058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 58
4
Mecanismes
1. Mecanismes de transmissió del moviment circular 2. Transformació del moviment circular en rectilini 3. Transformació del moviment circular en rectilini alternatiu 4. Altres mecanismes i elements auxiliars
CoMpetènCies bàsiques Comunicativa, lingüística i audiovisual Coneixement de la terminologia específica dels mecanismes. Matemàtica Comprensió i càlcul de les expressions matemàtiques del funcionament dels diferents mecanismes, tenint en compte els seus usos i aplicacions reals. Coneixement i interacció amb el món físic Explicació dels mecanismes més simples que fan possible que, tot allò que veiem i que entenem com a necessari i essencial, funcioni. Social i ciutadana Presa de consciència de la importància dels petits mecanismes que resolen grans necessitats tècniques.
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 59
4. Mecanismes
Les primeres bicicletes eren inestables i poc pràctiques. Els carruatges, les arades i un llarg etcètera d’invents han evolucionat molt gràcies als mecanismes de transmissió. Quins avantatges creus que aporta la cadena a les bicicletes actuals?
Els motors dels cotxes poden girar entre les 800 i les 7 000 rpm (revolucions per minut). Per la seva banda, les rodes dels cotxes giren entre 0 i 1 500 rpm. La caixa de canvis que hi ha entre el motor i les rodes permet adaptar les dues velocitats. El motor no gira, doncs, a la mateixa velocitat que les rodes del cotxe. Per què creus que és així?
L’evolució de la tecnologia va acompanyada de les necessitats i de la imaginació de l’home. Es fan nous vehicles adaptats a diferents entorns i amb dissenys molt suggerents. Quins dispositius ha de tenir un vehicle per minimitzar els problemes mediambientals i de seguretat?
Mira els fragments següents de la pel·lícula Steamboy, dirigida l’any 2004 pel japonès Katsuhiro Ōtomo. El noi s’escapa amb una màquina molt curiosa inventada per ell mateix. Com la descriuries? En quin mecanisme es basa la màquina per desplaçar-se? Al principi de l’escena, el noi gira cap endavant. Al final de l’escena, quan la màquina queda atrapada entre dos trens, el noi gira cap enrere. És correcte el sentit del gir en els dos casos?
59
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 60
4. Mecanismes
1. Mecanismes de transmissió del moviment circular El moviment circular és present en la major part de les màquines que utilitzem: en electrodomèstics, en processos industrials, en mitjans de transport. També la majoria de motors generen moviment circular. Per transmetre i controlar aquests moviments utilitzem politges, corretges, engranatges, cadenes i tot tipus de combinacions i variants d’aquests mecanismes.
Politges i corretja La transmissió per corretja permet transmetre el moviment giratori a certa distància quan els eixos de gir són paral·lels. S’utilitza en electrodomèstics, en el ventilador dels cotxes, etc. La corriola que exerceix la força sobre la corretja es denomina politja motriu, i la que la rep, politja conduïda. En funció del diàmetre de les politges (D), es pot reduir o ampliar la velocitat de gir (n).
Els motors de les rentadores de roba estan units amb el tambor mitjançant una corretja. La roda del tambor és més gran que la del motor per reduir-ne la velocitat.
D1 > D2
D1 < D 2
n1 < n 2
n1 > n 2 Amplificació de velocitat
Reducció de velocitat
La relació de transmissió (i) es defineix com el quocient entre el nombre de voltes que fa la politja conduïda i el nombre de voltes que fa la politja motriu en el mateix temps. i=
n2 n1
• Si i > 1, és un mecanisme amplificador de la velocitat. • Si i < 1, és un mecanisme reductor de la velocitat. • Si i = 1, el mecanisme de transmissió no varia la velocitat. Suposant que no hi ha lliscament, la corretja recorre la mateixa distància en les dues politges en un mateix període de temps. Per tant, sempre es compleix aquesta igualtat: n1· 2 · p · D1 = n2· 2 · p · D2 n1· D1 = n2· D2 L’energia mecànica que pot exercir cada roda en un mateix mecanisme és la mateixa. Això significa que la que va més ràpida podrà fer menys força i viceversa.
