Tema 5
MECANISMOS y
MÁQUINAS.
Conceptos previos
Una máquina es un conjunto de elementos que intectúan entre sí y que es capaz de realizar un trabajo o aplicar una fuerza.
Definición alternativa: conjunto de dispositivos sencillos que realizan trabajo.
Un mecanismo es cualquier elemento que constituye o forma parte de una máquina.
Una máquina simple es aquella que está formada por pocos elementos.
La palanca es una máquina simple, ya que es capaz de
multiplicar la fuerza (puedo levantar mucho peso haciendo poca fuerza) y está formada por 2 elementos: una barra y un
Ejemplo de aplicación de la ley de la
palanca
* Indi y Lara tienen cada uno una masa de 40 kg. ¿Podrán levantar a Hipo?
Hay que comprobar si se cumple la siguiente igualdad:
F · BF=R· BR
Tipos de palancas
Según la posición relativa de la fuerza, de la resistencia y del punto de apoyo, las palancas se clasifican en tres tipos: •Palanca de primer grado o primer género.
•Palanca de segundo grado o segundo género. •Palanca de tercer grado o tercer género.
Palanca de primer grado
El punto de apoyo está entre la fuerza y la
resistencia.
Dependiendo de la
longitud de los brazos, la fuerza será mayor, menor o igual que la resistencia.
Ejemplos de palancas de primer grado
Remos, tijeras, grúa, balanza, tenazas, balancín, alicates.
..
Palanca de segundo grado
La resistencia está entre el punto de apoyo y la fuerza.
Estas palancas tienen
ventaja mecánica: aplicando poca fuerza se vence una gran resistencia.
Ejemplos de palancas de segundo grado
Palanca de tercer grado
La fuerza está entre el punto de apoyo y la resistencia.
Estas palancas tienen desventaja mecánica: es necesario aplicar mucha fuerza para vencer poca resistencia.
Ejemplos de palancas de tercer grado
Pinzas de depilar, quitagrapas...
Palancas articuladas
Es un mecanismo complejo formado por la unión de varias palancas con uniones móviles.
Ejemplos: vehículo elevador, cuerpo humano (los huesos son las barras, los músculos ejercen fuerza y las articulaciones son las uniones móviles).
Vehículo articulado: el cierre de las 2 palancas articuladas de la base obliga a que el resto de palancas se cierren. Esto produce el desplazamiento en vertical del conjunto, que alcanza gran altura.
3 Poleas y polipastos
La polea es una rueda con una hendidura en la llanta por donde se introduce una cuerda o una correa.
Las poleas sirven para elevar cargas con más
porque cambian la
comodidad
dirección de la fuerza.
Polea fija: la polea gira pero sin moverse de su sitio. Para elevar la carga, la fuerza que se ejerza tiene que ser mayor o igual que
Polea móvil y polipastos I
Un polipasto es un conjunto de poleas combinadas de tal forma que se puede elevar un gran peso haciendo muy poca fuerza.Está compuesto de una polea fija y una polea móvil. La fija solo gira cuando se tira de la cuerda y la móvil gira a la vez que se desplaza.
En el dibujo, el peso cuelga de la polea móvil, y se reparte entre las dos cuerdas: la mitad del peso lo soporta el tronco y la otra mitad el hipopótamo.
Polea móvil y polipastos II
Empleando
un
de 8 poleas
cada
una
1000
N,
de
polipasto
móviles,
soporta
manera que el tronco
aguanta 7500 N y ellos
solo tienen que hacer
500 N de fuerza (que
es como levantar 50
kg).
Torno
Un torno es un cilindro
que
consta
manivela que
de
una
lo hace
girar, de forma que es
de
levantar
con
menos
capaz
pesos
esfuerzo.
Se
puede
como una
considerar
palanca de
primer
grado
cuyos
Torno: aplicación de la ley de la
palanca al torno
Como la longitud de la barra de la manivela es mayor
que el radio del torno (cilindro), la fuerza que
hacemos con la manivela siempre será menor que la
resistencia que levantamos.
Con la mano giramos la manivela aplicando
una
fuerza F, el torno gira y la cuerda se enrolla en el
cilindro a la vez que eleva la carga. Es una palanca
cuyo punto de apoyo es el eje del cilindro y los brazos
son la barra de la manivela y el radio del cilindro.
Ejemplos de aplicación de la ley de
la palanca
4 Plano inclinado, cuña y tornillo
*Plano inclinado
El plano inclinado es una rampa que sirve para elevar cargas realizando menos esfuerzos.
F ·b= R· a F= R· a b
*Cuña
La cuña es un plano
inclinado doble, donde la fuerza que se
aplica perpendicular a la base se transmite multiplicada a las caras de la cuña.
La fuerza aumenta más cuanto mayor
longitud tienen las caras y menor longitud tiene la base.
