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DIGEBR – DES
“TALLER DE ASESORIA PEDAGÓGICA SOBRE USO DE MATERIALES MANIPULATIVOS”
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93333
DOCUMENTO DE TRABAJO
MINISTERIO DE EDUCACIÓN
DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN BÁSICA REGULAR
DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SECUNDARIA
MMIINNIISSTTEERRIIOO DDEE EEDDUUCCAACCIIÓÓNN RREEPPÚÚBBLLIICCAA DDEELL PPEERRÚÚ
RECURSOS TECNOLÓGICOSEDUCACIÓN PARA EL TRABAJO
TECNOLOGÍA DE BASE
EQUIPO DEL ÁREA EDUCACIÓN PARA EL TRABAJO:
▪ Brey Justiniano Rojas Arroyo. ▪ Guillermo Buiza Román ▪ Enrique Corvera Ormeño
Marzo - 2008
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DOCUMENTO DE TRABAJO
OBSERVA Y RECUERDA:
La mayoría de los objetos y seres vivos disponen de una estructura que tiene como principal función soportar pesos y cargas sin que se produzca la rotura o deformación excesiva del objeto.
ESTRUCTURAS
¿Qué es una estructura?
Llamamos estructura a un conjunto de elementos de un cuerpo destinados a soportar los efectos de las fuerzas que actúan sobre él, capaces de aguantar pesos y cargas sin romperse y sin apenas deformarse. También podemos indicar que es toda construcción destinada a soportar su propio peso y la presencia de acciones exteriores (fuerzas, momentos, cargas térmicas, etc.) sin perder las condiciones de funcionalidad para las que fue concebida.
Puedes reconocer muchas estructuras a simple vista, como la de una grúa, un taburete, un puente o una bicicleta.
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Se pueden realizar muchas clasificaciones de las estructuras, atendiendo a diferentes
parámetros: por su origen, movilidad, etc
Según su origen:
Estructuras naturales.
El esqueleto de un ser vertebrado, las formaciones
pétreas, el caparazón de un animal o la estructura de
un árbol, los corales marinos, las estalagmitas y
estalactitas, etc. son algunos ejemplos de este tipo de
estructura.
Tipos de estructuras
Estructuras artificiales
Son todas aquellas que han sido diseñadas y
construidas por el hombre para satisfacer sus
necesidades a lo largo de su evolución. Los ejemplos
más usuales de este tipo de estructuras son los puentes,
edificios y en la mayoría de los objetos realizados por el
hombre
Según su utilidad:
Estructuras Rígidas
Son aquellas que no se deforman cuando se les somete
a diferentes fuerzas (compresión, tensión torsión, etc),
excepto si sus elementos se rompen. Por ejemplo:
torres, puentes, monumentos, etc.
Estructuras Flexibles
Son aquellas en las que cuando se les aplica una
fuerza, la estructura se deforma, controladamente, al
desplazarse los elementos que la integran, como por
ejemplo: una bisagra, un puente levadizo, un
pantógrafo, etc.
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Según su función:
Estructuras Móviles
Son todas aquellas estructuras articuladas o que
cuentan con ruedas para permitir su desplazamiento,
Como por ejemplo: un esqueleto, un coche de bebé, un
auto, etc.
Estructuras Fijas
Aquellas que por el contrario, no pueden ni deben
permitir desplazamientos, o estos son mínimos. Como
por ejemplo: edificios, torretas, puentes, entre otros.
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DOCUMENTO DE TRABAJO
A la hora de diseñar o estudiar una estructura, se debe observar origen, su utilidad y su
función. Asimismo debe cumplir dos propiedades principales: ser resistente y estable.
• Resistente, para que soporte sin romperse por efecto de las fuerzas a las que se
encuentra sometida principalmente a causa de su utilidad y función.
• Estable para que se mantenga en equilibrio sin volcarse ni caerse.
La estructura que construye el hombre tiene una finalidad determinada, para la que ha sido
pensada, diseñada y finalmente construida.
Podemos hacer un análisis en función de la necesidad que satisface:
• Soportar peso: se engloban en este apartado aquellas
estructuras cuyo fin principal es el de sostener cualquier
otro elemento, son los pilares, las vigas, estanterías,
torres, patas de una mesa, etc.
• Salvar distancias: su principal función es la de esquivar
un objeto, permitir el paso por una zona peligrosa o difícil,
son los puentes, las grúas, teleféricos, etc.
• Proteger objetos: cuando son almacenados o
transportados, como las cajas de embalajes, los cartones
de huevos, cascos, etc. Por ejemplo La forma y rigidez del
casco protege la cabeza del motorista.
Funciones de las estructuras
Propiedades de las estructuras
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• Para dar rigidez a un elemento: son aquellos en que lo
que se pretende proteger es el propio objeto, y no otro al
que envuelve, por ejemplo en las puertas no macizas el
enrejado interior, los cartones, etc.
Dependiendo de su posición dentro de la estructura y del tipo de fuerzas que actúan
sobre ellos, los elementos o piezas de las estructuras soportan diferentes tipos de
esfuerzos. Dichos esfuerzos pueden ser:
De tención, cuando las fuerzas que
actúan sobre la pieza tienden a estirarla,
tal y como sucede, por ejemplo, con los
cables de un puente colgante.
De compresión, cuando las fuerzas que
soporta la pieza tienden a aplastarla,
como es el caso, por ejemplo, de los
pilares. Cuando nos sentamos en una
silla, sometemos a las patas a un
esfuerzo de compresión, con lo que
tiende a disminuir su altura.
Tensión Compresión
Esfuerzos que soportan las estructuras
Las estructuras tienen como principal función soportar pesos y cargas sin que se produzca la rotura o deformación excesiva del objeto.
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De flexión, cuando las fuerzas que
actúan sobre la pieza tienden a doblarla,
como sucede con las vigas. Al saltar en
la tabla del trampolín de una piscina, la
tabla se flexiona. También se flexiona un
panel de una estantería cuando se carga
de libros .
Flexión
a. De corte o cizalladura, cuando las
fuerzas que soporta la pieza tienden a
cortarla. Este es el tipo de esfuerzo al
que están sometidos los puntos de apoyo
de las vigas. Al cortar con unas tijeras un
papel estamos provocando que unas
partículas tiendan a deslizarse sobre
otras.
b. De torsión, cuando las fuerzas que
soporta la pieza tienden a retorcerla.
Este es el caso de los ejes, los
cigüeñales y las manivelas.
DOCUMENTO DE TRABAJO
a. De corte o cizalladura
b. De Torsión
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La resistencia de una estructura no depende solamente de las propiedades del material con el que está elaborada, sino también de la disposición del conjunto de elementos resistentes que la forman.
En cualquier estructura podemos encontrar uno o varios de los siguientes elementos resistentes.
• Los pilares
Son los apoyos verticales sobre los cuales descansan
las vigas y el resto de la estructura. Estos elementos
soportan el peso de la propia estructura y el peso de
los elementos que se cargan o apoyan sobre ellos.
También se le denomina poste, columna, larguero, etc. Los materiales con los que
se construyen pueden ser: madera, acero, aluminio, hormigón armado, ladrillos,
mármol, etc. Suelen ser de forma geométrica regular (cuadrada, rectangular,
circular)
• Las vigas
Son piezas horizontales. Se apoyan sobre dos puntos,
y su misión es la de soportar cargas. Son elementos
colocados normalmente en posición horizontal que
soportan la carga de la estructura y la transmiten hacia
los pilares.
Elementos de las estructuras.
• Los tirantes o tensores Son cables inextensibles (fabricados de cuerdas,
cables de acero, cadenas, listones de madera) que
está sometida principalmente a esfuerzos de tracción
y que tienen múltiples funciones dentro de las
estructuras:
DOCUMENTO DE TRABAJO
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a) Pueden servir para sujetar o colgar vigas, como es el caso de la mayoría de
los puentes modernos.
b) Pueden servir de elementos de sujeción de los elementos verticales de la
estructura, como sucede con los palos de una tienda de campaña o con las
antenas de televisión.
• Los Arcos Forma geométrica muy utilizada a lo largo de la
historia como solución arquitectónica. Permite trasmitir
las cargas que soporta hacia los elementos que
sustentan la estructura.
DOCUMENTO DE TRABAJO
• Las escuadras Son triángulos rectángulos que se emplean para
reforzar estructuras. Pueden ser planas ( para unir una
viga con una columna), en forma de L o en forma de
prisma. En estos dos últimos casos se emplean para
unir vigas con pilares y también para mantener
verticales dichos pilares.
• Los Triángulos
Puede demostrarse, de forma experimental, que el
triángulo es la forma geométrica más estable, al no
deformarse al actuar sobre él fuerzas externas. Esta
es la razón por la que se utiliza la triangulación para
aportar mayor rigidez a las estructuras. En caso
contrario nos encontraremos con una estructura
flexible.
