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DIGEBR – DES

“TALLER DE ASESORIA PEDAGÓGICA SOBRE USO DE MATERIALES MANIPULATIVOS”

93333

MINISTERIO DE EDUCACIÓN DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN BÁSICA REGULAR

DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SECUNDARIA

RECURSOS TECNOLÓGICOS EDUCACIÓN PARA EL TRABAJO TECNOLOGÍA DE BÁSE

EQUIPO DEL ÁREA EDUCACIÓN PARA EL TRABAJO:

FEBRERO 2010 1 DOCUMENTO DE TRABAJO

DIGEBR – DES

“TALLER DE ASESORIA PEDAGÓGICA SOBRE USO DE MATERIALES MANIPULATIVOS”

ESTRUCTURAS

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.

¿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.

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Puedes reconocer muchas estructuras a simple vista, como la de una grúa, un taburete, un puente o una bicicleta.

Tipos de estructuras 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.

Estructuras artificiales Son todas aquellas que han sido diseñadas construidas

por

el

hombre

para

satisfacer

y 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

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desplazarse los elementos que la integran, como por ejemplo:

una

bisagra,

un

puente

levadizo,

un

pantógrafo, etc.

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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Propiedades de las estructuras 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.

Funciones de las estructuras 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.

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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.

Las estructuras tienen como principal función soportar pesos y cargas sin que se produzca la rotura o deformación excesiva del objeto.

Esfuerzos que soportan las estructuras

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

Tensión

Compresión

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.

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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

Flexión

de libros .

a. De corte o cizalladura 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

b. De Torsión

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.

1 Elementos de las estructuras. DOCUMENTO DE TRABAJO

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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.

•

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: a) Pueden servir para sujetar o colgar vigas, como es el caso de la mayoría de los puentes modernos.

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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.

•

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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“TALLER DE ASESORIA PEDAGÓGICA SOBRE USO DE MATERIALES MANIPULATIVOS” 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:

•

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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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..

Historia de la palanca •

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.

•

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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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).

•

Por el 2500 a. de C. los artesanos de Ur (Mesopotamia) ya empleaban las pinzas en trabajos delicados (palanca de 3er grado).

•

La ley de Arquímedes dice:

Por el 1550 empezó a emplearse en Egipto y Mesopotamia extracción

del

grandes agua

palancas de

los

para ríos,

la que

posteriormente evolucionarían hacia las grandes

"El esfuerzo multiplicado por su distancia al punto de apoyo es igual a la carga multiplicada por su distancia al punto de apoyo".

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.

¿Qué es una palanca? 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)

1 En física, la fórmula de la palanca es:

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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:

Elementos de la palanca 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

•

Importante:

apoyo (fulcro).

Recuerda que la finalidad de

Brazo de resistencia (BR), distancia entre el

una

punto en el que aplicamos la resistencia y el

mover una carga grande a partir

punto de apoyo (fulcro).

de una fuerza o potencia muy

palanca

es

conseguir

pequeña.

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Tipos de palanca 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. 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 .

Algunos ejemplos de palancas de primer grado

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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.

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.

22.- Palanca de segundo grado 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.

Algunos ejemplos de palancas de segundo grado

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Al elevar las varas es posible levantar una pesada carga que se halla más cerca del punto de apoyo, la rueda.

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.

3.- Palanca de tercer grado. 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.

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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 Las cortaúñas son una combinación clara de de tres palancas (el pescante, el móvil y dos palancas que permiten realizar una potente la cuchara) montadas sobre orugas. acción de corte y son fáciles de manipular. El Estas tres palancas accionadas por mango es una palanca de segundo grado que pistones colocar

hidráulicos la

cuchara

que

permiten presiona las dos hojas de corte hasta unirlas.

en

cualquier Las hojas actúan con gran fuerza, y dan lugar a

posición, van montadas sobre una una combinación de palancas de tercer grado. plataforma.

Los filos de las hojas realizan un movimiento corto para vencer la dura resistencia que ofrece la uña.