60
Si substituïm en la igualtat anterior, veiem que la relació de transmissió també es pot expressar com el quocient entre el diàmetre de la politja motriu i la politja conduïda: i=
D1
D2
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 61
4. Mecanismes
exeMple
Una politja que gira a 2 000 rpm i té un diàmetre de 75 mm, arrossega una altra politja de 50 mm de diàmetre. Quina és la velocitat de la segona politja? Quina és la relació de transmissió del mecanisme?
Volem saber la velocitat de gir de la politja conduïda. L’aïllem en la igualtat de la transmissió amb politges i substituïm els valors: n2 =
n1 ⋅ D1 D2
=
Les corretges que han de transmetre grans esforços es fabriquen amb cautxú endurit (vulcanitzat) reforçat interiorment amb fils de niló o acer i se’ls dóna la forma trapezoïdal per augmentar-ne la superfície de contacte amb la politja.
2000 rpm ⋅ 75 m = 3000 rpm 50 mm
La relació de transmissió és: i=
n2
n1
=
D1
D2
=
2000 rpm 75 mm = = 1, 5 3000 rpm 50 mm
Comprovem que efectivament el valor de i és el mateix si ho calculem com la relació entre velocitats o entre diàmetres. Com que i > 1, podem afirmar que es tracta d’un mecanisme amplificador de velocitat.
activitats 1 Es pot aconseguir que les politges girin en el mateix sentit si es creua la corretja. En quin sentit girarà cada politja? Quina girarà més de pressa?
nn
2 La politja del motor d’una rentadora té 10 cm de diàmetre i gira a 1 500 rpm. Si volem que la velocitat de gir del tambor sigui de 500 rpm, quin diàmetre ha de tenir la politja conduïda?
nn
61
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 62
4. Mecanismes
Engranatges Un engranatge és el conjunt format per rodes dentades que s’acoblen entre si. Perquè dues rodes engranin, les dents han de tenir la mateixa forma i la mateixa mida. En relació als sistemes de politges i corretges, els engranatges tenen els avantatges següents:
Entre les dents de les rodes hi ha d’haver un cert espai. En cas contrari, no podrien entrar i sortir.
roda motriu z1 = 10 n1
roda conduïda z2 = 20
n2
• Poden transmetre esforços molt més elevats. • No hi ha lliscament possible entre dues rodes dentades. • Permeten controlar de manera molt exacta la velocitat de rotació. Com a inconvenients, cal destacar-ne els següents: • Amb el frec continu de les dents, es genera una pols metàl·lica que actua com una llima i desgasta les dents. • Per disminuir el desgast, les rodes s’han de greixar periòdicament o han de romandre en un compartiment estanc. • És un mecanisme més sorollós. Com que el nombre de dents de cada roda (z) guarda proporció directa amb el seu diàmetre, es compleixen les mateixes igualtats que en el cas de les politges, si se substitueix el diàmetre pel nombre de dents: i=
n2
=
n1
z1
n1 ⋅ z1 = n2 ⋅ z2
z2
exeMple Es defineix el mòdul d’una roda dentada com el quocient entre el seu diàmetre i el seu nombre de dents (D/z). Perquè dues rodes engranin, han de tenir el mateix mòdul. Això és equivalent a dir que l’espaiat entre dents ha de ser el mateix en les dues rodes. El mateix mòdul
A la caixa de canvis d’un cotxe, la roda dentada conductora que transmet el gir a la roda motriu té 30 dents i gira a 4 000 rpm. a) Si la roda motriu que s’hi posa en contacte té 80 dents, quina és la relació de transmissió i la velocitat de gir de les rodes del cotxe? i=
z1
z2
=
30 = 0, 375 80
n2 = n1 ⋅ i = 4000 ⋅ 0, 375 = 1 500 rpm
b) Si la roda motriu que s’hi posa en contacte té 60 dents, quina és la relació de transmissió i la velocitat de gir de les rodes del cotxe? i= Diferent mòdul
z1
z2
=
30 = 0, 5 60
4 n2 = n1 ⋅ i = 4000 ⋅ 0, 5 = 2 000 rpm
c) Quina combinació farà anar més ràpid el cotxe? Quina marxa és més alta que l’altra? En quina el cotxe tindrà més força i més potència? La b) farà anar més ràpid el cotxe, ja que 2 000 rpm > 1 500 rpm i tindrà una marxa més alta. La a) tindrà més força i potència. 62
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 63
4. Mecanismes
tipus d’engranatges
Cilíndrics exteriors S’utilitzen quan es vol transmetre moviment entre dos eixos paral·lels. El gir s’inverteix i es pot obtenir la relació de transmissió que ens interessi.