Estructuras rígidas
Estructuras flexibles
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En ocasiones la colocación de una simple escuadra otorga
a la estructura la rigidez y resistencia que necesita. Las
vemos en construcciones industriales, grúas, gradas
metálicas, postes eléctricos, etc.
En las siguientes fotografías puedes observar algunos
ejemplos comunes de utilización de estructuras
triangulares:
DOCUMENTO DE TRABAJO
• Tubos Otro tipo de elementos que presentan gran resistencia
son los tubos o estructuras tubulares. Su geometría
cilíndrica permite un reparto equitativo de las cargas
sobre sus paredes. Una de sus principales
aplicaciones es la construcción de canalizaciones.
• Muros
Son elementos que soportan los esfuerzos en toda su longitud, de forma
que reparten las cargas. Los materiales de los que están construidos son
variados: piedra, ladrillos, madera, cartón, etc.
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DOCUMENTO DE TRABAJO
PALANCAS
Los inventos basados en la palanca se fueron desarrollando a lo largo de los siglos y tuvieron aplicaciones en campos muy diversos: agricultura, deporte, transporte, etc..
• En la prehistoria ya se empleaba de forma inconsciente para amplificar el golpe
(hachas y martillos) y el transporte de materiales sobre palos que se sujetaban con
las manos en un extremo y arrastraban por el suelo en el otro.
Historia de la palanca
• Hacia el 2800 a. de C. se empleaba en Egipto remos fijos apoyados en chumaceras
o aros para el desplazamiento por el Nilo (Palanca de 2º grado)
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DOCUMENTO DE TRABAJO
• Hacia el 2650 a. de C. ya se empleaba en forma habitual en Egipto y Mesopotamia
la balanza de brazos móviles en cruz, para la medición de masas (palanca de 1er
grado).
• Sobre el 2600 se empleaban palancas de grandes proporciones para el movimiento
de grandes bloques de piedra empleados en la construcción de las primeras
pirámides (palanca de 2º grado).
La ley de Arquímedes dice: "El esfuerzo multiplicado por su
distancia al punto de apoyo es
igual
a la carga multiplicada por su
distancia al punto de apoyo".
• Por el 2500 a. de C. los artesanos de Ur (Mesopotamia) ya empleaban las pinzas
en trabajos delicados (palanca de 3er grado).
• Por el 1550 empezó a emplearse en Egipto y
Mesopotamia grandes palancas para la
extracción del agua de los ríos, que
posteriormente evolucionarían hacia las grandes
grúas egipcias.
• Hacia el 1000 a. de C. ya se fabricaban tijeras de hierro para trasquilar ovejas en
forma de palancas de tercer grado.
• En el 250 a. de C. Arquímedes descubre el principio de la palanca, ilustró su teoría
con una frase muy famosa: "Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo",
dando por hecho que de tener una palanca suficientemente larga podría mover la
Tierra con sus propias fuerzas. La rueda, la palanca, la polea, el tornillo, el plano
inclinado y la cuña son algunas máquinas simples.
Se define a la palanca como una barra rígida que
puede girar sobre un punto de apoyo (fulcro)
sobre el cual se aplica una fuerza pequeña para
obtener una gran fuerza en el otro extremo; la
fuerza pequeña se denomina "potencia" (p) y la
gran fuerza, "resistencia" (R)
¿Qué es una palanca?
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En física, la fórmula de la palanca es:
R·Br=P·Bp.
R es la fuerza que levantamos (carga o resistencia) y
P es la fuerza que ejercemos para levantarlo (esfuerzo o potencia).
Bp y Br son las distancias que hay del punto de apoyo a la R y P
Al utilizar las palancas se aplica el principio de los momentos, donde una de las fuerzas
hace girar la palanca en un sentido y la otra en sentido contrario, como se aprecia en la
figura:
Desde el punto de vista tecnológico, cuando empleamos la palanca para vencer fuerzas
podemos considerar en ella 4 elementos importantes:
• Potencia (P), fuerza que tenemos que aplicar.
• Resistencia (R), fuerza que tenemos que
vencer; es la que hace la palanca como
consecuencia de haber aplicado nosotros la
potencia.
• Brazo de potencia (BP), distancia entre el punto
en el que aplicamos la potencia y el punto de
apoyo (fulcro).
• Brazo de resistencia (BR), distancia entre el
punto en el que aplicamos la resistencia y el
punto de apoyo (fulcro).
Elementos de la palanca
Importante:
Recuerda que la finalidad de
una palanca es conseguir
mover una carga grande a partir
de una fuerza o potencia muy
pequeña.
DOCUMENTO DE TRABAJO
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Hay varios tipos de palancas, pero en todas ellas hay un punto donde se coloca el
cuerpo que se quiere mover, llamaremos a ese cuerpo carga o resistencia, y otro
punto donde se aplicará la fuerza para mover a la carga, a esa fuerza la llamaremos
potencia o esfuerzo.
Tipos de palanca
A las distancias entre el punto de apoyo y los puntos de aplicación de carga y potencia
se les llama brazo (brazo de carga y brazo de potencia).
En el esquema siguiente, el balde que
se intenta levantar es la carga, la
fuerza ejercida por la persona es la
potencia.
De acuerdo con la posición de la
"potencia" (fuerza) y de la "resistencia"
(carga) con respecto al "punto de
apoyo" (fulcro), se consideran tres
clases de palancas: de primer grado,
de segundo grado y de tercer grado
1.- Palanca de primer grado.
Se llama de primer grado cuando el eje, o punto de apoyo, se ubica entre la carga y la
fuerza aplicada (potencia y resistencia.) Mientras más cerca está la carga del punto de
apoyo o fulcro entonces la fuerza aplicada puede ser menor.
Es nuestra idea intuitiva de palanca, algo que nos ayuda a mover una carga pesada.
Ejemplos de este tipo de palanca son el sube y baja,
las tijeras, las tenazas y los alicates, además en el
cuerpo humano se encuentran otros ejemplos de
primer género como el Triceps - codo - Antebrazo .
DOCUMENTO DE TRABAJO
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Algunos ejemplos de palancas de primer grado
El objeto que se pesa es la carga, y los
contrapesos realizan la fuerza para equilibrar el
mecanismo. Ambos pesos son iguales y se
encuentran a la misma distancia.
DOCUMENTO DE TRABAJO
El punto de apoyo no está en el centro, y el peso
se desplaza por la barra hasta que equilibra el
objeto que debe ser pesado.
La fuerza realizada por el operador se aumenta
para extraer el clavo. La carga es la resistencia del
clavo al ser extraído.
En el segundo tipo, la carga se ubica entre la potencia y el punto de apoyo o fulcro. De
esta forma funciona una carretilla.
Ejemplos de este tipo de palanca son la
carretilla, el cascanueces, los remos,
destapador de botellas, etc.
22.- Palanca de segundo grado
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Algunos ejemplos de palancas de segundo grado
Al elevar las varas es posible levantar una pesada
carga que se halla más cerca del punto de apoyo, la
rueda.
DOCUMENTO DE TRABAJO
Al levantar el mango, se supera la fuerte resistencia de
la tapa.
El cascanueces es una palanca combinada de
segundo grado. La carga es la resistencia que la
cáscara de la nuez opone a ser partida.
Se llaman palancas de tercer grado, cuando la potencia (Fuerza) se encuentra entre el
Punto de Apoyo y la Resistencia. Como la carga esta mas alejada del punto de apoyo la
fuerza aplicada debe ser mayor. En contraste la carga tiene un gran movimiento.
3.- Palanca de tercer grado.
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DOCUMENTO DE TRABAJO
Ejemplos de este tipo de palanca son el brazo
humano, el quitagrapas; también otro ejemplo lo
tenemos al levantar una cuchara con sopa o el tenedor
con los tallarines, una engrapadora también es un
ejemplo de este tipo.
Algunos ejemplos de palancas de tercer grado.
El martillo actúa como una palanca de tercer grado
cuando se utiliza para clavar un clavo. El punto de apoyo
es la muñeca y la carga es la resistencia que opone la
madera. La cabeza del martillo se mueve a mayor
velocidad que la mano al golpear.
Mientras una de las manos actúa como punto de apoyo,
la otra provee la fuerza para mover la caña. La carga es el
peso del pez., que se puede levantar a gran altura con un
movimiento de mano corto.
Un par de pinzas es una palanca de tercer grado
compuesta. El esfuerzo que ejercen los dedos se reduce
en los extremos de la pinza, lo cual le permite tomar
objeto.
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Algunos ejemplos de palancas múltiples
La excavadora es un ensamble rotativo
de tres palancas (el pescante, el móvil y
la cuchara) montadas sobre orugas.
