Tecnologías de 3º E.S.O.
UNIDAD DIDÁCTICA 3
1 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
2 Palancas
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 punto de apoyo.
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:
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.
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
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
Ejemplos de palancas de primer
grado
Remos, tijeras, grúa,
balanza, tenazas,
balancín, alicates...
Ejemplos de palancas de segundo
grado
Carretilla,
sacacorchos,
cascanueces...
Ejemplos de palancas de tercer
grado
Brazo humano,
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 comodidad porque cambian la 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 la resistencia.
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
Polea móvil y polipastos II
Empleando
un
polipasto de 8 poleas
móviles,
cada
una
soporta 1000 N, de
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 de una
manivela que lo hace
girar, de forma que es
capaz
de
levantar
pesos
con
menos
esfuerzo.
Se puede considerar
como una palanca de
primer grado cuyos
brazos giran 360º.
Torno: aplicación de la ley de la
palanca al torno
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.
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.
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
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 un cilindro. Cuando se 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
Mecanismos de transmisión: son aquellos que
comunican o transmiten el movimiento a otros mecanismos, además de reducir o multiplicar la fuerza.
Transmisión por engranajes. Transmisión por correa.
Transmisión por cadena y catalina. Tornillo sin fin y corona.
Transmisión por engranajes
Los engranajes son ruedas quetienen 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 cuando también es necesario transmitir grandes fuerzas, porque 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 resuelto de transmisión
entre poleas
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
Relación de transmisión II
Multiplicador de velocidad: mecanismo de transmisión en
que la velocidad conducida es mayor que la velocidad motriz.
Reductor de velocidad: mecanismo de transmisión en que la
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
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
Elevalunas (piñón cremallera)
Al girar la manivela del
elevalunas, se mueve el piñon, la cremallera se desplaza y produce el ascenso de la luna. Cuando se gira la 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 un
desplazamiento lineal de la cremallera que mueve las palancas y obliga a girar a las ruedas en el mismo sentido.
Husillo-tuerca
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.
Gato a manivela (husillo-tuerca)
Al girar la manivela del
gato, gira la tuerca y avanza por el husillo linealmente de forma que se cierran las barras articuladas.
Al girar en sentido
contrario, se abren las barras.
Mecanismos de transformación de movimiento circular a alternativo
Biela-manivela
Es un mecanismo
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.
Mecanismo biela-manivela en las
ruedas de un tren de vapor
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 está unido y
moverlo 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.
¿CÓMO HACER UN TORNILLO SIN
FIN?
¿CÓMO MONTAR ENGRANAJES
PREFABRICADOS?
¿CÓMO CONSTRUIR UN PIÑÓN
CREMALLERA?
¿CÓMO HACER UNA BIELA
MANIVELA?
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.
Combustión externa: la máquina de
vapor
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 máquina: hay menos pérdidas.
Tipos:
✗ Motor de cuatro tiempos. ✗ Motor de dos tiempos. ✗ Motores diésel.
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
Fase de admisión
La válvula A se abre;
entran el aire y el
combustible (gasolina
pulverizada) en el
cilindro.
Baja
el
pistón. Al bajar el
pistón, se hace el
vacío y ayuda a que
entre
mejor
la
mezcla.
Fase de compresión
Al subir el pistón, se
cierran las válvulas A y E y se comprime la mezcla (gasolina y aire). Para que suba el pistón la primera vez, hay que ayudarse con un motor de arranque alimentado por la batería del coche. Después, ya sube por el propio giro del
cigüeñal
.Fase de explosión
Cuando la mezcla
está muy comprimida,
la bujía lanza una
chispa
que
hace
explotar la mezcla.
Los
gases
muy
calientes
se
expanden y hacen
bajar el pistón.
Fase de escape
Se abre la válvula E
(escape) y, al subir el pistón, expulsa los gases producidos en la combustión a través de dicha válvula. Los gases pasan al tubo de escape, que los envía al exterior. Se vuelve a empezar el ciclo admisión-
compresión-explosión-escape y, así sucesivamente.
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
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
Cuando el pistón está
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.
7. Motores para volar
Hace 200 años los
hermanos Montgolfier construyeron el primer globo aerostático, que vuela gracias a que el aire caliente lo hace ascender.
El primer avión con
motor fue el de los hermanos Wright, en el año 1903.
Principio de acción y reacción
El Arianne 5 es un
cohete que lleva dos tanques, uno de hidrógeno (combustible) y otro de oxígeno (comburente). La reacción química entre ambos es muy violenta, produce mucha energía para subir el cohete. Como producto de la reacción se genera vapor de agua.
Cohete
Un cohete es un reactor que lleva en un tanque el
combustible y en el otro el comburente (sustancia que reacciona con el combustible para provocar la combustión), normalmente oxígeno.
ENSAYO: Principio de acción y
reacción
La jeringuilla pequeña
sale disparada hacia arriba. Aplicando el principio de acción y reacción, observamos que el agua que estaba dentro de la jeringuilla sale con una determinada velocidad lo que hace que el cohete suba.
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.
Turborreactor
El aire entra aspirado por las hélices de un compresor. En la
cámara de combustión, el oxígeno del aire (comburente) que entra comprimido reacciona con el queroseno (combustible). Los gases a altísimas temperaturas de combustión, se expanden y salen por la parte posterior a gran velocidad, impulsando al avión hacia adelante.
Al salir hacen girar una turbina que, a su vez, hace girar el
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.
Ejemplo de turbopropulsor (o
turbohélice)
Estatorreactor I
Consiste en un tubo abierto por los dos extremos. El
oxígeno del aire entra por la parte delantera a altas velocidades, y reacciona con el combustible.
Los gases se expanden debido al enorme calor
generado en la combustión iniciada por la chispa de la bujía, de esta forma salen por la parte posterior a gran velocidad, por lo que el motor es empujado hacia adelante.
Ventajas: tiene poco peso, es sencillo, es
básicamente un tubo. Se utiliza sobre todo en los aviones espía que vuelan a cotas muy altas y a grandes velocidades.
Pulsorreactor I
Evita el retroceso de aire hacia la entrada,
mediante unas válvulas que permiten la
entrada de aire y se cierran cuando explota la
mezcla.
La combustión se produce a pulsos (abriendo y
cerrando la entrada de aire).