Cilíndrics interiors Aquest sistema està dissenyat per transmetre grans esforços entre un eix i una corona dentada interior, ocupant molt poc espai físic.
Helicoïdals Els engranatges helicoïdals tenen l’avantatge que transmeten més potència que els rectes i també poden transmetre més velocitat. Són més silenciosos i més duradors.
Tronc - Còniques La característica principal d’aquest tipus de mecanismes és la de transmetre el moviment entre dos eixos perpendiculars.
Transmissió amb cadena Quan la distància entre les rodes dentades és gran, cal introduir una cadena o una corretja dentada que va de la roda dentada motriu fins a la conduïda. Una cadena està constituïda per baules metàl·liques unides entre si per uns corrons, també metàl·lics, que giren sobre les rodes dentades, conferint flexibilitat a la cadena. Necessita ser lubricada amb oli.
Si les dues rodes són de dimensions diferents, la petita s’anomena pinyó i la gran, plat.
Una corretja dentada consisteix en una corretja de cautxú fabricada d’una sola peça, sense unions, que té dents amb forma de trapezi que engranen perfectament amb les rodes dentades amb les quals entra en contacte. Els càlculs de velocitat i relació de transmissió en un sistema de transmissió amb cadena i corretja dentada són els mateixos que en el cas dels engranatges. L’única diferència és que el sentit de gir és el mateix per a la roda motriu i la conduïda.
Les corretges dentades s’usen en la transmissió de la caixa de canvis a la roda del darrere en algunes motocicletes.
activitats 3 La roda conductora d’un engranatge té 40 dents i la conduïda, 28. Calcula la relació de transmissió i digues si es tracta d’un sistema amplificador o reductor.
nn
4 Volem engranar una roda motriu amb 60 dents i 60 mm de diàmetre amb una roda de 14 dents. Quin diàmetre tindrà la roda conduïda? Quin valor té el mòdul i la relació de transmissió?
5 Amb quina combinació de marxes anirà més ràpid n una bicicleta? Amb quina haurem de fer més força? a) Plat: 32 dents; pinyó: 15 dents. b) Plat: 32 dents; pinyó: 11 dents. c) Plat: 22 dents; pinyó: 17 dents. d) Plat: 22 dents; pinyó: 11 dents.
nn n
6 Pot engranar una roda motriu de 36 dents i 15 mm de diàmetre amb una altra de 72 dents i 25 mm de diàmetre?
nn
63
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 64
4. Mecanismes
Cargol sense fi Aquesta associació és capaç de transmetre el moviment circular entre dos eixos perpendiculars. El seu fonament consisteix a fer girar un cilindre amb rosca externa, a manera de cargol, sobre el seu eix longitudinal. Per cada volta completa del cargol, la roda dentada avança una dent; per això es considera que el cargol sense fi actua com una roda dentada amb una sola dent. S’utilitza en aquelles situacions en què es vol obtenir una forta reducció de la velocitat de gir. Aquest mecanisme és irreversible, és a dir, la roda dentada no pot fer girar el cargol sense fi. exeMple
Un motor elèctric al qual s’acobla un cargol sense fi gira a 4 000 rpm. Si hi acoblem una roda amb 40 dents amb el mateix pas que el cargol, quantes voltes gira la roda en 5 minuts? En quant hem reduït la velocitat de sortida del motor elèctric? La dada 4 000 rpm significa que en un minut el cargol ha avançat 4 000 dents, els mateixos que la corona. Però com que la corona fa una volta completa quan avança 40 dents, la corona ha d’haver avançat 4 000 / 40 = 100 voltes en un minut, de manera que en 5 minuts haurà fet 100 x 5 = 500 voltes. D’altra banda, com que la velocitat inicial era de 4 000 rpm i la de la roda és de 100 rpm, la velocitat inicial s’ha reduït 4 000/100 = 40 vegades. La corona dentada gira 40 vegades més a poc a poc que el cargol sense fi. La relació de transmissió és: i = 1 / 40
activitats 7 Una roda de 28 dents i 16 cm de diàmetre gira a una n velocitat de 200 rpm per acció d’un cargol sense fi. A quantes rpm gira el cargol sense fi? Quin és el pas de tots dos elements? Quant s’ha reduït la velocitat de sortida del sistema? 8 Per què s’utilitza el cargol sense fi en una clau ann glesa? I en el claviller d’un contrabaix? Si el cargol sense fi del claviller del contrabaix engrana amb una dent de la roda dentada i aquesta té 14 dents, quina és la relació de transmissió?