Estas tres palancas accionadas por
pistones hidráulicos que permiten
colocar la cuchara en cualquier
posición, van montadas sobre una
plataforma.
Las cortaúñas son una combinación clara de
dos palancas que permiten realizar una potente
acción de corte y son fáciles de manipular. El
mango es una palanca de segundo grado que
presiona las dos hojas de corte hasta unirlas.
Las hojas actúan con gran fuerza, y dan lugar a
una combinación de palancas de tercer grado.
Los filos de las hojas realizan un movimiento
corto para vencer la dura resistencia que ofrece
la uña.
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Con los cuatro elementos tecnológicos de una palanca se elabora la denominada Ley de la palanca.
Ley de la palanca
Se denomina ley de la palanca a una
relación que expresa que el producto de la
Potencia por su brazo es igual al de la
Resistencia por el suyo:
POTENCIA x BRAZO DE POTENCIA = RESISTENCIA x BRAZO DE RESISTENCIA P x BP = R x BR
Esta expresión matemática representa una proporción inversa entre la "potencia" y su
brazo por un lado y la "resistencia" y el suyo por el otro.
Por esta razón es lo mismo emplear una potencia de 8 N y un brazo de potencia de 0,25
m, que una "potencia" de 0,5 N y un brazo de potencia de 4 m, pues su producto es
equivalente. Algunas otras posibilidades las podemos ver en la tabla siguiente:
P (Potencia en Newton) BP (Brazo de Potencia en metros) P x BP
8 0,25 2 2 1 2 1 2 2 0,5 4 2
Esta expresión matemática podemos sentirla de forma práctica si pensamos en estos
ejemplos:
• La fuerza necesaria para hacer girar una puerta (potencia) es menor cuanto más lejos
de las bisagras (brazo de potencia) la aplicamos.
• Es mas fácil cortar una alambre (potencia) con unos alicates de corte, cuanto mas cerca
del eje lo colocamos (brazo de resistencia) y cuanto más lejos de él aplicamos la fuerza
(brazo de potencia).
• Al emplear un cascanueces es más fácil romper la nuez (resistencia) cuanto más lejos
(brazo de potencia) ejerzamos la fuerza (potencia).
• Es más fácil aflojar los tornillos de las ruedas de un coche (potencia) cuanto más larga
sea la llave empleada (brazo de potencia).
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Si en vez de considerar la intensidad de las fuerzas de la "potencia" y la "resistencia"
consideramos su desplazamiento, esta ley la podemos enunciar de la siguiente forma:
El desplazamiento de la "potencia" es a
su brazo como el de la "resistencia" al suyo.
Esto representa una proporción directa entre el desplazamiento de la potencia y su
brazo, de tal forma que para aumentar (o disminuir) el desplazamiento de la potencia es
necesario también aumentar (o disminuir) su brazo, y lo mismo sucedería con la
resistencia
De todo lo anterior podemos deducir que la palanca puede emplearse con dos finalidades
prácticas
• Modificar la intensidad de una fuerza. En este caso podemos vencer
grandes resistencias aplicando pequeñas potencias.
• Modificar la amplitud y el sentido de un movimiento. De esta forma
podemos conseguir grandes desplazamientos de la resistencia con
pequeños desplazamientos de la potencia.
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RUEDAS Y EJES
Historia de la rueda
• Parece ser que la primera aplicación de la rueda como los tornos de alfarería
corresponde hacia el 3300 a. de C. en el oriente medio, en forma de sencillo disco de
madera montado sobre un cono giratorio impulsado a mano.
• Hacia el 3200 a. de C. empieza a aplicarse como elemento de transporte (en forma
de rueda maciza de piedra que formaba cuerpo con ejes de madera y se sujetaba a
la carreta por medio de tiras de cuero) formando parte de carros de tracción animal.
• Hacia el 2900 a. de C. Ya se aplicaba para la molienda de trigo (molino de ruedas).
• Hacia el 1500 a. de C. empezó a emplearse como elemento motor accionado por la
fuerza muscular del hombre (rueda de varios metros de diámetro por la que se
mueven varios hombres haciéndola girar).
• Es posible que hacia el 1500 a. de C. ya se empleaba la polea (en forma de polea
simple) en Mesopotamia y Egipto.
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• Hacia el 260 a. de C. ya se empleaban las ruedas hidráulicas, como elemento que
aprovecha el movimiento lineal de la guía de los ríos para producir un movimiento
que sirve como fuerza motriz.
• Hacia el 250 a. de C. ya se usaban las ruedas dentadas (engranajes) para la
trasmisión de movimientos rotativos entre ejes separados (reloj hidráulico).
• Hacia el 900 empiezan las ruedas eólicas (aprovechan la fuerza del viento para
producir un movimiento giratorio) para el accionamiento de molinos de piedra en
Pekín y Persia
• •
¿Qué es la rueda?
La rueda es un disco con un orificio central por el que penetra un eje que guía el
movimiento y le sirve de sustento.
La parte operativa de la rueda es la periferia del disco, que se recubre con materiales o
terminaciones de diversos tipos con el fin de adaptarla a la utilidad correspondiente.
Algunas de las ruedas más empleadas son:
• Rueda dentada, empleada principalmente para
la transmisión del movimiento giratorio entre
ejes.
• Rueda de transporte, empleada para reducir el
rozamiento con el suelo. Muy empleadas con las
de cámara de aire.
• Polea, muy empleada tanto para la transmisión
de movimientos como para la reducción del
esfuerzo al elevar o mover pesos.
• Turbinas (rueda de palas), empleadas para la
obtención de un movimiento giratorio a partir del
movimiento de un fluido (agua, aire, aceite...)
DOCUMENTO DE TRABAJO
Recuerda que:
De la rueda se derivan multitud de máquinas de las que cabe destacar: polea simple, rodillo, tren de rodadura, polea móvil, polipasto, rodamiento, engranajes, sistema correa-polea...etc.
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Desde el punto de vista tecnológico, la rueda es
un operador dependiente, nunca puede usarse
sola y siempre debe ir acompañada de un eje
(que guía y sirve de sustento) y de un soporte o
armadura (que es el operador que controla la
posición del eje y sirve de sostén a todo el
conjunto).
Las ruedas se emplean en multitud de aplicaciones, algunas muy usuales son:
• Facilitar el desplazamiento de objetos;
reduciendo el rozamiento entre
superficies (tren de rodadura, rodillo,
rodamiento); como en carretillas, coches,
bicicletas, patinetes, pasillos
rodantes...etc.
• Obtener un movimiento rotativo; en un
eje a partir del movimiento del agua
(rueda de palas, noria, turbina o rodete);
como en contadores de agua, molinos de
agua, norias de regadío, centrales
hidroeléctricas, turbinas...etc.
Utilidad de las ruedas
Elementos de la rueda
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• Transmitir un movimiento giratorio entre ejes
(polea, piñón, ruedas de fricción...); como en
lavadoras, neveras, bicicletas, motos, motores de
automóvil, taladros, tocadiscos, etc.
• Reducir el esfuerzo; Para elevar una masa
(polea de cable, polea móvil, polipasto...); como
en pozos de agua, grúas, ascensores...etc.
• Transformar en giratorio otros movimientos o
viceversa (excéntrica, leva, torno); como en
piedras de afilar, máquinas de coser, ruedas de
timón, programadores de lavadora,
cabrestantes...etc.
Es simplemente un cilindro (o un tubo) mucho más largo
de grueso.
En la actualidad también se le da el nombre de rodillo a
ruedas cuya longitud es muy grande respecto a su
diámetro y que manteniéndose fijas en el espacio
(gracias a que también disponen de un eje de giro)
permiten el desplazamiento de objetos sobre ellas.
Rodillos
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Permite suprimir (más bien minimizar) la fricción
que existe entre un objeto y la superficie sobre la
que se mueve, al convertir el desplazamiento por
deslizamiento en desplazamiento por rodadura.
Aunque hay muchos tipos de rodillos y con muchas
aplicaciones (máquinas de escribir, proyectores de
cine...etc.), se puede decir que las principales
utilidades del rodillo se centran en:
Utilidad de los rodillos
La principal diferencia entre el
rodillo y la rueda es que esta se
desplaza con el objeto que se
mueve (va unida a él gracias al
eje y el soporte), mientras que
el rodillo no permanece fijo en el
espacio o se traslada a
diferente velocidad que el
objeto.
• Cojinetes.
Sustituyendo a las bolas en caso de que la fuerza
ejercida entre las pistas exterior e interior fuese muy
elevada. Estos mecanismos son de gran utilidad
para reducir la fricción que aparece entre la rueda y
el eje , pues convierte un giro con deslizamiento en
uno con rodadura. Prácticamente todos los
mecanismos dotados de movimiento giratorio
incluyen un cojinete.
