TEMA 6. - MECÁNICA Máquinas simples. Palancas y poleas

TEMA 6. - MECÁNICA
Máquinas simples. Palancas y poleas. Tornillos y tuercas. Máquinas herramienta:
tipos y características
INTRODUCCIÓN.
La ventaja mecánica se define en máquinas simples, como el cociente entre la fuerza
resistente o carga (FR) y la fuerza aplicada o potencia (FP). Si su valor es mayor que la
unidad, significa que es necesario un esfuerzo menor para llevar a cabo un determinado
trabajo o aguantar el peso de una carga. Cuando la ventaja mecánica es inferior a uno,
sucede todo lo contrario.
Hay que calcular su valor a partir de la masa de la carga y de la aceleración de la
gravedad, resultando
Puede ser de dos tipos, ventaja mecánica teórica (VMT) y ventaja mecánica práctica
(VMP).
La primera es obtenida de las supuestas condiciones ideales (miembros rígidos provistos
de peso, ausencia de fricción, etc.), y se puede deducir a partir de la ley de equilibrio de
la máquina. Siempre es mayor a la segunda, ya que en la práctica no existe el
rendimiento de una máquina al 100%
MÁQUINAS SIMPLES
Una máquina simple es un artefacto mecánico que transforma una fuerza aplicada en
otra resultante, modificando la magnitud de la fuerza, su dirección, la longitud de
desplazamiento o una combinación de ellas.
En una máquina simple se cumple la ley de la conservación de la energía: «la energía ni
se crea ni se destruye; solamente se transforma». La fuerza aplicada, multiplicada por la
distancia aplicada (trabajo aplicado), será igual a la fuerza resultante multiplicada por la
distancia resultante (trabajo resultante). Una máquina simple ni crea ni destruye trabajo
mecánico, sólo transforma algunas de sus características.
No se debe confundir una máquina simple con elementos de máquinas, piezas para
máquinas o sistemas de control o regulación de otra fuente de energía.
TIPOS DE MÁQUINAS Y CLASIFICACIÓN.
Las maquinas inventadas por el hombre se pueden clasificar atendiendo a tres puntos de
vista:
· Numero de operadores (piezas) que la componen.
· Numero de pasos que necesitan para realizar su trabajo.
· Tecnologías que la integran.
Analizando nuestro entorno podemos encontrarnos con maquinas sencillas (como las
pinzas de depilar, el balancín de un parque, un cuchillo, un cortaúñas o una carretilla),
complejas (como el motor de un automóvil o una excavadora) o muy complejas (como
un cohete espacial o un motor de reacción), todo ello dependiendo del número de piezas
empleadas en su construcción.
Palanca para sacar un clavo
También nos podemos fijar en que el funcionamiento de algunas de ellas nos resulta
muy fácil de explicar, mientras que el de otras solo está al alcance de expertos. La
diferencia está en que algunos de ellos solo emplean un paso para realizar su trabajo
(máquinas simples), mientras que otros necesitan realizar gran cantidad de trabajos
encadenados para poder funcionar correctamente (máquinas compuestas).
La mayoría de nosotros podemos describir el funcionamiento de una escalera (solo sirve
para subir o bajar por ella) o de un cortaúñas (realiza su trabajo en dos pasos: una
palanca le transmite la fuerza a otra que es la encargada de apretar los extremos en
forma de cuna); pero nos resulta imposible explicar el funcionamiento de un ordenador,
un motor de automóvil o un satélite espacial.
Cortaúñas
Por último podemos ver que algunas de ellas son esencialmente mecánicas (como la
bicicleta) o electrónicas (como el ordenador); pero la mayoría tienen mezcladas muchas
tecnologías o tipos de energías (una excavadora dispone de elementos que pertenecen a
las tecnologías eléctrica, mecánica, electrónica, hidráulica, neumática, térmica, química,
etc., todo para facilitar la extracción de tierras).