Ley de la palanca DOCUMENTO DE TRABAJO

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Con los cuatro elementos tecnológicos de una palanca se elabora la denominada 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:

P x BP = R x BR

POTENCIA x BRAZO DE POTENCIA = RESISTENCIA x BRAZO DE RESISTENCIA

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.

RUEDAS Y EJES DOCUMENTO DE TRABAJO

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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.

•

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.

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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...)

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.

Elementos de la rueda DOCUMENTO DE TRABAJO

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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).

Utilidad de las ruedas 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.

•

Transmitir un movimiento giratorio entre ejes (polea, piñón, ruedas de fricción...); como en

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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.

Rodillos 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.

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Utilidad de los rodillos Permite suprimir (más bien minimizar) la fricción que existe entre un objeto y la superficie sobre la

La principal diferencia entre el rodillo y la rueda es que esta se

que se mueve, al convertir el desplazamiento por

desplaza con el objeto que se

deslizamiento en desplazamiento por rodadura.

mueve (va unida a él gracias al eje y el soporte), mientras que

Aunque hay muchos tipos de rodillos y con muchas

el rodillo no permanece fijo en el

aplicaciones (máquinas de escribir, proyectores de

espacio o se traslada a diferente

cine...etc.), se puede decir que las principales

velocidad que el objeto.

utilidades del rodillo se centran en: •

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.

mecanismos

Prácticamente

dotados

de

todos

movimiento

los

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

•

Pasillo rodante.

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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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POLEAS

Imagina que quieres levantar algo muy pesado y no tienes suficiente fuerza en tus músculos para hacerlo...¿cómo lo solucionarías?.

Historia de la polea 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. 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

semicircular,

distintas

triangular...)

formas pero

(plana, 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. P=Q

siendo Q la fuerza peso del cuerpo (carga) , y P la fuerza aplicada (potencia)

Las poleas simples se usan en máquinas en las que se debe cambiar la dirección del movimiento, como por ejemplo un ascensor. •

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

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EXPLICACIÓN

EJEMPLO

Con este sistema reducimos el esfuerzo necesario para levantar el peso a la mitad. Cuantas más poleas móviles menos esfuerzo se realiza.

POLEA MÓVIL

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

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.

POLIPASTO

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

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.

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

DOCUMENTO DE TRABAJO

aumentar,

disminuir

o

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“TALLER DE ASESORIA PEDAGÓGICA SOBRE USO DE MATERIALES MANIPULATIVOS” mantener la velocidad de giro, mientras mantiene 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

ventiladores,

encontrar lavaplatos,

en

lavadoras,

pulidoras,

videos,

multicultores, cortadores de carne, taladros, generadores de electricidad, cortadoras de césped,

transmisiones

compresores,

tornos...

de en

motores, 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.

¿Qué son los engranajes? DOCUMENTO DE TRABAJO

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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. Existen muchos tipos distintos de engranajes. Los más simples son ruedas con dientes o ruedas dentadas. Los engranajes son ruedas provistas de dientes que posibilitan que dos de ellas se conecten entre sí. Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales a la mayor se le denomina corona y la menor piñón.

RECUERDA: Un engranaje sirve para transmitir movimiento circular mediante contacto de ruedas dentadas.

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. 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. DOCUMENTO DE TRABAJO

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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.

Engranajes Cónicos

•

Cremalleras: Se llama cremallera, a dos elementos que engranan de los cuales uno es en forma de

DOCUMENTO DE TRABAJO Aplicaciones de los engranajes

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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. 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 Una de las aplicaciones más importantes de de los un eje a otro distinto, reduciendo o engranajes es la transmisión del movimientoladesde el aumentando velocidad del primero. Incluso algunos eje de una fuente de energía, como puede ser un coloridos y hechos de plástico son usados en motor de combustión internaengranes o un motor eléctrico, hasta otro eje situado a ciertaalgunos distancia y que educativos. ha de juguetes 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 DE TRABAJO compuesto de más deDOCUMENTO un par de ruedas dentadas, se denomina tren de engranajes

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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 Para ejes alejados se usan ruedas dientes rectos o engranaje dentadas y cadenas cuyos eslabones plano 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

Piñones y cremalleras. El sistema de piñón y cremallera, es un par de

Piñón

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. Cremallera

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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

infantiles,

emplea

en

microscopios,

cerraduras, taladros

juegos

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. .