• Movimiento de cargas.
Aunque tiene la ventaja de facilitar el movimiento
de grandes cargas al introducir un elemento que
produce rodadura entre la carga y el suelo; tiene el
inconveniente de que, a medida que la carga se
desplaza, los rodillos se van quedando atrás, por lo
que se hace necesario introducirlos de nuevo por
el frente
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• Pasillo rodante.
Es una superficie formado por rodillos sobre los
que se desliza la carga sin presencia de fricción.
Es empleado en grandes almacenes, centros de
distribución de cargas, cajas de los centros
comerciales, cintas transportadoras, etc.
• Conformado de materiales (laminación). Empleado tanto en repostería (rodillo de amasar)
como en las grandes acerías (tren de laminación),
permitiendo reducir el espesor de un material,
dándole la forma adecuada con una combinación
de presión y giro.
¿Sabias que?
Una noria es una máquina hidráulica que
sirve para extraer agua de pozos, en los
que el movimiento se consigue
generalmente utilizando tracción animal.
Un cabrestante (o cabestrante) es un
dispositivo mecánico, impulsado manualmente
o por un motor eléctrico, destinado a levantar y
desplazar grandes cargas. Consiste en un
rodillo giratorio, alrededor del cual se enrolla
un cable provocando el movimiento en la
carga sujeta al otro lado del mismo.
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La única nota histórica sobre su uso se debe a Plutarco quien
en su obra Vidas paralelas (c. 100 adC) relata que
Arquímedes, en carta al rey Hierón de Siracusa, a quien lo
unía gran amistad, afirmó que con una fuerza dada podía
mover cualquier peso e incluso se jactó de que si existiera
otra Tierra yendo a ella podría mover ésta.
Imagina que quieres levantar algo muy pesado y no tienes suficiente fuerza en tus músculos para hacerlo...¿cómo lo solucionarías?.
Historia de la polea
POLEAS
Según relata Plutarco tras cargar el barco con muchos pasajeros y con las bodegas
repletas, Arquímedes se sentó a cierta distancia y jalando la cuerda alzó sin gran
esfuerzo el barco sacándolo del agua tan derecho y estable como si aún permaneciera en
el mar.
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¿Qué son la poleas?
También llamada garruchas, carrucha, trocla, trócola o
carrillo son ruedas generalmente maciza y acanalada en su
borde, que, con el concurso de una cuerda o cable que se
hace pasar por el canal, se usa como elemento de
transmisión en máquinas y mecanismos para cambiar la
dirección del movimiento multiplicar las fuerzas.
El eje se encuentra se encuentra sostenido con una
horqueta llamada armadura, mediante la cual se suspende
la polea de un soporte fijo ; la máquina simple así constituida
se denomina polea fija.
Esa misma polea fija se puede utilizar como polea móvil si de la armadura se cuelga un
peso y entonces es el cordón el que se fija en el soporte.
«La polea es el punto de apoyo de una cuerda que moviéndose se arrolla sobre ella sin dar una vuelta completa» actuando en uno de sus extremos la
resistencia y en otro la potencia
Partes de la polea
En toda polea se distinguen tres partes:
• Cuerpo,
• Cubo y
• Garganta.
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• El cuerpo Es el elemento que une el cubo con la
garganta. En algunos tipos de poleas está
formado por radios o aspas para reducir peso y
facilitar la ventilación de las máquinas en las
que se instalan.
• El cubo Es la parte central que comprende el agujero,
permite aumentar el grosor de la polea para
aumentar su estabilidad sobre el eje. Suele
incluir un chavetero que facilita la unión de la
polea con el eje o árbol (para que ambos giren
solidarios).
La garganta (o canal ) Es la parte que entra en contacto con la cuerda
o la correa y está especialmente diseñada para
conseguir el mayor agarre posible. La parte
más profunda recibe el nombre de llanta.
Puede adoptar distintas formas (plana,
semicircular, triangular...) pero la más
empleada hoy día es la trapezoidal.
Las poleas empleadas para tracción y elevación de cargas tienen el perímetro acanalado en forma de semicírculo (para alojar cuerdas), mientras que las empleadas para la transmisión de movimientos entre ejes suelen tenerlo trapezoidal o plano (en automoción también se emplean correas estriadas y dentadas)
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Clasificación de las poleas
Según su desplazamiento las poleas se clasifican en:
Poleas simples
• Poleas simples fijas: se caracteriza porque su eje se
mantiene en una posición fija en el espacio evitando su
desplazamiento, solamente giran alrededor de su propio
eje, cuyas armas se suspenden de un punto fijo. Se
encuentra en mecanismos para el accionamiento de
puertas automáticas, sistemas de elevación de cristales
de automóviles, ascensores, tendales, sacar agua de
los pozos, poleas de elevación de cargas, etc.
Este sistema no aumenta la fuerza aplicada.
Las poleas simples se usan en máquinas en las que se debe cambiar la
dirección del movimiento, como por ejemplo un ascensor.
P = Q
siendo Q la fuerza peso del cuerpo (carga) , y P la fuerza aplicada (potencia)
• Poleas simples Móviles: Consta de una polea móvil conectada a una fija mediante
una cuerda. La potencia es la fuerza que se aplica en el extremo libre de la cuerda y
la resistencia es el peso que se trata de elevar.
Este sistema si amplifica la fuerza aplicada P.
P = Q/2
siendo Q la fuerza peso del cuerpo, y P la fuerza aplicada
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SISTEMA EXPLICACIÓN EJEMPLO
POLEA MÓVIL
Con este sistema reducimos el
esfuerzo necesario para levantar
el peso a la mitad. Cuantas más
poleas móviles menos esfuerzo
se realiza.
n= nº poleas móviles
Poleas Compuestas:
Las poleas compuestas son aquellas donde se usan más de
dos poleas en el sistema, y puede ser una fija y una móvil, o
dos fijas y una móvil etc.,
Tirar una cuerda de arriba hacia abajo resulta más fácil que
hacerlo desde bajo hacia arriba. Para cambiar la dirección
del esfuerzo, a la polea móvil se agrega una polea fija
proporcionando una ventaja mecánica.
La ventaja mecánica es la disminución del esfuerzo.
SISTEMA EXPLICACIÓN EJEMPLO
POLIPASTO
Consta de varios dispositivos de poleas móviles accionadas por una sola cuerda, es decir, un dispositivo en el que la mitad de las poleas y la mitad móviles.
n= nº poleas móviles
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MULTIPLICANDO LA FUERZA Un sistema de poleas móviles, el polipasto, permite obtener lo que se denomina una ventaja o ganancia mecánica. Este concepto se define matemáticamente como el cociente entre la fuerza de salida (el peso del objeto, la resistencia) y la de entrada (la necesaria para levantar el cuerpo, el esfuerzo). En un caso ideal el resultado es igual al número de segmentos de cuerda que sostienen la carga que se quiere mover (los que llegan a las poleas móviles), excluyendo en el que se aplica la fuerza de entrada, que no ofrece ninguna ventaja salvo cambiar la dirección del esfuerzo. El rozamiento reduce la ganancia mecánica real y suele limitar el número total de poleas a cuatro. Según el trabajo que se vaya a realizar y la ventaja mecánica deseada pueden emplearse muchas combinaciones diferentes de poleas.
Utilidad de la polea
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En el primer caso tenemos una polea de cable que
puede emplearse bajo la forma de polea fija, polea móvil o polipasto. Su utilidad se centra en la elevación
de cargas (pastecas, grúas, ascensores...), cierre de
cortinas, movimiento de puertas automáticas, etc.
En el segundo caso tenemos una polea de correa
que es de mucha utilidad para acoplar motores
eléctricos a otras máquinas (compresores,
taladros, ventiladores, generadores eléctricos,
sierras...) permitiendo aumentar, disminuir o
mantener la velocidad de giro, mientras mantiene
Básicamente la polea se utiliza para dos fines:
• Cambiar la dirección de una fuerza mediante cuerdas o
• Transmitir un movimiento giratorio de un
eje a otro mediante correas.
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o invierte el sentido. Con este tipo de poleas se
construyen mecanismos como el multiplicador de
velocidad, la caja de velocidad y el tren de poleas.
Su utilidad se centra en la transmisión de movimiento giratorio entre dos ejes distantes;
La podemos encontrar en lavadoras,
ventiladores, lavaplatos, pulidoras, videos,
multicultores, cortadores de carne, taladros,
generadores de electricidad, cortadoras de
césped, transmisiones de motores,
compresores, tornos... en forma de
multiplicador de velocidad, caja de velocidades
o tren de poleas.