En resumen, vamos a tener dos grandes grupos
– Maquinas simples: Aquellas que tiene un punto de apoyo.
– Maquinas compuestas: Aquellas formadas por dos o más maquinas simples.
Cuando la maquina es sencilla y realiza su trabajo en un solo paso nos encontramos ante
una máquina simple.
Algunos inventos que cumplen las condiciones anteriores son: cuchillo, pinzas, rampa,
cuna, polea simple, rodillo, rueda, manivela, torno, hacha, pata de cabra, balancín,
tijeras, alicates, llave fija, etc.
Las maquinas simples se pueden clasificar en tres grandes grupos que se corresponden
con la principal aplicación de la que derivan: rueda, palanca y plano inclinado.
PALANCAS.
Recibe el nombre de palanca al dispositivo sencillo consistente en una barra que puede
girar en torno a un punto de apoyo.
Como nos vamos a encontrar en todos los casos maquinas simples, siempre vamos a
tener que vencer una resistencia, aplicando una fuerza de menor magnitud que será la
potencia.
Brazo de potencia
Brazo de resistencia
Según los puntos en los que se aplique la potencia (fuerza que provoca el movimiento) y
las posiciones relativas de eje y barra, se pueden conseguir tres tipos diferentes de
palancas a las que se denominan: de primero, segundo y tercer género (o grado).
El esqueleto humano está formado por un conjunto de palancas cuyo punto de apoyo
(fulcro) se encuentra en las articulaciones y la potencia en el punto de unión de los
tendones con los huesos; es por tanto un operador presente en la naturaleza. De este
operador derivan multitud de maquinas muy empleadas por el ser humano
como el cascanueces, alicates, tijeras, pata de cabra, carretilla, remo, pinzas, etc.
Desde el punto de vista tecnológico se pueden estudiar en ella 4 elementos importantes:
potencia, resistencia, brazo de potencia y brazo de resistencia.
· La resistencia o carga (FR) es la fuerza que queremos vencer.
· La potencia o esfuerzo (FP) es la fuerza que tenemos que aplicar a al palanca para
lograr equilibrar la resistencia.
· El brazo de potencia (BP) es la distancia desde el fulcro hasta el punto de aplicación
de la potencia.
· El brazo de resistencia (BR) es la distancia desde el fulcro hasta el punto de
aplicación de la resistencia.
LEY DE LA PALANCA.
Con los elementos anteriores se elabora la denominada ley de la palanca, que dice: La
potencia por su brazo es igual a la resistencia por el suyo.
Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:
FP x BP = FR x BR
FUERZA DE POTENCIA x BRAZO DE POTENCIA = FUERZA DE
RESISTENCIA x BRAZO DE RESISTENCIA
TIPOS.
Según la combinación de los puntos de aplicación de potencia y resistencia y la posición
del fulcro se pueden obtener tres tipos de palancas:
LA PALANCA DE PRIMER GRADO
Permite situar la carga (R, resistencia) a un lado del fulcro y el esfuerzo (P, potencia) al
otro, lo que puede resultar muy cómodo para determinadas aplicaciones (alicates, patas
de cabra, balancines...). Esto nos permite conseguir que la potencia y la resistencia
tengan movimientos contrarios cuya amplitud (desplazamiento de la potencia y de la
resistencia) dependerá de las respectivas distancias al fulcro.
Con estas posiciones relativas se pueden obtener tres posibles soluciones:
1.- Fulcro centrado, lo que implicaría que los brazos de potencia y resistencia fueran
iguales (BP=BR)
Este montaje hace que el esfuerzo y la carga sean iguales (P=R), como también lo serán
los desplazamientos de la potencia y de la resistencia (DP=DR). Es una solución que
solamente aporta comodidad, pero no ganancia mecánica.
