Una máquina es un instrumento que transforma las fuerzas que se aplican a fin de disminuir el esfuerzo necesario para poder llevar a cabo una tarea concreta.
Clasificación
Las máquinas, según su función, pueden ser de diversos tipos:
- Máquinas que acumulan energía: muelles, gomas o resortes...
- Máquinas que transmiten el movimiento: ejes, ruedas, correas, cadenas...
- Máquinas que transforman el movimiento: palancas, tornillos, bielas, manivelas...
Según su grado de complejidad, las máquinas se clasifican en:
- Máquinas simples: son las que únicamente tienen un punto de apoyo.
- Máquinas compuestas: están formadas por dos o más máquinas simples.
Las máquinas simples
En todas las máquinas simples, se aplica una fuerza o potencia, con la finalidad de mover o desplazar un objeto, para vencer la fuerza que representa el peso del objeto o resistencia.
La ley fundamental de las máquinas simples dice que:
P·a=R·b
Donde a es el espacio recorrido por la fuerza motriz (P) y b es el espacio recorrido por la fuerza resistente (R).
La palanca
Una palanca es un dispositivo que consiste en una barra rígida que puede girar alrededor de un punto que recibe el nombre de punto de soporte o fulcro.
Como cualquier máquina simple, la palanca cumple la ley fundamental de las máquinas simples.
Ley de la palanca: el producto de la potencia por su brazo es igual al producto de la resistencia por su brazo.
Utilizando las letras de la imagen anterior:
P·BP=R·BR
Tipos de palancas. Según la posición del fulcro y de las fuerzas se pueden distinguir tres tipos de palancas: palancas de primer, segundo y tercer género.
Las palancas de primer género son aquellas en las que el punto de apoyo se sitúa entre las dos fuerzas.
Ejemplo de este tipo son las balanzas, las tijeras, columpios, barreras de paso a nivel, alicates...
En las palancas de segundo género, es la resistencia la que se sitúa entre la potencia y la resistencia.
Ejemplo de este tipo de palancas son: las carretillas, los cascanueces, los pedales de freno de los coches, etc.
En las palancas de tercer género es la potencia la que se sitúa entre la resistencia y el punto de apoyo.
Ejemplos de este tipo son: las pinzas, las cañas de pescar, etc...
Tipos de palancas
El plano inclinado
El plano inclinado es una máquina simple que consiste en una superficie plana que forma un ángulo con la horizontal. El producto de la potencia por la longitud del plano inclinado es igual al producto de la resistencia por la altura del plano. En consecuencia, cuanto menor sea el ángulo de la rampa, menor será la fuerza realizada para subir el objeto.
Aplicaciones: en la construcción de rampas para subir mercancías, en la construcción, para evitar escaleras, en las cuñas, e incluso en herramientas de corte como es el caso de las hachas. La cabeza del hacha no es más que una máquina simple de forma de prisma triangular. En realidad se trata de dos planos inclinados. Cuando se golpea, la fuerza del impacto se descompone en dos fuerzas perpendiculares a sus caras laterales. Cuanto más larga y aguda sea la cuña, menor será la fuerza que debamos realizar para que penetre.
Los tornillos
Los tornillos se componen de roscas que no son más que planos inclinados arrollados alrededor de una superficie cilíndrica. La parte exterior del filo de la rosca se denomina cresta, y la parte interior fondo. Sus superficies laterales se denominan flancos. La distancia entre dos crestas o fondos consecutivos de un mismo filo se denomina paso de la rosca (p) y es la distancia que avanza el tornillo cuando da una vuelta completa.
Ley del tornillo. En P·a=R·b. “a” es la longitud que recorre P. Dado que la potencia se aplica en el extremo de una llave de longitud “r”, en cada vuelta de rosca, la potencia recorrerá la longitud de una circunferencia de radio “r”. Por otro lado, “b” es la distancia que avanza el tornillo, en una vuelta, y que coincide en este caso con el paso de rosca “p”. Con todo la ley del tornillo quedará:
Clasificación de los tornillos: Según la forma del perfil del filo, la rosca, que normalmente es triangular, también puede ser: cuadrada, de diente de sierra, redonda o trapezoidal.