La polea se emplea principalmente para transmitir movimientos o para elevar cargas. La forma que adoptan las acanaladuras de las ruedas cambia en función del tipo de objeto que vaya a pasar por ellas. Por este motivo, pueden ser de sección semicircular, para el paso de los cables o las cuerdas; trapezoidal, en el caso de correas con esta forma; y alveolada, para el paso de cadenas. Como ejemplo, en el precursor del ascensor, las cuerdas de elevación pasaban a través de una polea.
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Reducción e incremento de velocidad
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ENGRANAJES
Historia de los engranajes
Uno de los principales problemas de la Ingeniería
Mecánica es la transmisión de movimiento, entre un
conjunto motor y máquinas conducidas.
Desde épocas muy remotas se han utilizado cuerdas y
elementos fabricados de madera para solucionar los
problemas de transporte, impulsión, elevación y
movimiento.
La forma más básica de un engrane es una pareja de ruedas, una de ellas provistas de
barras cilíndricas y la otra formada por dos ruedas unidas por barras cilíndricas.
Leonardo da Vinci se dedico mucho a la creación de máquinas de guerra para la defensa
y el ataque, sus materiales son madera, hierro y cuerdas las que se elaboran en forma
rudimentaria, pero sus esquemas e invenciones trascienden el tiempo y nos enseñan las
múltiples alternativas que nos brindan mecanismos básicos de palancas, engranes y
poleas unidas entre si en una máquina cuyo diseño geométrico es notable.
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¿Qué son los engranajes?
Los engranajes son sistemas mecánicos que
transmiten el movimiento de rotación desde un eje
hasta otro mediante el contacto sucesivo de
pequeñas levas denominadas dientes. Los dientes
de una rueda dentada pueden ser cilíndricos o
helicoidales.
Los engranajes son ruedas provistas de dientes que posibilitan que dos de ellas se
conecten entre sí.
Existen muchos tipos distintos de engranajes. Los más simples son ruedas con dientes o
ruedas dentadas.
Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas,
de las cuales a la mayor se le denomina corona y la menor
piñón.
Los engranajes cilíndricos rectos poseen dientes paralelos
al eje de rotación de la rueda y pueden transmitir potencia
solamente entre ejes paralelos
La principal ventaja que tienen las transmisiones por engranaje respecto de la
transmisión por poleas es que no patinan como las poleas, con lo que se obtiene
exactitud en la relación de transmisión.
RECUERDA:
Un engranaje sirve para transmitir movimiento circular mediante contacto de ruedas dentadas.
La rueda dentada (engranaje, piñón) es,
básicamente, una rueda con el perímetro
totalmente cubierto de dientes. El tipo más
común de rueda dentada lleva los dientes
rectos (longitudinales) aunque también las hay
con los dientes curvos, oblicuos.
Casos particulares de las ruedas dentadas son el tornillo sinfín y la cremallera.
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Clasificación.
Los engranajes se clasifican en tres grupos :
• Engranajes Cilíndricos : Existen de dientes
rectos que transmiten movimiento entre ejes
paralelo y de dientes helicoidales que transmiten
movimientos entre ejes paralelos, entre ejes que
se cruzan y entre ejes perpendiculares.
• Engranajes Cónicos Los engranajes cónicos
sirven para transmitir el movimiento entre dos
ejes que generalmente se encuentran.
Las intersecciones de los ejes es comúnmente a
90ª y se llaman engranajes cónicos de ángulos
rectos, en algunos casos el ángulo es mayor o
menor de 90ª y se llaman entonces engranajes
cónicos con ángulo obtuso o agudo según los
casos.
• Tornillo Sin Fin Y Corona: Transmiten el
movimiento entre ejes perpendiculares situados
en distintos planos se emplean donde se requiere
una acción silenciosa y gran reducción de
velocidad también se usa para aumentar la
potencia y para los sistemas irreversibles, es
decir, que siempre es el sinfín el que manda la
rueda.
Generalmente este mecanismo se hace trabajar
en cajas cerradas llenas de aceite o grasas. .Se
aplica para abrir puertas automáticas de casas y
edificios.
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• Cremalleras: Se llama cremallera, a dos elementos que
engranan de los cuales uno es en forma de
engranaje recto y el otro de una barra dentada. Asimismo transmiten el movimiento rectilíneo
de un eje a un plano. Se emplean donde se
tienen que mover mecánicamente un
elemento en sentido rectilíneo alternado.
El campo de aplicación de los engranajes es
prácticamente ilimitado, 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, máquinas herramientas (taladros, tornos,
fresadoras...), relojería, como reductor de velocidad, pues
permite acoplar ejes paralelos o que se crucen con
cualquier ángulo etc.
Aplicaciones de los engranajes
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
industria 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. Incluso algunos
engranes coloridos y hechos de plástico son usados en
algunos juguetes educativos.
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Una de las aplicaciones más importantes de los engranajes es la transmisión del movimiento desde el eje de una fuente de energía, como puede ser un motor de combustión interna o un motor eléctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un trabajo De manera que una de las ruedas está conectada por la fuente de energía y es conocido como engranaje motor y la otra está conectada al eje que debe recibir el movimiento del eje motor y que se denomina engranaje conducido (o de salida). Si el sistema está compuesto de más de un par de ruedas dentadas, se denomina tren de engranajes
Ley fundamental del engranaje
El uso de poleas de transmisión tiene el inconveniente de que la correa puede resbalar;
para evitar este problema se utilizan mecanismos, como los engranajes o las ruedas de
dientes unidas por cadenas.
Cuando los ejes están cercanos se usan los engranajes, cuyos dientes encajan entre sí.
Con ellos podemos transmitir el movimiento entre ejes con distintas posiciones.
1.- Engranaje de ruedas con dientes rectos o engranaje plano
Para ejes alejados se usan ruedas dentadas y cadenas cuyos eslabones encajan entre los dientes de las ruedas
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2.- Engranaje de cremallera y piñón, convierte un movimiento rotativo en movimiento lineal.
3.- Tornillo sin fin o sin fin corona.
En este engranaje siempre es el tornillo el que mueve la rueda dentada y nunca al contrario.
4.- Engranaje de ruedas cónicas
El sistema de piñón y cremallera, es un par de
engranajes especiales. La cremallera se ve como
si el engranaje solidario externo, hubiese sido
estirado y puesto en un plano. El piñón es el
pequeño engranaje solidario que conecta con la
cremallera.
Piñón
Cremallera
Piñones y cremalleras.
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Cuando el piñón rota, la cremallera avanza o
retrocede o si la cremallera avanza o retrocede,
eso hará rotar al piñón. Así el sistema de
cremallera y piñón transforman movimientos
giratorios en alternativos (o viceversa),
empleando mecanismos que combinan la rueda
dentada con la cremallera (sistema cremallera-
piñón) Este montaje se emplea en cerraduras,
juegos infantiles, microscopios, taladros
sensitivos, sacacorchos, etc.
Las cremalleras tiene aplicación en apertura y cierre de puertas automáticas de
corredera, desplazamiento de órganos de algunas máquinas herramientas
(taladros, tornos, fresadoras...), cerraduras, microscopios, gatos de coche, etc.
.
Podemos verlo en bicicletas, motocicletas, puertas de apertura automática
(ascensores, supermercados, aeropuertos...), mecanismos internos de motores; pero
solamente permite acoplar ejes paralelos entre si.
El sistema cadena piñón
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Ya sabemos que los engranajes pueden ser
usados para cambiar la velocidad de los ejes en
rotación. También pueden ser usados para cambiar
la fuerza o torque del eje rotante. La razón de
engranajes es el número de dientes del engranaje
de la salida al número de dientes del eje de
entrada. Acá hay un engranaje de salida de 40
dientes, conectado con un engranaje de entrada de
8 dientes. La relación es, entonces, de 5 a 1.
Engranajes y fuerza.
Rv = Nro. de dientes de engranaje salida Nro. de dientes de engranaje motor Ejm: 40/8 = 5 entonces Rv: 5:1
Recordemos que esto significa que el engranaje de salida gira 5 veces más lento que el
engranaje de entrada. Sin embargo, el torque de el eje de salida se ha incrementado en 5
veces.
¿Por qué ocurre esto?
La razón es el diámetro de los engranajes. Ambos engranajes ejercen la misma fuerza en
direcciones opuestas en el punto en el cual los engranajes están en contacto.
Dado que f40 = -f8,
podemos sustituir las ecuaciones para el torque de cada eje; el torque depende del radio
del engranaje. Esto nos dá T40 / r40 = -T8 / r8. Re escribiendo la ecuación T40 = -T8 x (r40 / r8). La razón de r40 a r8 es 5 to 1, de manera que el torque sobre el eje del engranaje de
40 dientes es 5 veces más grande que el torque en el eje del engranaje de 8 dientes.