2.- Fulcro cercano a la resistencia, con lo que el brazo de potencia sería mayor que el
de resistencia (BP>BR)
Esta solución hace que se necesite un menor esfuerzo (potencia) para compensar la
resistencia (P<R), al mismo tiempo que se produce aun mayor desplazamiento de la
potencia que de la resistencia (DP>DR). Este sistema aporta ganancia mecánica y es el
empleado cuando necesitamos vencer grandes resistencias con pequeñas potencias.
3.- Fulcro cercano a la potencia, por lo que el brazo de potencia sería menor que el de
la resistencia (BP<BR).
Solución que hace que sea mayor el esfuerzo que la carga (P>R) y, recíprocamente,
menor el desplazamiento de la potencia que el de la resistencia (DP<DR). Esta solución
no aporta ganancia mecánica, por lo que solamente se emplea cuando queremos
amplificar el movimiento de la potencia.
La palanca de primer grado se emplea siempre que queramos invertir el sentido del
movimiento. Además:

Podemos mantener la amplitud del movimiento colocando los brazos de
potencia y resistencia iguales.
Al ser una disposición que no tiene
ganancia mecánica, su utilidad se centra en
los mecanismos de comparación o
simplemente de inversión de movimiento.
Esta disposición se emplea, por ejemplo, en
balanzas, balancines de los parques
infantiles...

Podemos reducir la amplitud del movimiento haciendo que el brazo de
potencia sea mayor que el de resistencia.
Este montaje es el único de las palancas de primer grado que tiene ganancia mecánica,
por tanto es de gran utilidad cuando queremos vencer grandes resistencias con pequeñas
potencias, a la vez que invertimos el sentido del movimiento. Se emplea, por ejemplo,
para el movimiento de objetos pesados, balanzas romanas, alicates de corte, patas de
cabra, timones de barco...

Podemos aumentar la amplitud del movimiento haciendo que el brazo de la
resistencia sea mayor que el de la potencia.
Esta solución presenta la
ventaja de que a pequeños
desplazamientos de la potencia
se producen grandes
desplazamientos de la
resistencia, por tanto su
utilidad se centra en
mecanismos que necesiten
amplificar e invertir el
movimiento. Se utiliza, por
ejemplo, en barreras elevables,
timones laterales, pinzas de
cocina...
LA PALANCA DE SEGUNDO GRADO
Permite situar la carga (R, resistencia) entre el fulcro y el esfuerzo (P, potencia). Con
esto se consigue que el brazo de potencia siempre será mayor que el de resistencia
(BP>BR) y, en consecuencia, el esfuerzo menor que la carga (P<R). Este tipo de
palancas siempre tiene ganancia mecánica.
Esta disposición hace que los movimientos de la potencia y de la resistencia se realicen
siempre en el mismo sentido, pero la carga siempre se desplaza menos que la potencia
(DR<DP), por tanto es un montaje que atenúa el movimiento de la potencia.
Al ser un tipo de máquina cuya principal ventaja es su ganancia mecánica, su utilidad
principal aparece siempre que queramos vencer grandes resistencias con pequeñas
potencias. Se emplea en cascanueces, carretillas, cortaúñas, remos...
LA PALANCA DE TERCER GRADO
Permite situar el esfuerzo (P, potencia) entre el fulcro (F) y la carga (R, resistencia).
Con esto se consigue que el brazo de la resistencia siempre será mayor que el de la
potencia (BR>BP) y, en consecuencia, el esfuerzo mayor que la carga (P>R). Este tipo
de palancas nunca tiene ganancia mecánica.
Esta disposición hace que los movimientos de la potencia y de la resistencia se realicen
siempre en el mismo sentido, pero la carga siempre se desplaza más que la potencia
(DR>DP). Es un montaje, por tanto, que amplifica el movimiento de la potencia, lo que
constituye su principal ventaja.
Al ser un tipo de máquina que no tiene ganancia mecánica, su utilidad práctica se centra
únicamente en conseguir grandes desplazamientos de la resistencia con pequeños
desplazamientos de la potencia. Se emplea en pinzas de depilar, cortaúñas, cañas de
pescar.