*Tornillo
El
tornillo
es un plano
inclinado, pero enrollado
sobre
Cuando
un
se
cilindro.
aplica
presión y se enrosca, se
multiplica
la
fuerza
aplicada.
Cada filete de la rosca hace de cuña introduciéndose en el material con poco esfuerzo.
5 Mecanismos de transmisión
de transmisión
: son aquellos
el movimiento
que
a otros
transmiten
además de reducir o multiplicar la
Mecanismos
comunican o
mecanismos,
fuerza.
Transmisión por engranajes.
Transmisión por correa.
Transmisión por cadena y catalina.
Transmisión por engranajes
Los engranajes son ruedas que tienen dientes en todo su perímetro externo y engarzan unas con otras.
El tamaño de de los dientes de cada una deben ser iguales para que encajen.
Los engranajes transmiten movimientos de giro entre ejes muy próximos y son adecuados
también es necesario fuerzas, cuando transmitir porque grandes
los dientes de los engranajes no deslizan
entre sí.
Relación de transmisión entre
engranajes
Transmisión por correa
Es un mecanismo compuesto de una correa que conduce el movimiento de una polea a otra. Las hendiduras de ambas poleas tienen el mismo tamaño y la correa entre ambas debe tener la tensión adecuada para que se transmita el movimiento. La transmisión por correas es más silenciosa, pero puede patinar cuando se pretende transmitir mucho esfuerzo. Esto sirve para absorber las frenadas o acelerones de un motor, por ejemplo.Relación de transmisión entre poleas
Multiplicador de velocidad: mecanismo de transmisión en que la velocidad conducida es mayor que la velocidad motriz.
Ejemplo resuelto de
Transmisión por cadena
Es un mecanismo
compuesto de una
cadena y de ruedas
dentadas.
Tornillo sin fin y corona
Es una forma de transmisión de movimientos entre ejes que son perpendiculares entre sí. La rosca del tornillo engrana con los dientes del engranaje. Cada vuelta de tornillo la rueda dentada avanza un diente.
Para que la rueda dentada de una vuelta completa, el tornillo tiene que girar tantas veces como dientes tiene el engranaje.
Relación de transmisión I
Cuando se transmite un movimiento, también se transmite energía. La velocidad motriz es la del elemento que acciona el mecanismo La velocidad conducida es la del elemento que recibe el movimiento.
Por ejemplo, en el caso del tornillo sin fin y rueda, el tornillo es el elemento motriz, y la rueda, el conducido.
Trenes de mecanismos
Los trenes de mecanismos son la unión de varios mecanismos simples.
Por ejemplo, los relojes analógicos tienen muchos engranajes, unos acoplados a otros.
Sistema de transmisión reductor
Para unir un sistema de poleas a un sistema de
engranajes, es necesario que una polea y un
engranaje estén en el mismo eje y giren a la misma
velocidad, i.e., que sean
solidarios
.
Tren de poleas
Cuando queremos reducir la velocidad de un motor se puede hacer con varias poleas unidas con correa.
En este proceso la energía transmitida a cada elemento es la misma, i.e., que al reducir la velocidad aumenta la fuerza.
Tren de engranajes
Si
queremos
aumentar
la
velocidad
de
un
mecanismo se utilizan varios engranajes o poleas
acoplados, pasando de mayor a menor tamaño.
Mecanismos de transformación
Son los que cambian el tipo de movimiento, de lineal a circular, o a la inversa, y de alternativo a circular, o inversa. Los más importantes son:
Piñón cremallera y husillo tuerca: para transformaciones de movimiento circular en lineal o lineal a circular.
Biela-manivela, excéntrica, cigüeñal y leva: para transformaciones de movimiento circular en alternativo.
Piñón cremallera
Es un sistema compuesto
por un engranaje, llamado
piñón, y una barra dentada.
Elevalunas (piñón cremallera)
Al girar la manivela del
elevalunas, se mueve el
produce
cremallera se
el
la
luna.
gira
la
piñon, la
desplaza y
ascenso
de
Cuando
se
manivela
al
revés,
la
cremallera se mueve en
sentido
contrario
y
el
cristal baja.
Dirección de un coche (piñón cremallera)
Al girar el volante, se
produce
desplazamiento
un
lineal
de la cremallera que
mueve las palancas y
obliga a girar a las
ruedas en el mismo
sentido.
Husillo-Tuerca. (Gato a manivela)
Al girar la manivela del
gato, gira la tuerca y
avanza
por
linealmente
el
husillo
de
forma
que se cierran las barras
articuladas.
en
sentido
se abren las
Al
girar
contrario,
barras.
Está compuesto de un eje roscado (husillo) y una tuerca con la misma rosca que el eje. Si se gira la tuerca, esta se desplaza linealmente sobre el husillo; y al revés, si gira el husillo, también se desplaza la tuerca.
Mecanismos de transformación de movimiento
circular a alternativo
Biela-manivela
mecanismo
*Es
un
compuesto
de
dos
barras
articuladas,
de
forma que una gira y la
otra se desplaza por una
guía.