Según el sentido de giro de la rosca puede ser dextrógira o levógira, si al avanzar gira en el sentido de las agujas del reloj o viceversa, respectivamente. La mayor parte de roscas son dextrógira o derechas.
Según el número de filos por cada paso de rosca, pueden ser de una, de dos o de tres entradas.
En el caso de tener más de un filo lo que se consigue es un avance más rápido, de manera que cuando se da una vuelta al tornillo lo que se consigue es un avance de a=n·p siendo n el número de entradas.
Aplicaciones de los tornillos. Como elementos de unión, se utilizan, generalmente, tornillos de filo triangular.
Como elementos de transmisión de fuerza poseen dientes de sierra. El ejemplo más conocido es la prensa.
Como elemento de transmisión y transformación de movimiento, como el mecanismo del tornillo sin fin con corona.
La rueda
La rueda es un elemento de forma cilíndrica y poco grueso que gira alrededor de un eje solidario con éste. Las aplicaciones de la rueda son muy numerosas, sin embargo la que ha sido más decisiva a lo largo de la historia ha sido la de facilitar el transporte. Otras aplicaciones han sido: la rueda hidráulica, la rueda de molino, el torno, la rueda de timón, engranajes, poleas, etc.
La polea
La polea consiste en una rueda suspendida de su eje a través del que puede girar, con un contorno acanalado lo que permite introducir una cuerda o una cadena de forma que cuelgue por ambos lados. Si en un extremo de la cuerda fijamos una carga y desde el otro extremo estiramos la cuerda, podremos elevar un peso.
Las poleas se clasifican según el número de ruedas en poleas simples y compuestas o polipastos. A su vez las ruedas pueden ser fijas (al techo) o móviles. Una polea simple y fija da como resultado que la fuerza que debemos realizar es igual al peso que ascendemos.
¿Qué beneficio representa entonces usarla? Hemos cambiado el sentido en el que estiramos la cuerda, y al hacerlo hacia abajo podemos suspender nuestro propio peso para ayudarnos.
Sin embargo, en cuanto se convierte en una polea simple móvil la fuerza que realizaremos será la mitad del peso que ascendemos (peso de la polea despreciable) ya que una parte de la fuerza la realiza la unión de la cuerda al techo.
Si combinamos dos poleas obtenemos ya un polipasto. En dicho caso tendremos una polea fija y una móvil, pero únicamente será la polea móvil la que nos dividirá la fuerza entre dos.
En este caso se observa que el peso de 100 N se reparte entre las dos cuerdas. Una de ellas está unida a la polea fija que a su vez se une al techo. La otra cuerda es la que pasa por la polea fija y va a parar hasta nosotros.
Si tuviéramos 2 poleas móviles, o como se observa en la figura, dos poleas móviles unidas entre sí (una polea con doble canal), la fuerza que deberíamos realizar sería una cuarta parte del peso. Por cada polea móvil dividimos entre 2 el peso.
En este caso una cuarta parte queda unida a la polea fija, y las otras 2/4 partes reposando sobre una de las dos poleas fijas. El cuarto cabo libre es del que tiramos.
Los sistemas de transmisión
Los sistemas de transmisión tienen como finalidad suministrar la potencia y el movimiento producidos por un elemento motor a los diferentes elementos de una máquina. La transmisión de movimiento se puede realizar mediante ruedas de fricción, correas, cadenas y engranajes. Los sistemas de trasmisión también se utilizan para variar o regular la velocidad. En este sentido existen mecanismos multiplicadores y reductores de velocidad.
La transmisión mediante ruedas de fricción se consigue poniendo en contacto dos ruedas, de forma que una arrastre a la otra, mediante la fuerza que produce su rozamiento.