Es curioso que está palanca sea la única presente en la naturaleza, pues forma parte del
sistema mecánico de los vertebrados.
TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO.
A la hora de transmitir un movimiento tenemos que tomar decisiones sobre dos
cuestiones: dirección y amplitud del movimiento.
Si queremos invertir el sentido del movimiento tenemos que recurrir a una palanca de
primer grado.
Podemos reducir la amplitud del movimiento haciendo que el brazo de potencia sea
mayor que el de resistencia.
Podemos mantener la amplitud del movimiento colocando los brazos de potencia y
resistencia iguales.
Podemos aumentar la amplitud del movimiento haciendo que el brazo de potencia sea
menor que el de resistencia.
Si queremos mantener el sentido del movimiento tenemos que recurrir a una palanca
de segundo grado o a una de tercer grado. La elección se hará en función de la
amplitud
Podemos disminuir la amplitud del movimiento con una palanca de segundo grado,
ya que el brazo de potencia es mayor que el de resistencia.
Podemos aumentar la amplitud del movimiento con una palanca de tercer grado, ya
que el brazo de potencia es menor que el de la resistencia.
Matemáticamente podríamos poner:
COMUNICACIÓN DE UNA FUERZA.
A la hora de comunicar una fuerza, la elección de la palanca se hará en función de la
posición relativa de potencia, resistencia y fulcro y de la necesidad de disponer de
ganancia mecánica o no.
La palanca de primer grado permite situar carga y esfuerzo a ambos lados del fulcro,
con esta posiciones relativas se pueden obtener tres posibles soluciones:
Fulcro centrado, lo que implicaría que los brazos de potencia y resistencia fueran
iguales y, por tanto, iguales también el esfuerzo y la carga.
Fulcro cercano a la resistencia, con lo que el brazo de potencia seria mayor que el de
resistencia y, por ello, se necesitaría menor esfuerzo para compensar la resistencia.
Fulcro cercano a la potencia, por lo que el brazo de potencia seria menor que el de la
resistencia y, por tanto, mayor el esfuerzo que la carga.
La palanca de segundo grado permite colocar la carga entre el fulcro y el esfuerzo.
La palanca de tercer grado permite colocar la potencia entre el fulcro y la resistencia.
LA POLEA
Se define a la polea como la maquina simple que se acciona mediante una correa o
cuerda, teniendo ruedas que giran alrededor de un eje. Transmiten fuerzas o
movimientos.
POLEA FIJA
La polea es un caso especial de palanca (maquina simple) presentando una rueda que
gira alrededor de un eje (punto de apoyo o fulcro), teniendo un canal por el cual pasa la
correa o cuerda, colocándose en un extremo un peso (resistencia), y en el otro se le
aplica una fuerza (potencia).
Su ley de equilibrio se basa en la ley de equilibrio de las maquinas simples, y es:
FP ・ bP = FR ・ bR
Siendo bP y bR el radio, por ello:
FP ・ r = FR ・ r
Debido a ello:
FP = FR
Esto supone que no ahorramos esfuerzo.
La misma formulación ocurre cuando en lugar de utilizar los momentos en la ecuación
de equilibrio, utilizamos los trabajos (trabajo motor y trabajo resistente).
POLEA MÓVIL.
La polea móvil consta de un mínimo de dos poleas, una fija y la otra móvil que presenta
la resistencia conectada a la fija a través de la correa o cuerda. La cuerda al ser
paralelas, se observa que al aplicar la potencia, la cuerda baja una longitud h y la cuerda
conectada a la polea móvil sube una altura h/2.
