dos fases que duren 5 y 8 segundos, ¿qué longitud deberá tener cada una de las tiras?
18. En el sistema de la figura, formado por un motor, un engranaje de 45 dientes y un tornillo sin fin,
¿con qué velocidad girará el eje del engranaje si el motor gira a 2700 rpm?
19. Para regular su velocidad de giro, una taladradora dispone de un sistema con tres poleas escalona-
das de radios 5, 6 Y 7 cm. Si el motor de accionamiento gira a 1500 rpm y está acoplado a su vez a tres poleas, de radios 2, 3 Y 4 cm, ¿cuáles serán las velocidades mínima, media y máxima de funcionamiento
de la taladradora?
37
REPASA Y ORGANIZA TUS IDEAS.
1 Enumera los principales elementos de una máquina y explica la función de cada uno de ellos. 2 ¿Qué es un automatismo? Pon un ejemplo.
3 ¿ Cómo se clasifican los mecanismos según la función que desempeñan? 4 ¿En qué consiste la ley de la palanca? Escribe la expresión matemática que la describe.
5 ¿Cuáles son los principales sistemas de transmisión circular?
6 En un sistema de transmisión circular, ¿qué es la relación de transmisión? 7 ¿Qué es un sistema de control? 8 Dibuja un esquema que explique la diferencia entre un sistema de control de lazo abierto y un sistema
de control de lazo cerrado. Pon un ejemplo de cada uno de ellos. 9 ¿Cómo funciona un interruptor de final de carrera? 10 ¿Qué es un relé? ¿Cuáles son sus principales componentes? ¿Para qué se utiliza? 11 ¿Qué es un temporizador? Pon dos ejemplos de situaciones en las que se emplea este dispositivo.
38
12. BIBLIOGRAFÍA. Gonzalo, R; y otros. TECNOLOGÍAS 3º ESO. Ed. Anaya, S.A. Madrid. 2011. Armada Simancas, M; y otros. Tecnologías 3º ESO. Proyecto La Casa del Saber. Ed. Santillana Educa-
ción, S. L. Madrid. 2007.
Moreno Márquez, J; y otros. Tecnologías II ESO. Ed. Oxford University Press España, S.A. Estella. 2007.
Fidalgo Sánchez, J. A.; y otros. Tecnología Industrial 1. Ed. Everest, S. A. León. 2008.