64
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 65
4. Mecanismes
Tren d’engranatges Un tren d’engranatges consisteix en un sistema de més de dos engranatges acoblats. Això permet aconseguir relacions de transmissió molt més altes. Vegem el tren d’engranatges següent:
Tots els rellotges analògics contenen trens d’engranatges precisos i menuts.
La relació de transmissió total del sistema és el quocient entre les voltes que fa el darrer engranatge i les voltes que fa el primer (n3/n1). La relació de transmissió en cada engranatge és: i1−2 =
z1 z2
=
n2 n1
; i 2− 3 =
z '2 z3
=
n3 n2
El producte de les relacions de transmissió és: i1−2 ⋅ i 2−3 =
z1 z2
⋅
z '2 z3
=
n2 n1
⋅
n3 n2
=
n3 n1
Pots comprovar que en un tren d’engranatges com en el de la figura, la roda del mig no afecta la relació de transmissió. Només inverteix la direcció de gir. Una roda amb aquest propòsit s’anomena roda boja.
;
que coincideix amb la relació de transmissió total del sistema. Es pot comprovar que això passa en tots els casos. Podem establir, doncs, el següent: La relació de transmissió total d’un tren d’engranatges és el producte de les relacions de transmissió dels engranatges simples que el componen. Aquest principi també és vàlid en la transmissió amb cadena, en el cargol sense fi, en els sistemes amb politges i en general en tots els mecanismes de transmissió i combinació.
També pots comprovar que l’única manera de variar la relació de transmissió en un tren d’engranatges és utilitzar rodes subjectades en un mateix eix, amb diferent nombre de dents.
activitats 9 Tenint en compte el tren següent, calcula les velocitats de cada roda, la relació de transmissió total del tren i si és amplificador o reductor de la velocitat, sabent que la primera roda gira a 200 rpm.
nn
Roda
1
2
3
4
Nombre de dents
8
16/ 8
16/ 8
16
65
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 66
4. Mecanismes
2. transformació del moviment circular en rectilini En algunes ocasions és necessari transformar un movent circular en un moviment lineal, com passa quan s’ha de moure una porta corredissa o cal elevar una càrrega pesada amb un motor elèctric.
Pinyó - cremallera Aquesta associació d’elements consta d’una roda dentada anomenada pinyó i d’una barra dentada recta anomenada cremallera. Quan el pinyó gira sobre el seu eix, la cremallera llisca en un sentit o en l’altre en funció del sentit del gir del pinyó. Podem veure exemples de la seva aplicació en portes corredisses de garatge, en trípodes de suport de càmeres de vídeo, etc. exeMple
Un motor elèctric té acoblat un pinyó de 5 cm de diàmetre, que gira a 20 rpm. Si se li acobla una cremallera del mateix pas que el pinyó, quants centímetres avança la barra en 2 minuts? Quantes dents ha estat desplaçada la barra? El sistema de transmissió del gir del volant a les rodes fa servir un mecanisme de pinyó-cremallera.
La longitud de la circumferència del pinyó és de 2R = D = 5 · 3,14 = 15,7 cm. A cada volta que fa el pinyó, la barra dentada es desplaça 15,7 cm, de manera que en 2 minuts s’haurà desplaçat 20 rpm · 2 minuts · 15,7 cm = 628 cm = 6,28 metres.
Cargol - femella L’associació d’aquests dos elements permet que, si fem girar el cargol evitant que la femella giri, el cargol es desplaça linealment. És el cas del serjant. D’altra banda, si fem girar el cargol però evitem que es desplaci linealment és la femella qui es desplaça, com en el cas del cargol de banc. filet p
n
La velocitat (v) d’avanç es calcula multiplicant la distància entre dos filets consecutius d’una mateixa hèlice (p) i el nombre de voltes per unitat de temps (n). v=p·n
activitats 10 Una barra dentada de 5 metres de longitud té 300 dents. S’hi acobla un pinyó de 8 cm de diàmetre que gira per efecte d’un motor elèctric. Si en 1 minut la barra dentada s’ha desplaçat 3 metres, quantes voltes ha fet el pinyó en 1 minut? Quantes dents té el pinyó?