*
La barra que gira se
llama
manivela
,
y
la
otra,
biela
.
Excéntrica
La
excéntrica
es una
rueda que tiene una
barra rígida unida en
un punto de su
perímetro.
Convierte el
movimiento circular
en alternativo y
viceversa.
El cigüeñal
El
cigüeñal
es un
sistema compuesto por
la
unión
de
múltiples
manivelas acopladas a
sus
correspondientes
bielas.
Transforma
simultáneamente un
movimiento de giro en
varios movimientos
alternativos.
Leva y seguidor
La
leva
es un dispositivo
que al girar es capaz de
accionar un elemento al
que
no
moverlo
está
unido
y
de
forma
alternativa.
Transforma un movimiento de giro en un movimiento lineal alternativo.El seguidor solo transmitirá el movimiento lineal cuando la parte saliente de la leva entre en contacto con el mismo.
6. Las máquinas térmicas
Máquinas térmicas
: transforman la energía
térmica en energía mecánica (movimiento).
Según la forma de realizar la combustión del
combustible, pueden ser de dos tipos:
➢
De
combustión externa
: el combustible se
quema fuera del motor, como es el caso de la
máquina de vapor.
➢
De
combustión interna
: el combustible se
quema dentro de la máquina, como en el motor
de un coche.
Fases de la combustión externa
La Revolución Industrial
La máquina de vapor se usó en trenes, barcos a vapor y multitud de máquinas que sustituyeron al trabajo manual.
Aparecieron nuevas profesiones: mineros, mecánicos, etc. Surgió una nueva clase social: la clase obrera.
Combustión interna
El motor de combustión
interna es más eficiente,
ya
que
el
calor
se
produce
dentro
de
la
hay
menos
máquina:
pérdidas.
Tipos:
✗ ✗ ✗Motor de cuatro tiempos.
Motor de dos tiempos.
El motor de cuatro tiempos
Es el motor de combustión interna más usado.
Necesita de combustible y de aire (que contiene oxígeno). Posee 4 fases bien diferenciadas.
El motor de dos tiempos
Es un motor más sencillo que se utiliza mucho en las
motos, cortadoras de césped, etc.
Al igual que el motor de cuatro tiempos, tiene que
admitir combustible, comprimirlo, explotar y expulsar
los gases, pero lo hace en solo dos fases en un solo
cilindro:
Compresión-explosión.
Escape-compresión.
El aceite lubricante elimina rozamientos.
Las rejillas de ventilación sirven para refrigerar el
motor debido al calentamiento.
1. COMPRESIÓN-EXPLOSIÓN
El
pistón
sube
y
comprime
la
mezcla.
Cuando está arriba del
todo,
se
enciende
la
bujía
provocando
la
explosión de la mezcla.
Los gases calentados a
alta
temperatura
se
expanden
y
hacen
descender el pistón con
mucha energía.
Empieza el escape de
los gases al llegar a la
lumbrera E.
2. ESCAPE-COMPRESIÓN
el pistón está
Cuando
abajo,
salen
por
el
escape
los
gases
procedentes
de
la
anterior combustión y, al
mismo tiempo, entra por
la lumbrera A (gracias a
la bomba de soplado) la
mezcla
de
aire
y
gasolina. Por último, el
pistón sube y comienza
otra vez la
compresión-explosión.
Los motores diésel. Cilindrada
Usan como combustible
el gasóil o gasóleo.
No usan bujía.
La mezcla de aire y
combustible
se
comprime
tanto
que
alcanza los 600ºC, a la
cual explota la mezcla
sin necesidad de chispa
de una bujía.
Motores de aviones
Hay 2 tipos principales de motores de aviones:
Los que tienen turbina compresora y se utilizan
fundamentalmente
en
aviones
comerciales:
turborreactor, turbofan y turbohélice.
Los que no llevan turbina y se utilizan sobre todo en
aviones experimentales no comerciales: estatorreactor
y pulsorreactor.
El combustible utilizado por los aviones es el
queroseno, porque no se congela a temperaturas muy
bajas, cosa que sí le ocurre al gasóleo.
Turbofan (ventilador)
Es el motor más usado por los aviones comerciales. Es más silencioso que el turborreactor.
Al estar el ventilador (fan) dentro del tubo, se suman dos efectos: uno, el ventilador refrigera el turborreactor, y dos, el flujo del aire es mayor. El avance del avión se debe al empuje del ventilador (fan) y al de los gases que salen por la tobera final.
Turbopropulsor (o turbohélice)
Se diferencia del turborreactor en que la turbina de la parte posterior hace girar no solo al compresor, sino a una hélice delantera exterior.
La propulsión se debe a dos causas: a los gases que salen por la parte posterior (con poca velocidad, ya que la mayor parte de la energía la gastan en mover la turbina) y al empuje de la hélice.