El sistema cadena piñón Podemos verlo en bicicletas, motocicletas, puertas de apertura automática (ascensores, supermercados, aeropuertos...), mecanismos internos de motores; pero solamente permite acoplar ejes paralelos entre si.

Engranajes y fuerza. DOCUMENTO DE TRABAJO

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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.

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.

Engranaje fuerza 1 DOCUMENTO DE TRABAJO

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Una propiedad de los engranajes es que

Eje de Entrada

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 Salida

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.

TORNILLOS SIN FIN 1 DOCUMENTO DE TRABAJO

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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. 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. 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.

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

DOCUMENTO TRABAJO de movimientos giratorios, por lo que DE siempre trabaja unido a otro engranaje.

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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.

•

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.

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Utilidad de la rueda sin fin

El sinfín, acompañado de un piñón (mecanismo

sinfín)

transmite

movimiento

giratorio

entre

perpendiculares

que

se

un ejes

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. Para potencias mayores se utilizan equipos reductores separados del motor. Los reductores consisten en pares de engranajes con gran diferencia de diámetros, de esta 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 másde bajos todas las transmisiones; Las clavijas unade guitarra dicho entre 40 y un Las rendimiento clavijas de se una sitúa guitarra estánunformadas por 90% aproximadamente, de las mecanismos quedependiendo incluyen tornillos sin características fin. De esta del manera, transmisión es muy reductor y delcomo trabajolaalrelación que estáde sometid o. elevada, una vuelta a la clavija motriz que permite girar al tornillo hace que la rueda acoplada al eje

DOCUMENTO TRABAJO sobre el que se enrolla la cuerda gire muyDE poco, con lo que se consigue una gran precisión a la hora de

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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.

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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.

Mecanismo piñón cremallera 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: •

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. ¿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.

Aplicaciones de la cremallera 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

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movimiento de rotación del piñón en un movimiento lineal de la cremallera. En este caso, cuanto mayor sea el ángulo girado por la rueda,

D = 2πR

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:

Puesto

que

la

rueda

en

principio

puede

girar

indefinidamente, debe haber algún sistema que evite

La

velocidad

de

la

cremallera dependerá del

que la cremallera «se salga»; es decir, tras cierto

radio del piñón y de su

recorrido, la cremallera llegará a un tope que evitará que

velocidad de giro. Cuanto

la rueda siga girando.

mayor sea el piñón y más

Tiene gran aplicación en apertura y cierre de puertas

deprisa gire, más rápido

automáticas de corredera, desplazamiento de órganos

se

de algunas máquinas herramientas (taladros, tornos,

cremallera.

desplazará

la

fresadoras...), cerraduras, microscopios, gatos de coche

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.

1 DOCUMENTO DE TRABAJO

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Otra aplicación también de este mecanismo es en la taladradora de columna

•

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.

FAJAS Y CADENAS DE TRANSMISIÓN

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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. 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 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,

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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.

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.

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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.

Componentes de las fajas transportadoras. •

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

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Polea zaguera o tensora, es similar a la cabeza, no lleva motor, generalmente es la parte que recibe al material.

•

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.

SISTEMA DE LEVAS

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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? 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. 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.

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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. 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)

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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.

Seguidor de leva: Según el tipo de movimiento que queramos obtener a la salida, se puede recurrir a dos tipos de seguidores:

Embolo

Palanca

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

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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.

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.

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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. 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 DOCUMENTO DE TRABAJO

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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.

•

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

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excentricidad hace que el ángulo de presión deje de ser nulo cuando el seguidor está en pausa.

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.

¿Qué entendemos por energía? DOCUMENTO DE TRABAJO

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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:

•

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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¿Qué es la energía mecánica? 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.

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)

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Formas de energía. 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 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,

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:

como una liga o un resorte.

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

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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.

Otra forma común de energía potencial es la que posee un muelle cuando se comprime. Esta energía potencial elástica tiene un valor igual a:

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

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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.

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