Si al aplicar la ley de equilibrio mediante la aplicación del trabajo tenemos lo siguiente:
WP = FP ・ h
WR = FR ・ h/2
y
De aquí vamos a deducir lo siguiente:
WP = WR
FP ・ h = FR ・ h/2
Despejando la potencia, tenemos:
FP = (FR ・ h)/(2 ・ h)
Simplificando la altura h nos queda:
FP = FR/2
Por lo cual con este dispositivo, el esfuerzo realizado es la mitad.
POLIPASTO.
Recibe el nombre de polipasto al conjunto de dispositivos de polea movil accionados
por una sola cuerda.
En este caso, si solo hubiera una polea móvil, la altura a la que se elevaría un peso seria:
L’ = h/2
L=h
Siendo L la longitud de la cuerda y L’ la altura elevada. De aquí se deduce que:
L = 2 ・ L’
Si tenemos conectadas N poleas seria:
L = 2 ・ n ・ L’
Aplicando la ley de equilibrio tendríamos como resultado:
FP = FR/(2 ・ n)
Por lo tanto, cuantas más poleas se utilicen menor será el esfuerzo, aunque es
conveniente utilizar entre dos y cinco poleas.
POLIPASTO POTENCIAL.
Finalmente el polipasto, es una combinación de poleas donde la primera polea móvil (de
la imagen de arriba), comenzando desde abajo, economiza la fuerza necesaria para
equilibrar la resistencia (FR) a la mitad (FR/2), La segunda polea móvil economiza la
mitad de la polea anterior (FR/4), la tercera polea móvil reduce esta cuarta parte a la
octava, la mitad, (FR/8).
La función de la polea fija es facilitar el movimiento (sus ventajas nombradas al
principio) y mantener el equilibrio.
En general, para un aparejo con un numero ‘n’ de poleas móviles, la condición de
equilibrio es:
FP = FR/2n
La fuerza motora es igual a la resistencia dividida en 2 elevado al número de poleas.
El numero n de poleas móviles aparece como exponente de 2, y las potencias de 2
figuran como divisores de la resistencia; de ahí que este sistema de poleas se llama
aparejo potencial.
PLANO INCLINADO
El concepto, por lo general, permite nombrar a la maquinaria simple lograda a partir
de un área plana capaz de lograr respecto a la base un ángulo agudo y que se usa para
elevar un cuerpo a una determinada altura. Esto ayuda a que se requiera una menor
fuerza para levantar el cuerpo que si se tratara de elevarlo de manera vertical. A mayor
longitud recorrida menor esfuerzo
[
Descripción
El plano inclinado
es una superficie
plana que forma
con otra un ángulo
muy agudo (mucho
menor de 90º). En
la naturaleza
aparece en forma
de rampa, pero el
ser humano lo ha
adaptado a sus
necesidades
haciéndolo móvil,
como en el caso del
hacha o del
cuchillo.
Utilidad
El plano inclinado es el punto de partida de un nutrido grupo de operadores y
mecanismos cuya utilidad tecnológica es indiscutible. Sus principales aplicaciones son
tres:

Se
emplea en
forma de
rampa
para
reducir el
esfuerzo
necesario
para
elevar
una masa
(carretera
s, subir
ganado a
camiones,
acceso a
garajes
subterrán
eos,
escaleras.
..).


En forma de hélice para
convertir un movimiento
giratorio en lineal (tornillo
de Arquímedes, tornillo,
sinfín, hélice de barco,
tobera...)
En forma de cuña para apretar
(sujetar puertas para que no se
cierren, ensamblar piezas de
madera...), cortar (cuchillo,
tijera, sierra, serrucho...) y
separar o abrir (hacha, arado,
formón, abrelatas...).
RAMPA
Descripción
La rampa es una superficie plana que forma un ángulo agudo con la horizontal.
La rampa viene definida por su
inclinación, que puede expresarse por el
ángulo que forma con la horizontal o en
porcentaje (relación entre la altura
alcanzada respecto a lo que avanza
horizontalmente, multiplicado por 100).
Este último es el que se emplea usualmente
para indicar la inclinación de las carreteras.