nn
66
11 Fem girar un cargol sense fi d’un gat elevador de cotxe a raó de 10 voltes per segon (10 rps), que fa girar dues femelles per fer pujar el gat. Calcula quants centímetres avancen les femelles en 1 minut si la distància entre dents és de 0,01 cm.
nn n
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 67
4. Mecanismes
3. transformació del moviment circular en rectilini alternatiu Biela-manovella i cigonyal El sistema biela-manovella és un mecanisme capaç de transformar un moviment circular en un moviment de gir o viceversa. Es basa en la unió de dos elements articulats: la manovella i la biela.
La manovella és una barra unida a una roda que gira. Aquesta unió és en un punt distant del centre de la roda. La biela és una barra recta, que s’articula amb la manovella. El moviment de rotació de la roda implica un moviment de vaivé de la biela. El desplaçament de la biela està canalitzat per una guia.
L’ús del mecanisme biela-manovella es va estendre a l’època de la Revolució Industrial. És bàsic en els mecanismes de la màquina de vapor i de les locomotores de vapor. En tots dos casos transforma el moviment rectilini d’un pistó en el moviment de gir de les rodes.
El cigonyal és un sistema biela-manovella múltiple. Es tracta d’un eix amb colzes, al qual s’hi articulen les bieles. Cada colze actua com una manovella. El seu ús més estès és en els motors de combustió interna: el moviment alternatiu dels pistons es transmet a les bieles, les quals el comuniquen al cigonyal. El gir del cigonyal es trasllada a les rodes i el vehicle es mou.
Lleva-seguidor El sistema lleva-seguidor és un mecanisme simple que permet obtenir un moviment rectilini discontinu a partir d’un de circular. La lleva és un element ovoide (en forma d’ou) subjecte a un eix. Quan l’eix gira, el contorn de la lleva empeny el seguidor. La forma del contorn o perfil de les lleves és molt variada i es dissenya en funció del tipus de moviment de vaivé que es vol generar.
activitats 12 Què entens per moviment rectilini alternatiu? n
13 Explica amb les teves paraules el sistema biela-manovella i fes-ne un croquis.
14 Dibuixa esquemàticament el mecanisme que fa que una lleva obri i tanqui una vàlvula d’un motor de combustió.
nn n
nn
67
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 68
4. Mecanismes
4. Altres mecanismes i elements auxiliars Junta Cardan La junta Cardan és un mecanisme enginyós, format per una peça mòbil que uneix dos eixos. Permet transmetre el moviment circular, encara que els eixos s’orientin en angles diferents. Suporta forces de torsió elevades sense que es deformin els eixos. S’aplica en la transmissió de camions de gran tonatge i en la d’algunes motocicletes de gran cilindrada.
Trinquet cadell
gir blocat
trinquet
gir permès
El trinquet és un mecanisme que permet que una roda giri només en un sentit. Consisteix en una roda dentada i una pestanya en forma d’ungla, anomenada cadell, que permet avançar la roda, però que n’evita el retrocés. Es troba en el fre de mà dels vehicles, a l’interior de les rodes de les bicicletes i en claus de carraca.
Elements amortidors Els elements amortidors són mecanismes d’acumulació d’energia. Tenen l’objectiu de debilitar les oscil·lacions i els xocs, i esmorteir les vibracions. Les molles, els amortidors i les ballestes en són els exemples principals.
Les molles són dispositius elàstics que es deformen en ser sotmesos a una força externa. Però tendeixen a recuperar la posició original. Hi ha molles de moltes menes, segons la força externa que s’hi apliqui.
Les ballestes són un conjunt de làmines d’acer de diferent longitud unides per una mordassa metàl·lica. Suporten grans forces de flexió. Les ballestes són el sistema amortidor que utilitzen els trens i els camions de gran tonatge.
68
Els amortidors hidràulics es basen en el lliscament d’un pistó situat a l’interior d’un cilindre ple d’oli. Actuen esmorteint el rebot de la molla. Són uns elements destacats del sistema de suspensió dels automòbils.