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Una propiedad de los engranajes es que
cambian la velocidad de rotación de los ejes
que sostienen los engranajes. La figura de la
derecha, tenemos un engranaje de 40
dientes en el eje de salida, conectado a uno
de 8 dientes en el eje de entrada.
Eje de Entrada
Eje de Salida
Engranaje fuerza
Este par de engranajes están en razón 40 a 8
ó, 5 a 1. Es decir, por cada 5 vueltas del eje de
entrada, se completa una del eje de salida.
Luego la velocidad de salida baja en un factor
5. Si los engranajes se invierten, la razón será
de 1 a 5, con lo cual el eje de salida rotará 5
veces más rápido que el de entrada.
¿Por qué ocurre esto? La respuesta es debido
a los distintos diámetros de los engranajes y a
la relación entre velocidad de rotación y la
velocidad lineal. Ambos engranajes se mueven
a la misma velocidad lineal en el punto en el
cual los dientes están interconectados, pero se
mueven en direcciones opuestas.
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Un tornillo es básicamente, un cilindro que lleva
tallado en superficie lateral un canal continuo en
forma de hélice, denominado rosca. Cuando la
ranura se talla en la superficie interior de un
agujero, también cilíndrico, se obtiene una tuerca.
La hélice que se arrolla sobre el cilindro recibe el
nombre de hilo o filete de rosca. La distancia entre
dos crestas consecutivas del hilo se denomina
paso.
El tornillo tiene un solo diente con forma helicoidal, de manera que cada vez que el tornillo da una vuelta completa tan solo se desplaza un diente de la rueda. Por lo tanto, para que la rueda dé una vuelta completa, el tornillo tendrá que girar tantas veces como dientes tiene la rueda.
El tornillo.
TORNILLOS SIN FIN
Los mecanismos de tornillo y tuerca tienen múltiples aplicaciones:
• Permiten unir dos o más piezas de manera que posteriormente, se puedan separar.
• Sirven para multiplicar el esfuerzo, por lo que se emplean para elevar (gatos), sujetar (mordazas, presas) y cerrar (tapas).
• El tornillo, en combinación con la tuerca, es un mecanismo que transforma el
movimiento rotatorio en movimiento lineal.
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El tornillo sin fin.
Desde el punto de vista conceptual la rueda
sinfín es considerado una rueda dentada de
un solo diente que ha sido tallado
helicoidalmente (en forma de hélice). Este
operador ha sido diseñado para la transmisión
de movimientos giratorios, por lo que siempre
trabaja unido a otro engranaje.
Este mecanismo consta de una rueda dentada helicoidal, denominada corona, y un
tornillo, solidario a un eje, que engrana con la rueda. Se emplea para transmitir
movimiento entre dos ejes perpendiculares. También suele utilizarse como reductor de
velocidad.
Por ejemplo, si la rueda tiene cincuenta dientes, el tornillo tendrá que girar cincuenta
veces o, dicho de otro modo, el tornillo sin fin tiene que girar cincuenta veces más
rápido que la rueda helicoidal.
El mecanismo es irreversible, es decir, el tornillo puede hacer girar la rueda, pero la
rueda no puede mover el tornillo. Por lo tanto, el elemento conductor es siempre el
tornillo.
Tipos de tornillo sin fin
El tornillo sin fin generalmente desempeña el papel de la rueda conducida. Se
distinguen tres tipos:
• Tornillo sin fin y corona cilíndricos:
La rueda conducida es igual a la de los engranajes cilíndricos usuales, el contacto
es puntual y por lo tanto el desgaste de ambos es rápido. Se utiliza en la transmisión
de pequeños esfuerzos y a velocidades reducidas.
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• Tornillo sin fin y corona de dientes cóncavos: El tornillo mantiene su forma cilíndrica, con sus filetes helicoidales. La rueda está
tallada de forma que sus dientes están curvados, con el centro de curvatura situado
sobre el eje del tornillo sin fin. El contacto entre los dientes es lineal, lo que hace que
se transmita mejor el esfuerzo y por tanto se produce menos desgaste. Se utiliza en
mecanismos de reducción.
• Tornillo sin fin y corona globoidal: El tornillo se adapta a la forma de la rueda, es poco
frecuente, debido a su alto coste de fabricación. Se
utiliza en las cajas de dirección de los automóviles.
El sinfín, acompañado de un piñón
(mecanismo sinfín) transmite un
movimiento giratorio entre ejes
perpendiculares que se cruzan,
obteniendo una gran reducción de
velocidad. Podemos encontrarlo en
limpiaparabrisas, clavijas de guitarra,
reductores de velocidad para motores,
manivelas para andamios colgantes...
Reductores de velocidad
El problema básico de las máquinas es reducir la alta velocidad de
los motores a una velocidad utilizable por los equipos de las
máquinas. Además de reducir se deben contemplar las posiciones
de los ejes de entrada y salida y la potencia mecánica a transmitir.
Para potencias bajas se utilizan moto-reductores que son equipos
formados por un motor eléctrico y un conjunto reductor integrado.
Utilidad de la rueda sin fin
Para potencias mayores se utilizan equipos reductores separados del motor. Los
reductores consisten en pares de engranajes con gran diferencia de diámetros, de esta
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forma el engrane de menor diámetro debe dar muchas vueltas para que el de diámetro
mayor de una vuelta, de esta forma se reduce la velocidad de giro. Para obtener grandes
reducciones se repite este proceso colocando varios pares de engranes conectados uno a
continuación del otro.
El reductor básico está formado por mecanismo de tornillo sinfín y corona. En este tipo de
mecanismo el efecto del rozamiento en los flancos del diente hace que estos engranajes
tengan los rendimientos más bajos de todas las transmisiones; dicho rendimiento se sitúa
entre un 40 y un 90% aproximadamente, dependiendo de las características del reductor
y del trabajo al que está sometido.
Las clavijas de una guitarra
Las clavijas de una guitarra están formadas por
mecanismos que incluyen tornillos sin fin. De esta
manera, como la relación de transmisión es muy
elevada, una vuelta a la clavija motriz que permite girar
al tornillo hace que la rueda acoplada al eje sobre el
que se enrolla la cuerda gire muy poco, con lo que se
consigue una gran precisión a la hora de afinar el
instrumento
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CREMALLERAS
¿Qué son las cremalleras?
En mecánica, una cremallera es un
prisma rectangular con una de sus
caras laterales tallada con dientes.
Estos pueden ser rectos o curvados
y estar dispuestos en posición
transversal u oblicua.
Desde el punto de vista tecnológico podemos considerarla como un caso particular de la
rueda dentada, pues puede suponerse que es un engranaje de radio infinito.
El mecanismo piñón-cremallera permite transformar un
movimiento circular en un movimiento lineal (cremallera)
utilizando una rueda llamada piñón y una pieza rectilínea
llamada cremallera o viceversa. Este mecanismo como su
mismo nombre indica está formado por dos elementos
que son:
Mecanismo piñón cremallera
• Piñón y
• Cremallera.
El piñón es una rueda dentada normalmente con forma cilíndrica que describe un
movimiento de rotación alrededor de su eje.
La cremallera es una pieza dentada que describe un movimiento rectilíneo en uno u otro
sentido según la rotación del piñón.
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¿Sabias que? El mecanismo piñón-cremallera funciona como un engranaje simple, esto significa que
tanto la cremallera como el piñón han de tener el mismo paso circular y, en consecuencia,
el mismo módulo.
El mecanismo de cremallera aplicado a los engranajes lo
constituyen una barra con dientes la cual es considerada
como un engranaje de diámetro infinito y un engranaje de
diente recto de menor diámetro, y sirve para transformar un
movimiento de rotación del piñón en un movimiento lineal de
la cremallera.
Aplicaciones de la cremallera
En este caso, cuanto mayor sea el ángulo girado por la rueda,
mayor será el recorrido efectuado por la cremallera (d). Si la
rueda da una vuelta completa, entonces la cremallera efectuará
un recorrido igual a la circunferencia de la rueda:
D = 2πR
La velocidad de la
cremallera dependerá del
radio del piñón y de su
velocidad de giro. Cuanto
mayor sea el piñón y más
deprisa gire, más rápido
se desplazará la
cremallera.
Puesto que la rueda en principio puede girar
indefinidamente, debe haber algún sistema que evite
que la cremallera «se salga»; es decir, tras cierto
recorrido, la cremallera llegará a un tope que evitará que
la rueda siga girando.
Tiene gran aplicación en apertura y cierre de puertas
automáticas de corredera, desplazamiento de órganos
de algunas máquinas herramientas (taladros, tornos,
fresadoras...), cerraduras, microscopios, gatos de coche
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El mecanismo piñón-cremallera tiene distintas aplicaciones como las que se presenta a
continuación.