Utilidad
La rampa es un plano inclinado cuya utilidad se centra en dos aspectos: reducir el
esfuerzo necesario para elevar un peso y dirigir el descenso de objetos o líquidos.
Reducción del esfuerzo. La rampa
permite elevar objetos pesados de
forma más sencilla que haciéndolo
verticalmente. El recorrido es mayor
(pues el tablero de la rampa siempre
es más largo que la altura a salvar),
pero el esfuerzo es menor.
Podemos encontrar rampas con esta
utilidad en carreteras, vías de tren,
rampas para acceso a garajes,
escaleras, acceso de minusválidos,
puertos pesqueros, piscinas...
Dirigir el descenso de objetos o líquidos.
Cuando se quiere canalizar el movimiento
descendente de un objeto también se recurre a
la rampa, pues añadiéndole unas simples guías
(o empleando tubos inclinados) se puede
conseguir que el camino seguido sea el que
nosotros queremos, evitando desviaciones no
deseadas.
Con esta utilidad se emplea en tejados,
canalones, toboganes, acueductos, boleras,
parques acuáticos, máquinas expendedoras,
teléfonos públicos (guía para las monedas)...
CUÑA
Descripción
De forma sencilla se podría describir como un
prisma triangular con un ángulo muy agudo.
También podríamos decir que es una pieza
terminada en una arista afilada que actúa como un
plano inclinado móvil.
Se encuentra fabricada en madera, acero, aluminio, plásticos...
Estudio de las fuerzas
La cuña es un
amplificador de
fuerzas (tiene
ganancia
mecánica). Su
forma de actuar
es muy simple:
transforma una
fuerza aplicada
en dirección al
ángulo agudo
(F) en dos
fuerzas
perpendiculares
a los planos
que forman la
arista afilada
(F1 y F2); la
suma vectorial
de estas fuerzas
es igual a la
fuerza aplicada.
Las fuerzas resultantes son mayores cuanto menor es el ángulo de la cuña.
Utilidad
La cuña es sumamente versátil y forma parte de multitud de mecanismo de uso
cotidiano. Algunas de sus utilidades prácticas son:

Modificar la dirección de una
fuerza. Pues convierte una
fuerza longitudinal en dos
fuerzas perpendiculares a los
planos que forman el ángulo
agudo. Esta utilidad es la
empleada para abrir o separar
cuerpos: obtener tablones de
los árboles, partir piedras en
canteras, cerrar o abrir los
dientes de una cremallera...

Convertir un movimiento lineal en otro perpendicular. Si combinamos dos cuñas
podemos convertir el movimiento lineal de una en el desplazamiento
perpendicular de la otra creando una gran fuerza de apriete. Esta utilidad es
especialmente apreciada en el ajuste de ensambles en madera, sujección de
puertas, ajuste de postes en la construcción, llaves de cerraduras...

Herramienta de corte,
bien haciendo uso de
la arista afilada
(cuchillo, abrelatas,
tijeras, maquinilla
eléctrica, cuchilla de
torno...) o recurriendo
al tallado de pequeñas
cuñas (dientes de
sierra) que en su
movimiento de avance
son capaces de
arrancar pequeñas
virutas (sierra para
metales, serrucho,
sierra mecánica, fresa,
lima...).
EL TORNO.
Utilidad
Permite convertir un movimiento
giratorio en uno lineal continuo, o
viceversa. Este mecanismo se
emplea para la tracción o elevación
de cargas por medio de una cuerda.
Ejemplos de uso podrían ser:


Obtención de un
movimiento lineal a partir
de uno giratorio en: grúas
(accionado por un motor
eléctrico en vez de una
manivela), barcos (para
recoger las redes de pesca,
izar o arriar velas, levar
anclas...), pozos de agua
(elevar el cubo desde el
fondo), elevalunas de los
automóviles...
