MECANISMOS Y MÁQUINAS

Tema 3

MECANISMOS Y MÁQUINAS 3º DE E.S.O. ÁREA TECNOLÓGICA

Esquema del tema 3

Al finalizar la unidad debes:  Conocer los fundamentos de la máquinas simples.  Comprender los mecanismos simples como partes de máquinas más complejas.  Aprender a diseñar máquinas sencillas para resolver problemas cotidianos.  Valorar el uso de las máquinas a lo largo de la historia.

OBJETIVOS DE LA UNIDAD

En física, una máquina simple es un mecanismo o conjunto de mecanismos que transforman una fuerza aplicada en otra saliente, habiendo modificado la magnitud de la fuerza, su dirección, su sentido o una combinación de ellas.  Una máquina simple, es un dispositivo que se utiliza para dar comodidad en una tarea y a veces para ahorrar fuerza 

Definición

La cuña es una máquina simple consistente en una pieza de madera o de metal terminada en ángulo diedro muy agudo. Técnicamente es un doble plano inclinado portátil. Sirve para hender o dividir cuerpos sólidos, para ajustar o apretar uno con otro, para calzarlos o para llenar alguna raja o hueco.

1. Tipos: Cuña

La palanca es una máquina simple compuesta por una barra rígida que puede girar libremente alrededor de un punto de apoyo, o fulcro, y sirve para transmitir una fuerza.

Puede utilizarse para amplificar la fuerza mecánica que se aplica a un objeto, incrementar la distancia recorrida, o su velocidad, en respuesta a la aplicación de una fuerza.

1. Tipos: Palanca

El plano inclinado, es una de las mรกquinas simples, ya que permite reducir la fuerza necesaria a aplicar para elevar una carga. Es una superficie plana que forma un รกngulo agudo con el suelo y se utiliza para elevar cuerpos a cierta altura.

1. Tipos: Plano inclinado

1. Tipos: Polea

Es una mรกquina que nos facilita la elevaciรณn de carga ahorrรกndonos esfuerzo. Muy utilizado en pozos y esclusas fluviales.

1. tipos. El torno

Tornillo de Arquímedes La tuerca husillo es un tipo de mecanismo que está constituido por un tornillo (husillo) que al girar produce el desplazamiento longitudinal de la tuerca en la que va enroscado(movimiento rectilíneo).

El tornillo de Arquímedes es una máquina utilizada para elevación de agua, harina o cereales. Fue supuestamente inventado en el siglo III adC por Arquímedes, del que recibe su nombre, aunque existen hipótesis de que ya era utilizado en Egipto.

1. Tipos: Tornillo

2. ESTUDIO DE MECANISMOS

En física, la fórmula de la palanca es: P · b2 = R · b 1

Se lee así: Potencia x brazo de Potencia = Resistencia x brazo de Resistencia P la Potencia, o fuerza que ejercemos, R la Resistencia, o fuerza que transmitimos o vencemos; b2 y b1 son las distancias que hay del punto de apoyo (fulcro) a P y R.

Brazo de resistencia b1

2. Máquinas simples. Palancas

Existen tres tipos en funci贸n de donde se coloquen P, R y el Fulcro (punto de apoyo) Observa

2. M谩quinas simples. Palancas

1ยบ grado

Observa los tipos

2ยบ grado

3ยบ grado

2. Mรกquinas simples. Palancas

Observa los tipos

1ยบ grado

2ยบ grado

3ยบ grado

2. Mรกquinas simples. Palancas

Aplicaciones en objetos

2ยบ grado

1ยบ grado 3ยบ grado

2. Mรกquinas simples. Palancas

Polea --F = R

Polipasto F = R/2n n es el nยบ de poleas mรณviles

Polipasto n =1 F = R/2 1 polea mรณvil

Polipasto n = 2 F = R/4 2 poleas mรณviles

2. Mรกquinas simples. poleas

Observa como se calcula la fuerza necesaria para levantar el peso

2. Mรกquinas simples. poleas

R r

P

Q

Cรกlculos en el El torno

F1

A

B

C F1 = G x BC/AB G = peso

2. Plano inclinado



Transmisiones

  



trenes

Transformadores de movimiento

Por engranajes Por correa Por cadena Por Cardan Tornillo sin fin



Tren de poleas Tren de engranajes

     

Piñón-cremallera Husillo-tuerca Biela- manivela Excéntrica Cigüeñal Leva y seguidor