• La primera aplicación que podemos dar al
mecanismo piñón-cremallera es en la
dirección de un automóvil.
• Otra aplicación también de este mecanismo
es en la taladradora de columna
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• En la cerradura de una puerta
En este mecanismo se transforma el
movimiento circular que se produce al girar
la llave en el movimiento lineal alternativo
del cerrojo al correrse el mismo.
La dirección de los automóviles La dirección de un automóvil incorpora un
mecanismo piñón-cremallera para mover las
ruedas. Cuando el volante gira, el movimiento
se transmite a un piñón conectado a las ruedas
motrices por medio de una cremallera.
En un coche de Fórmula 1, por ejemplo, la
relación de transmisión es muy alta, de manera
que un pequeño giro del volante hace que las
ruedas delanteras giren muy deprisa.
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FAJAS Y CADENAS DE TRANSMISIÓN
Se llama transmisión al conjunto de bandas cadenas o engranes que sirven para comunicar fuerza y movimiento desde un motor hasta su punto de aplicación.Recibe el nombre de tren de engranes el conjunto de éstos que se encuentran endentados entre sí, ya sea directamente o por medio de cadenas.
¿Qué son las cadenas de transmisión?
Son mecanismos que transmiten
el movimiento o fuerza de una
rueda a otra o de un mecanismo
a otro. Han
Se usan para transmitir el movimiento de los pedales a la rueda en las bicicletas o dentro
de un motor para transmitir movimiento de un mecanismo a otro. Por ejemplo del cigüeñal
al árbol de levas.
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En los motores se usan cadenas para el árbol de levas porque necesita cierta fuerza. Las
correas se usan para otros mecanismos de menos potencia como bomba de agua o el
alternador
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Cada vez se tiende más a sustituir la cadena del árbol de levas
por una correa ya que hace menos ruidoso el motor. A cambio,
hay que sustituir la correa con más frecuencia que una cadena.
Las dos ruedas dentadas se comunican mediante una cadena o una correa dentada tensa. Cuando se usa una cadena el mecanismo es bastante robusto,
Las formas más habituales de transmisión son:
• Con correa dentada.
• Con cadena.
• Con balancines.
• Con cascada de engranajes.
• Con cardan.
La siguiente ilustración nos muestra un ejemplo y
como podemos observar, el engrane "M" (motor)
hace girar a los engranes "m" (movidos)
notándose que en cada paso se invierte el
sentido de giro.
En el caso de la transmisión por cadena, el
movimiento y la fuerza se transmiten a cierta
distancia de los engranes y se conserva el
sentido de giro
Además del cambio del sentido de giro existen otros conceptos que es necesario conocer
para la comprensión total del trabajo de una transmisión.
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Uno de ellos es la relación de transmisión: La relación de transmisión es la proporción entre el
número de dientes de un engrane en comparación con
su pareja de trabajo. En la ilustración tenemos una
relación de 2 : 1 en donde el engrane motor dará dos
vueltas para que el engrane movido gire sólo una.
Componentes de la cadena
La cadena de rodillos no es muy difícil de entender, está compuesta por cinco elementos:
rodillos, bujes, pernos y placas interiores y exteriores y son fabricadas con pernos
remachados o enchavetados, en simples y múltiples hileras, según normas europeas
(Estas cadenas se fabrican con simples, dobles, triples y cuadruples torones (o cordones).
¿Qué son las fajas de transmisión?
Sirven para transportar material a diferentes partes de la
sección en forma cómoda, limpia, económica y rápida.
Las fajas son reforzadas y revestidas con caucho, para
aguantar tensiones y resistir al fuerte desgaste superficial
debido al rozamiento con los diferentes polines y por el
mismo paso de los materiales.
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• Las fajas propiamente dicha y sus respectivas
grampas.
• Las poleas, que tienen la misión de sostener a
la faja en sus extremos, tenemos 2 tipos:
* Polea motriz o de cabeza, que lleva acoplado
el motor que la mueve
* Polea zaguera o tensora, es similar a la
cabeza, no lleva motor, generalmente es la
parte que recibe al material.
Componentes de las fajas transportadoras.
• Los polines: sostiene las fajas entre las poleas como: polines de carga, polines
de retorno y poliones de guía.
Pendientes de las inclinadas Se mantiene por debajo de ciertos valores críticos, para que así el material se
transporte sin resbalar. Los ángulos de inclinación en nuestro caso oscila entre 15° a
20°
Velocidad de las fajas Funcionan normalmente a velocidades constantes. El procedimiento usual de
movimiento consiste en un dispositivo de mando eléctrico, su marcha comienza cuando
el operador pulsa un botón respectivo.
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La leva es un disco con un perfil externo parcialmente
circular sobre el que apoya un operador móvil (seguidor de leva ) destinado a seguir las variaciones del perfil de la leva cuando esta gira. Una leva es una pieza que gira
solidariamente con un eje, con el que está unido
directamente o por medio de una rueda.
Conceptualmente deriva de la rueda y del plano inclinado.
LO QUE SIGNIFICA:
Una leva es un elemento que impulsa, por contacto directo, a otro
elemento denominado seguidor de forma que éste último realice un
movimiento alternativo concreto.
¿Qué es una leva?
SISTEMA DE LEVAS
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Es general las levas se montan sobre ejes rotativos, aunque también se usan
estacionariamente con un seguidor moviéndose alrededor de estas. Las levas también
producen movimiento oscilatorio o pueden convertir movimientos de forma a otra.
Estos mecanismos se emplean en la maquinas, por su facilidad de diseño para producir
cualquier movimiento deseado, por lo que se usan para maquinaria de impresión,
maquinaria para fabricar zapatos, tornos automáticos, siendo difícil encintrar maquinas
denominadas “automáticas” sin un sistema de levas.
Clasificación de las levas
También se puede realizar una clasificación de las levas en cuanto a su naturaleza:
• Revolución,
• Translación,
• Desmodrómicas (éstas son aquellas que realizan una acción de doble efecto), etc
Descripción de las levas
La leva va solidaria con un eje (árbol) que transmite el movimiento giratorio que
necesita; en muchas aplicaciones se recurre a montar varias levas sobre un mismo eje
o árbol (árbol de levas), lo que permite la sincronización del movimiento de varios
seguidores a la vez.
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Para su correcto funcionamiento, este mecanismo necesita, al menos: árbol, soporte, leva
y seguidor de leva (palpador) acompañado de un sistema de recuperación (muelle,
resorte)
• El árbol es el eje de giro de la leva y el
encargado de transmitirle su movimiento
giratorio.
• El soporte es el encargado de mantener
unido todo el conjunto y, normalmente,
guíar el movimiento del seguidor
La leva es siempre la que recibe el
movimiento giratorio a través del eje o del
árbol en el que está montada. Su perfil hace
que el seguidor ejecute un ciclo de
movimientos muy preciso.
• El seguidor (palpador) apoya directamente sobre el perfil de la leva y se mueve a
medida que ella gira. Para conseguir que el seguidor esté permanentemente en
contacto con la leva es necesario dotarlo de un sistema de recuperación
(normalmente un muelle o un resorte)
Características. En los mecanismos de levas, el diseño del perfil de leva siempre estará en función del
movimiento que queramos que realice el seguidor de leva. Dicho de otro modo: la leva
es el resultado del movimiento que deseemos obtener en el seguidor.
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Seguidor de leva:
Según el tipo de movimiento que queramos obtener a la salida, se puede recurrir a dos tipos de seguidores:
Embolo Palanca
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ÉMBOLO (para obtener movimientos de vaivén) Si queremos que el movimiento de
salida sea lineal alternativo. Que en todo momento han de permanecer en contacto con
el contorno de la leva. Para conseguirlo se recurre al empleo de resortes, muelles o
gomas de recuperación adecuadamente dispuestos
En el ejemplo vemos el sistema simplificado de distribución del motor de un coche. La
válvula actúa como émbolo y se combina con un empujador que es el que está en
contacto directo con la leva gracias a al acción del muelle
.
El émbolo también se emplea en multitud de mecanismos que trabajan con fluidos a
presión. Ejemplos simples pueden ser: las bombas manuales para hinchar balones o
las jeringuillas.
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PALANCA Si queremos que el movimiento de salida
sea oscilante.En este caso emplearemos la
palanca de primer o tercer grado para
amplificar el movimiento y la de primero o
segundo para atenuarlo.
El mecanismo suele complementarse con
un muelle de recuperación que permite
que el palpador (seguidor de leva) se
mantenga en contacto con el perfil de la
biela en todo momento.
Perfiles de leva La forma del contorno de la leva (perfil de leva)
siempre está supeditada al movimiento que se
necesite en el seguidor, pudiendo aquel adoptar
curvas realmente complejas.