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 69
4. Mecanismes
Rodaments En general, les parts giratòries de les màquines han de recolzar-se sobre un suport per poder donar voltes. Aquest suport ha de resistir el pes i el fregament produït pel gir de les peces mòbils de la màquina. Els rodaments, també anomenats coixinets de rodament, són un conjunt de boles, agulles o corrons, que roden dins unes guies, amb la qual cosa disminueix el fregament i augmenta el rendiment giratori. Tipus de rodaments
Boles
Agulles
Rodets cilíndrics
Rodets cònics
Components d’un rodament Cossos rodants. Són els elements que roden entre els anells. Presenten formes diverses, que donen nom als diferents tipus de rodaments: boles, agulles, rodets cilíndrics o rodets cònics.
Anells o cèrcols. Constitueixen les armadures exterior i interior del rodament. Són de diàmetre diferent i entre ells roden els cossos rodants.
Lubricant. Capa de greix o oli mineral entre els cèrcols, en contacte directe amb els cossos rodants, per tal de disminuir la fricció.
Caixa o gàbia. Estructura entre els dos anells, que conté els cossos rodants.
activitats 15 Pensa com deu funcionar el mecanisme intern de l’eix posterior en les bicicletes. Fixa’t que la cadena pot estirar els pinyons dentats cap endavant, però no cap enrere.
nn n
17 Quina funció realitza un rodament de boles en les n rodes d’un monopatí? 18 Per què s’han de greixar els rodaments? Quines substàncies es fan servir? Què passaria si no els greixéssim?
nn
16 Als rellotges d’abans se’ls havia de donar corda cada dia perquè no es paressin. Quin és el mecanisme de funcionament bàsic d’aquests rellotges?
nn n
69
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 70
4. Mecanismes
activitats 19 Creus que pot funcionar el sistema de politges i n corretges següent?
22 Quines condicions s’han de complir perquè dues nn rodes dentades engranin perfectament? Posa un exemple de cadascuna de les condicions. 23 Quin diàmetre ha de tenir una politja motriu que nn gira a 200 rpm, si la conduïda de diàmetre 30 mm gira a 300 rpm? Quin tipus de sistema és? 24 Quina és la velocitat de gir del motor d’aquest trenn n pant si la broca gira a 300 rpm, les rodes petites tenen 10 dents i les rodes grans 50 dents?
20 Donat el sistema de politges següent: nn
n1 = 40 rpm d1 = 100 mm n2 = 300 rpm a) Calcula el diàmetre de la roda conduïda. b) Calcula la relació de transmissió. c) Quin tipus de sistema és, reductor o amplificador? 21 En aquesta batedora manual les rodes petites nn tenen 25 dents i la gran 100 dents. Calcula: a) La relació de transmissió. b) El número de voltes que fan les rodes petites si les grans fan 10 voltes. c) La velocitat de la maneta (rpm) si les rodes dentades petites tenen una velocitat de 300 rpm. d) Quin tipus de sistema és aquesta batedora, reductor o amplificador?
70
25 Calcula quantes voltes ha de fer un cargol sense fi nn perquè faci 3 voltes a un engranatge de 20 dents. A quantes revolucions per minut ha de girar el cargol sense fi perquè l’engranatge giri a 0,5 rpm?
26 Quin mecanisme té el compàs de la foto? Per què nn alguns compassos el tenen?
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 71
4. Mecanismes
27 El motor d’una locomotora de muntanya fa moure nn n un engranatge de 50 dents, que avança per la cremallera del centre de la via. Aquest engranatge gira a 20 rpm. La distància de dent a dent és de 20 cm.
29
Investiga quin mecanisme sol haver a la base del cilindre que subjecta la broca en aquest tipus de trepant de mà.
30
Investiga quin mecanisme hi ha al claviller de les guitarres elèctriques? Quina és la seva relació de transmissió?
n
a) Quina és la velocitat del tren en quilòmetres per hora? b) Quant trigarà a recórrer els 11 km que separen l’estació de la vall de la del turó? n
28
Supera’t en aquest Joc dels mecanismes.
n
,
,
competencies en construccio 31 Amb la classe vas d’excursió a un parc d’atraccions. Per poder pujar a les atraccions, abans has de respondre una sèrie de preguntes sobre el seu funcionament. Molta sort! a) Cavallets. Mentre els cavallets fan un moviment circular van pujant i baixant alternativament. Pensa un mecanisme intern que doni com a resultat aquests dos moviments. Pensa un nom especial per a aquesta atracció.