3. Mecanismos de trasmisión

Observa Z1 = 10 dientes

25 rpm

Por engranajes Por cadena Estรก formado por dos ruedas dentadas engranadas directamente o por cadena

50 rpm Z2 = 20 dientes

Z1 x V 1 = Z 2 x V 2 Z1 = Nยบ dientes de rueda 1

Z1 = 10 dientes

25 rpm

V1 = rpm rueda 1 Z2 = Nยบ dientes de rueda 2 V2 = rpm rueda 2

50 rpm Z2 = 20 dientes

rpm = revoluciones por minuto

Por correa

Observa D1 = 10 cm

25 rpm

El mecanismo estรก formado por dos ruedas simples acanaladas, de manera que se pueden conectar mediante una cinta o correa tensionada

D1 x V 1 = D 2 x V2 50 rpm

D1 = diรกmetro de rueda 1 D2 = 20 cm

V1 = rpm rueda 1 D2 = diรกmetro de rueda 2 V2 = rpm rueda 2 rpm = revoluciones por minuto

Por tornillo sin fin Observa V2 = 20 vueltas

Este mecanismo permite transmitir el movimiento entre รกrboles que se cruzan. El eje propulsor coincide siempre con el tornillo sin fin, que comunica el movimiento de giro a la rueda dentada

1 vuelta del sin fin desplaza un diente de la rueda

Z2 = 20 dientes

r = V1/V2; 1:20 V2 = nยบ vueltas del sin fin V1 =1 vuelta

V1 = nยบ vueltas de la rueda

Tren de engranajes Observa V2 =50 rpm V1 =100 rpm

Z2 = 20 dientes

Z1 = 10 dientes

1

V4 =25 rpm

2

3 Z4 = 20 dientes

Z3 = 10 dientes

V3 =50 rpm

El mecanismo estรก formado por mรกs de dos ruedas dentadas compuestas, que engranan. Las ruedas compuestas constan de dos o mรกs ruedas dentadas simples solidarias a un mismo. Sus formulas son las mismas que para los trenes de dos ruedas El mecanismo de la figura consigue reducir la velocidad del tercer eje a una cuarta parte del primero.

Tren de poleas Observa V2 =50 rpm V1 =100 rpm

D2 = 20 cm

V4 =25 rpm

D1 = 10 cm

1

3

2 D3 = 10 cm

V3 =50 rpm

D4 = 20 cm

El mecanismo estรก formado por mรกs de dos poleas. Sus formulas son las mismas que para los trenes de dos ruedas El mecanismo de la figura consigue reducir la velocidad del tercer eje a una cuarta parte del primero.

El mecanismo de 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. Aplicado por George Stephenson en la primera máquina de vapor.

Biela - manivela

Es un sistema compuesto por un piñón y una barra dentada.

Los dientes del piñón engranan en la barra de forma que el movimiento del piñón produce el desplazamiento de la barra o a la inversa. La barra puede ser un sector dentado.

Piñón-cremallera

Al girar la manivela del gato, gira la tuerca y avanza por el husillo linealmente de forma que se cierran las barras articuladas.

Husillo-tuerca

Convierten el movimiento circular en alternativo

Cigüeñal. Es un sistema compuesto por la unión de múltiples manivelas acopladas a sus correspondientes bielas Excéntrica. Es una rueda que tiene una barra rígida unida en un punto de su perímetro.

Leva. Es un dispositivo que al girar es capaz de accionar un elemento al que no está unido y moverlo de forma alternativa.

Circular alternativo Excentrica-Cigüeñal-Leva

motor de 2 tiempos

motor de 4 tiempos

Es un mecanismo compuesto de dos barras articuladas, de forma que una gira y la otra se desplaza linealmente por una guĂ­a, transformando el movimiento circular en alternativo de vaivĂŠn. Es muy utilizado en todo tipo de maquinas y sobre todo en motores de motos y coches.

Circular alternativo Biela manivela

4. Motores para volar



Veamos primero el principio físico en el que están basados los motores a reacción de los aviones.

Se llama de acción y reacción.  Observa: Ejemplos 

Motores para volar



Turborreactor Gases de salida=>acción

Reacción=> empuje del motor hacia adelante

Motores para volar



Turbofan (ventilador)

Veamos como funciona

El motor Turbofan, es idéntico al turborreactor excepto en una gran diferencia: El Turbofan tiene un gran abanico (Fan) en la parte delantera de la turbina el cual esta directamente conectado con la etapa de turbinas, la cual lo hace girar.