Utilidad de la leva
La leva es un mecanismo que nos permite
transformar un movimiento giratorio en uno
alternativo lineal (sistema leva-émbolo) o circular
(sistema leva-palanca), Este mecanismo se emplea
en la automatización de máquinas: motores de
automóviles (para la apertura y cierre de las
válvulas), programadores de lavadoras (para la
apertura y cierre de los circuitos que gobiernan su
funcionamiento), carretes de pesca (mecanismo de
avance-retroceso del carrete), cortapelos,
depiladoras, cerraduras.
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Asimismo permite obtener un movimiento lineal
alternativo, o uno oscilante, a partir de uno giratorio;
pero no nos permite obtener el giratorio a partir de
uno lineal alternativo (o de uno oscilante). Es un
mecanismo no reversible.
Para comprender mejor el funcionamiento y diseño de este
mecanismo pondremos un ejemplo sencillo: los motores de
los automóviles disponen de un sistema de levas que abre las
válvulas para la entrada del combustible y salida de los gases
en los cilindros.
La apertura y cierre de estas válvulas se efectúa según el
sistema, en la que el movimiento de giro del cigüeñal es
transmitido a través de una correa dentada a la polea situada
en el árbol donde van montadas las levas ( llamado árbol de
levas).
El giro de las levas obliga al seguidor a abrir la válvula, que retrocede a la posición de
cerrada por la acción del muelle. De esta forma, montando en el árbol de levas tantas
unidades como válvulas dispone el motor y con el desfase adecuado en cada cilindro.
Ley fundamental del diseño de levas
Las ecuaciones que definen el contorno de la leva y por lo tanto el movimiento del
seguidor deben cumplir los siguientes requisitos, lo que es llamado:
Ley fundamental del diseño de levas:
• La ecuación de posición del seguidor debe ser continua durante todo el ciclo.
• La primera y segunda derivadas de la ecuación de posición (velocidad y
aceleración) deben ser continuas.
• La tercera derivada de la ecuación (sobreaceleración o jerk) no necesariamente
debe ser continua, pero sus discontinuidades deben ser finitas.
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• Las condiciones anteriores deben cumplirse para evitar choques o agitaciones
innecesarias del seguidor y la leva, lo cual sería perjudicial para la estructura y el
sistema en general.
La excentricidad
En ocasiones resulta interesante desplazar el
seguidor de forma que su dirección de
deslizamiento no pase por el centro de rotación de
la leva. En este caso, se dice que el seguidor es
excéntrico y se llama excentricidad a la distancia
desde el centro de rotación de la leva a la dirección
de deslizamiento del seguidor.
Influencia de la excentricidad
La excentricidad es otro parámetro de partida en el diseño de sistemas leva-seguidor. Su
valor no puede ser mayor al radio del círculo primario ya que si así fuera, habría al menos
una posición en la que el seguidor caería por falta de contacto con la leva.
La excentricidad influye sobre todo en el ángulo de presión. Sin embargo, no modifica la
forma de la gráfica de variación del ángulo de presión, sino que solamente la desplaza
verticalmente. Así, la excentricidad puede hacer que disminuya el ángulo de presión en
unas zonas del diagrama de elevación a costa de aumentar en otras zonas. Además, la
excentricidad hace que el ángulo de presión deje de ser nulo cuando el seguidor está en
pausa.
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TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA
Uno de los principios básicos de la física sostiene que la energía no se crea ni
se destruye, sino que sólo se transforma de unos estados a otros. Este
principio se extiende también a la energía mecánica. Así, en un sistema
aislado, la suma de energías cinética y potencial entre dos instantes de tiempo
se mantiene constante. De este modo, la energía cinética se transforma en
potencial, y a la inversa.
La energía es una propiedad de todo cuerpo o sistema
material en virtud de la cual éste puede transformarse,
modificando su estado o posición, así como actuar sobre
otros originando en ellos procesos de transformación.
La energía puede tener distintos orígenes y, dependiendo
de ellos se le denomina de una forma u otra:
¿Qué entendemos por energía?
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• Energía cinética: Asociada al movimiento de los
cuerpos.
• Energía potencial: Asociada a la posición dentro
de un campo de fuerzas.
• Energía interna: Asociada a la temperatura de
los cuerpos.
• Energía luminosa: Asociada a la radiación solar.
• Energía nuclear: Asociada a los procesos de
fusión (unión de núcleos) o fisión (ruptura de
núcleos) que tienen lugar en el interior de los
átomos.
La energía presenta tres propiedades básicas:
• La energía total de un sistema aislado se conserva.
Por tanto en el Universo no puede existir creación o desaparición de energía.
• La energía puede transmitirse (transferirse) de unos cuerpos, o sistemas
materiales, a otros.
• La energía puede transformarse de unas formas a otras.
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Es aquella que el hombre utilizó, en un comienzo, como
producto de su propio esfuerzo corporal. Luego, la fuerza
animal, para lo que domesticó animales como bueyes,
caballos y burros.
Llamamos energías mecánicas a aquellas energías
vinculadas a la posición, al movimiento y a la masa de los
cuerpos. Ejemplos son la energía cinética, la energía
gravitatoria, la energía elástica.
Existen diferentes formas de energía y por su naturaleza tenemos energía Potencial y cinética.
Energía potencial.
Es la energía que posee un cuerpo, por
ejemplo: la energía humana, la del
agua, del vapor, etc. Así el estado de
mecánico de una piedra que se eleva a
una altura dada no es el mismo que el
que tenia a nivel del suelo: ha
cambiado su posición.
La energía mecánica engloba dos tipos de energía;
la energía potencial (cuando el cuerpo está en
reposo) y la energía cinética (cuando un cuerpo
está en movimiento)
Formas de energía.
¿Qué es la energía mecánica?
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la Energía Potencial depende del tipo
de fuerza que se aplique a un objeto.
Por tal razón, existen diferentes tipos de
energía potencial. Por ejemplo, un tipo
de energía potencial se debe a la fuerza
de gravedad y otro a la fuerza de
restitución de los cuerpos elásticos,
como una liga o un resorte.
Energía mecánica En los procesos físicos, la energía suele almacenarse en los cuerpos en forma combinada de tipo cinético y potencial. Esta suma de energías se denomina energía mecánica, y se escribe genéricamente como:
En la determinación de la energía cinética sólo se toma en cuenta la masa y la velocidad
de un objeto, sin importar como se origino el movimiento; en cambio,
• Energía potencial debida a la fuerza gravitacional: Cuando se sostiene un objeto en cierta altura, este no
tiene movimiento; pero si se cae, la caída se debe a la
fuerza de atracción de la gravedad.
La velocidad con el que el objeto llega al suelo
depende de la altura de donde el objeto se suelta, si
esta es pequeña, la velocidad también lo será, pero si
es grande la velocidad también lo será.
• Energía potencial elástica:
Este es otro caso de energía potencial, asociada a las
deformaciones de los objetos elásticos, por ejemplo la
tensión de un resorte, la compresión de un gas, el
estiramiento de un elástico o la extensión de la cuerda
de un arco antes de lanzar la flecha.
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Otra forma común de energía potencial es la que posee un
muelle cuando se comprime. Esta energía potencial elástica tiene un valor igual a:
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donde x es la posición del extremo del muelle y k una
constante de proporcionalidad. Al soltar el muelle, se libera
energía potencial elástica, al tiempo que el extremo del
muelle adquiere velocidad (y, también, energía cinética).
Al comprimir un muelle, se realiza un trabajo que se
acumula como una energía potencial elástica.
¿SABIAS QUE ....? Una masa de 1kg de agua que está en la superficie de un lago tiene una energía potencial más alta que cuando está al pie de la represa: para una diferencia de altura de 100 metros la diferencia de energía potencial es de 981 Joules. Esta energía potencial es la que se usa en una central hidroeléctrica, donde la caída de agua mueve las aspas de las turbinas que a su vez mueven a los generadores eléctricos.
Energía potencial.
La energía cinética es la que posee un cuerpo debido a
su movimiento o velocidad; La energía cinética es, por
lo tanto, la energía mecánica que posee un cuerpo en
virtud de su movimiento o velocidad. por ejemplo:
• La energía del agua al caer de una cascada,
• La energía del aire en movimiento, etc.
El trabajo realizado por fuerzas que ejercen su acción sobre un cuerpo o sistema en
movimiento se expresa como la variación de una cantidad llamada energía cinética, cuya
fórmula viene dada por:
El producto de la masa m de una partícula por el cuadrado de la velocidad v se denomina
también fuerza viva, por lo que la expresión anterior se conoce como teorema de la
energía cinética o de las Fuerzas Vivas.