b) Sínia. Aquesta atracció és famosa per la preciosa vista de la ciutat que es veu des de la part més alta. La roda gran és una gran roda dentada, que es fa moure amb un engranatge de 20 cm de diàmetre. La roda gran fa una volta per minut i la petita gira a 60 rpm. Des de quina alçada podem contemplar la ciutat? Pensa un nom especial per a aquesta atracció.
c) Muntanya russa. Esbrina quin sistema s’utilitza per pujar els vagons fins a dalt de tot. Pensa un nom per a aquesta atracció.
d) Vaixell víking. Aquesta atracció funciona com un gran pèndol. Investiga quins mecanismes fan que no es descontroli. Pensa un nom especial per a aquesta atracció.
71
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1
2/2/11
10:28
Página 72
4. Mecanismes
Engranatge 90º
ACTIVITATS PRÀCTIQUES
Aquesta pràctica permet experimentar com es pot transmetre el moviment des d’un eix fins un altre que hi formi un angle de 90º. Aquest mecanisme de transmissió s’utilitzava molt en el passat, per exemple, en la transmissió del moviment de l’aigua d’un rierol a un molí, o en les sínies mogudes pel moviment circular d’un animal de càrrega.
Materials • Fusta fina (no de balsa), o dos CD, i fusta aglomerada • 32 clavilles de fusta de 0,5 cm de diàmetre • 1 cargol de 4 mm de diàmetre i 6-8 cm de longitud i una barra de rosca de 20 cm amb les femelles corresponents per als engranatges • 4 cargols per a fusta d’1 cm i un altre de 4 cm per a la part del motor • Cartolina blanca i paper d’alumini • 2 LED vermells i 1 LED blanc, un motor elèctric de 4,5V, una pila de 4,5 V i un interruptor • Una politja de 2 cm de diàmetre i una altra de 5-6 cm de diàmetre; una goma elàstica o cordill • Cable elèctric • Cola de fuster, serra de vogir, llima cilíndrica, clau fixa del 6-7 o clau anglesa petita.
Procediment 1. Dibuixa, retalla, llima i munta les peces de fusta.
3. Munta el circuit elèctric de doble sentit de funcionament del motor i acoblament del motor.
2. Fixa totes les espigues amb cola a les dues rodes de l’engranatge.
72
4. Munta l’estructura de l’engranatge amb els coixinets, la politja gran i els cargols. Acobla-hi el motor i la politja. Decora-ho al teu gust.
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1
2/2/11
10:28
Página 73
4. Mecanismes
Junta Cardan Material • • • • • • •
Dues juntes de PVC per a fontaneria Cilindre estret de fusta 4 tacs de fusta de 4 o 6 mm de diàmetre Broca de fusta de 4 o 6 mm de diàmetre Llima o raspa per a fusta Retolador de tinta indeleble Cola de fuster
Procediment 1. Dibuixa dues paràboles oposades en cadascuna de les peces de plàstic. 2. Fes orificis amb la broca de 4 o 6 mm de diàmetre al llarg de la línia dibuixada. Els orificis s’han de situar molt a prop els uns dels altres.
3. Fes una mica de pressió amb la mà per separar les peces. 4. Llima amb compte fins a arribar a perfilar la forma de la paràbola dibuixada. 5. Fes quatre orificis a la mateixa distància en el lateral de la roda de fusta amb la broca de 4 o 6 mm de diàmetre. 6. Posa-hi una mica de cola de fuster (també hi va bé el termofusible) i introdueix els tacs de fusta i, al mateix temps, munta la junta Cardan.
7. Espera una estona per tal que s’assequi la cola. 8. Comprova’n el funcionament: gira un extrem inclinat i veuràs com l’altre també gira.
73
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 74
4. Mecanismes
pAssAt, pResent i FutuR
engRAnAtges de FustA Els primers molins es van construir a Quina millora van incorporar els mo- A quines màquines trobem engranatges Egipte cap al segle IV a.C. amb la finalitat lins hidràulics italians respecte als que permeten una important reducció de moldre gra. Consistien en un eix vertical egipcis? del moviment? de fusta a la part inferior del qual hi havia una sèrie de paletes submergides en aigua. La corrent d’aigua impactava en les paletes i feien moure l’eix vertical de fusta que anava connectat a una pedra que molia el gra. Aquests primers molins tenien el problema que necessitaven grans velocitats de corrent d’aigua, i no podien instal·lar-se en qualsevol riu. Al segle I a.C., al nord d’Itàlia es va desenvolupar un nou molí hidràulic que disposava d’un sistema d’engranatges de fusta que permetien una reducció important del moviment. Això permetia que la pedra girés més ràpid, tot i el moviment relativament lent de gir de l’eix. Podia funcionar, per tant, amb corrents d’aigua més petites.