La gran ventaja de este diseño es que éste puede acelerar un mayor volumen de aire que el turborreactor sin tener que quemar más cantidad de combustible en el proceso, ya que no todo el aire que genera el fan va a la cámara de combustión para ser quemado, sino que es dirigido alrededor y en el exterior de la turbina, el cual genera una cantidad considerable de empuje de aire frío, debido en gran parte al diseño avanzado del fan

Motores para volar

ď‚—

Turbofan (ventilador)

Motores para volar

ď‚—

Turbopropulsor

Motores para volar



Estatorreactor

Funcionan de la siguiente manera: primero el aire que se dirige hacia la entrada del reactor, que esta en movimiento a gran velocidad, donde resulta parcialmente comprimido y aumenta su temperatura por el efecto de presión dinámica. Si la velocidad a la que entra el aire en el motor es lo bastante alta, esta compresión puede ser suficiente y el reactor podría funcionar sin compresor ni turbina.

Motores para volar

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Pulsorreactor

Motores para volar

Como funciona un motor de gasolina Motor de combusti贸n interna Animaci贸n motor 16Valvulas 4 cilindros Motor de dos tiempos

Subaru Boxer Turbo Diesel motor Motor diesel Funcionamiento de la m谩quina de vapor Maqueta de la m谩quina de vapor Locomotora

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Descubrimiento del cálculo integral con sus estudios acerca de las áreas y volúmenes de figuras sólidas curvadas y de áreas de figuras planas; realizó un exhaustivo estudio de la espiral uniforme, conocida como espiral de Arquímedes; determinó el resultado de la serie geométrica de razón 1/4, el más antiguo del que se tiene noticia; creó un sistema numérico posicional para escribir números muy grandes; inventó una máquina para la elevación de agua, el tornillo de Arquímedes, así como la balanza que lleva su nombre; enunció la ley de la palanca lo que le llevó a proferir la célebre frase Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo; inventó la polea compuesta, basada en el principio de la palanca, empleándola para mover un gran barco para sorpresa del escéptico Hierón.

Arquímedes de Siracusa

287-212 a.c. Matemático e Ingeniero



Nació el 9 de junio de 1781 en Wylam, Northumberland (Gran Bretaña). Hijo de un peón minero, en su infancia guardó vacas y no aprendió a leer hasta los 18 años. Posteriormente trabajó como zapatero, sastre y relojero. En 1804 entró en las minas de Killingsworth en sustitución de su padre que se había quedado ciego. Pronto destacó por una serie de prácticos inventos. En 1810, un agricultor de la comarca le enseñó nociones de matemáticas, de mecánica y de química. Dos años más tarde comenzó a ejercer como ingenierodirector de aquellas minas. Inventó una de las primeras lámparas de seguridad que se usaron en las minas, aunque compartió el mérito de la invención con el británico Humphry Davy, que creó una lámpara parecida por la misma época. Sus primeros trabajos en el diseño de la locomotora se limitaron a la construcción de máquinas para transportar cargas en las minas de carbón, y en 1823 creó una fábrica en Newcastle para su producción. En 1829 diseñó una locomotora conocida con el nombre de Rocket, que transportaba tanto cargamento como pasajeros, y a una velocidad superior a la de ninguna otra construida hasta entonces.

George Stephenson

P 路 b 2 = R 路 b1

Fulcro entre la potencia y la resistencias

Palanca de 1er grado

Recuerda la fuerza es igual a la masa x aceleración de la gravedad (10 mts/s2 ) F=masa x g

4 mts 1 mt 200 Kg

?

Si queremos levantar una masa de 200 Kg y las distancias b1 = 1 mt y b2 = a 4 mts, ¿Qué fuerza tenemos que ejercer para conseguirlo?.

Primero calculamos la fuerza a vencer 200 Kg x 10 mt/s2 = 2000 N de fuerza.

Ahora aplicamos la formula de la palanca P X 4 = 1 X 2000  P = 500 N

P · b 2 = R · b1

¡ 4 veces menos!

Palanca de 1er grado

P 路 b 2 = R 路 b1

Resistencia entre el fulcro y la potencia

Palanca de 2er grado

P 路 b2 = R 路 b1

Potencia entre la resistencia y el fulcro

Palanca de 3er grado