Las ruedas de fricción únicamente se utilizan para transmitir potencias muy pequeñas y movimientos no muy rápidos, como ocurre en las ruedas de arrastre de un cassette.
La transmisión mediante correa se realiza mediante dos poleas, colocadas en ejes situados a cierta distancia, unidas mediante una correa cerrada a su alrededor, de forma que cuando una de las poleas gira, arrastra a la otra. Las correas se pueden situar abiertas o cruzadas. En el primer caso las poleas giran en el mismo sentido, y en el segundo caso en sentido opuesto.
Se utilizan para transmitir movimientos circulares entre ejes paralelos, aunque en ocasiones también en ejes que se cruzan.
Las correas no deben estar montadas ni muy tensas, ya que se desgastarían rápidamente a causa del rozamiento, ni tampoco muy flojas, ya que resbalarían sobre la polea, con la consecuente pérdida de fuerza y velocidad. Las correas se pueden clasificar en: planas, redondas, trapezoidales y dentadas.
La transmisión mediante cadena se produce mediante un par de ruedas dentadas, montadas sobre dos ejes paralelos situados a cierta distancia, enlazadas mediante una cadena que encaja en los dientes de las ruedas.
Las cadenas utilizadas para la transmisión del movimiento están formadas por una serie de elementos metálicos iguales, denominados eslabones.
Engranajes
Un engranaje es un conjunto de dos ruedas dentadas donde los dientes de una encajan (engranan) en los de la otra.
Las ruedas de un engranaje giran en sentido inverso. En un sistema compuesto de engranajes (tren de engranajes), las ruedas impares giran en el mismo sentido, mientras que las pares lo hacen en sentido
contrario.
Clasificación. Según la forma del engranaje, tenemos los engranajes cilíndricos (de dientes rectos y de dientes helicoidales), cónicos, de tornillo sin fin, de cremallera...
Mecanismos
Se llama mecanismo a un conjunto de elementos rígidos, móviles unos respecto de otros, unidos entre sí mediante diferentes tipos de uniones, (pernos, uniones de contacto, pasadores, etc.), cuyo
propósito es la transmisión de movimientos y fuerzas.
La cremallera es un dispositivo dentado perteneciente a los diversos tipos de engranajes. Por extensión, se utiliza el término para designar un sistema de apertura y cierre rápido. Consiste en un par de hileras dentadas y que se entrelazan o se separan al circular entre ellas un pequeño broche.
Se denomina manivela a un dispositivo por medio del cual el movimiento alternativo puede transformarse en movimiento rotatorio aplicado a un eje. Cuando se incorporan varias manivelas a un eje, éste se denomina cigüeñal. La manivela suele estar unida a una biela o a un torno.
La biela - manivela es un mecanismo que transforma un movimiento circular a un movimiento de traslación o viceversa. El ejemplo actual más común se encuentra en el motor de combustión interna de un automóvil, en el cual el movimiento lineal del pistón producido por la explosión de la gasolina se trasmite a la biela y se convierte en movimiento circular del cigüeñal.
La leva es un disco con un perfil externo parcialmente circular sobre el que apoya un operador móvil destinado a seguir las variaciones del perfil de la leva cuando esta gira.
Desde el punto de vista técnico la excéntrica es, básicamente, un disco (rueda) dotado de dos ejes: Eje de giro y el excéntrico.
La rueda de Ginebra, también conocida como Cruz de Malta, es un mecanismo que convierte un movimiento circular continuo en un movimiento circular intermitente.
Un diferencial es el elemento mecánico que permite que las ruedas derecha e izquierda giren a revoluciones diferentes, según el vehículo esté tomando una curva hacia un lado o hacia el otro.
Práctica: el efecto mariposa.
A continuación os dejo uno de los muchos vídeos que circulan por la red sobre el efecto mariposa, por si sacáis alguna idea para la práctica.
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