CARRegAdoRs de Mòbil teries d’un telèfon mòbil a partir del seu moviment. Aquest mecanisme tan innovador s’anomena M2E Power. Es tracta d’uns aparells que utilitzen l’energia cinètica del moviment per a convertir-la en electricitat, de manera que, a mesura que camines o et desplaces en cotxe, tren, Un equip d’enginyers nord-americans han autobús, l’energia d’aquest moviment es ideat un mecanisme per carregar les ba- transforma en electricitat.
Quedar-se sense bateria al telèfon mòbil és realment empipador. Sobretot si et passa només sortir de casa, i si durant tot el dia no podràs disposar d’un endoll on connectar el carregador. Però això pot deixar de ser un inconvenient ben aviat.
Els creadors del M2E Power, asseguren que 6 hores de moviment acumulat són suficients per a carregar la bateria i subministrar entre 30 i 60 minuts d’autonomia. Potser no és gaire de moment, però aquest mecanisme disminueix la dependència dels carregadors i dels endolls. Potser en un futur aniran incorporats als telèfons mòbils, i evitaran que aquests s’hagin de connectar a la xarxa elèctrica. I, a més a més, fomenten l’esport: per carregar el mòbil, res millor que anar a fer fúting o fer un tomb amb bicicleta. En què consisteix el mecanisme que permet carregar les bateries descrit en el text? Pensa en d’altres aplicacions similars a la descrita en el text que permetrien generar energia elèctrica.
74
058-075_TECNO_U04_CAT.qxd:Maquetación 1 01/02/11 19:30 Página 75
4. Mecanismes
biCis sense CAdenA... T’imagines pedalejar una bicicleta sense una acceleració més gran en les pedacadena? Doncs, per molt sorprenent que lades i així el ciclista podia adquirir veet sembli, aquestes bicicletes són una locitat més ràpidament. realitat. Avui dia, però, la transmissió sense caLa transmissió es produeix a través d’uns dena es pot tornar a posar de moda, ja engranatges cònics col·locats en un angle que les noves tècniques de producció de 90º uns respecte els altres, i un eix de d’aquests engranatges permeten adquitransmissió horitzontal. Aquest tipus de rir la mateixa acceleració, i fins i tot més, transmissió és gairebé tan antiga com la que amb la transmissió per mitjà de la mateixa bicicleta, de finals del segle XIX, i cadena tradicional. va ser molt popular en aquella època, ja que la transmissió per cadena dificultava Si no té cadena, com es transmet el moque les persones amb roba ampla pogues- viment dels pedals a la roda en aquest sin pedalejar tranquil·lament perquè sovint tipus de bicicleta? la roba quedava atrapada per la cadena. Quins avantatges i quins inconvenients Tanmateix, la transmissió per mitjà de la creus que tindrà una bicicleta sense cacadena es va imposar perquè donava dena?
...ni RAdis! Si t’ha sorprès que es pugui anar amb bicicleta sense cadena, encara et sorprendrà més una bicicleta que no tingui radis a les rodes. Aquesta és la darrera novetat del disseny de bicicletes creada
a Londres pel dissenyador Bradford Waugh, anomenada Nulla (nul·la), en una clara referència a la mínima expressió del giny. Perquè, a més de no tenir radis, tampoc té cadena, la transmissió es fa
per mitjà d’engranatges cònics i rodes dentades. El quadre és de carboni, resistent, lleuger i flexible, i els frens i el canvi de marxes es troben integrats en el quadre. Tampoc té forquilla per subjectar la roda davantera. Les rodes se sustenten i giren gràcies a un sistema especial d’engranatges situat a la perifèria de la roda. La sensació és que aquestes rodes estan subjectades del no res. És la bicicleta ideal per als amants del disseny més avantguardista… Ho serà algun cop per als ciclistes professionals? A què fa referència el nom d’aquesta bicicleta? Creus que serà més o menys rígida i estable aquesta bicicleta respecte a les convencionals? Per què?
75