Obtención de un
movimiento giratorio a
partir de uno lineal en:
peonzas (trompos), arranque
de motores fuera-borda,
accionamiento de juguetes
sonoros para bebés...
Descripción
Básicamente consiste en un cilindro horizontal (tambor) sobre el que se enrolla (o
desenrolla) una cuerda o cable cuando le comunicamos un movimiento giratorio a su
eje.
Para la construcción de este mecanismo
necesitamos, al menos: dos soportes, un
eje, un cilindro (tambor) y una manivela
(el eje y el cilindro han de estar unidos,
de forma que ambos se muevan
solidarios). A todo esto hemos de añadir
una cuerda, que se enrolla alrededor del
cilindro manteniendo un extremo libre.
Los soportes permiten mantener el eje del
torno en una posición fija sobre una base;
mientras que la manivela es la encargada
de imprimirle al eje el movimiento
giratorio (en sistemas más complejos se
puede sustituir la manivela por un motor
eléctrico con un sistema multiplicador de
velocidad).
Este sistema suele complementarse con un trinquete para evitar que la manivela gire en
sentido contrario llevada por la fuerza que hace la carga.
En la realidad se suele sustituir la manivela por un sistema motor-reductor (motor
eléctrico dotado de un reductor de velocidad).
Características
Este mecanismo se comporta exactamente igual que una palanca, donde:


... el brazo de potencia (BP) es el brazo de la manivela (radio de la manivela)
...el brazo de resistencia (BR) es el radio del cilindro en el que está enrollada la
cuerda
Para que el
sistema tenga
ganancia
mecánica
(P<R) es
necesario que
el brazo de
potencia
(brazo de la
palanca) sea
mayor que el
brazo de la
resistencia
(radio del
cilindro).
Si la manivela
tuviera el
mismo radio
que el tambor,
tendríamos
que hacer la
misma fuerza
que si
tiráramos
directamente
de la cuerda
(P=R).
TORNILLOS Y TUERCAS
El tornillo es un operador que deriva directamente del plano inclinado y siempre trabaja
asociado a un orificio roscado.
Básicamente puede definirse como un plano inclinado enrollado sobre un cilindro, o lo
que es más realista, un surco helicoidal tallado en la superficie de un cilindro (si está
tallado sobre un cilindro afilado o un cono tendremos un tirafondo).
Partes de un tornillo
En él se distinguen tres partes básicas: cabeza, cuello y rosca:
La cabeza permite sujetar el tornillo o imprimirle un movimiento giratorio con la ayuda
de útiles adecuados; el cuello es la parte del cilindro que ha quedado sin roscar (en
algunos tornillos la parte del cuello que está más cercana a la cabeza puede tomar otras
formas, siendo las más comunes la cuadrada y la nervada) y la rosca es la parte que
tiene tallado el surco.
Además cada elemento de la rosca tiene su propio nombre; se denomina filete o hilo a
la parte saliente del surco, fondo o raiz a la parte baja y cresta a la más saliente.
Rosca derecha o izquierda
Según se talle el surco (o, figuradamente, se
enrolle el plano) en un sentido u otro
tendremos las denominadas rosca derecha
(con el filete enrollado en el sentido de las
agujas del reloj) o rosca izquierda (enrollada
en sentido contrario).
La más empleada es la rosca derecha, que hace
que el tornillo avance cuando lo hacemos girar
sobre una tuerca o un orificio roscado en el
sentido de las agujas del reloj (el tornillo
empleado en los grifos hace que estos cierren
al girar en el sentido de las agujas del reloj, lo
mismo sucede con lo tapones de las botellas de
bebida gaseosa o con los tarros de mermelada).
Rosca sencilla o múltiple
Se pueden tallar simultáneamente uno, dos o
más surcos sobre el mismo cilindro, dando
lugar a tornillos de rosca sencilla, doble,
triple... según el número de surcos tallados
sea uno, dos, tres...
La más empleada es la rosca sencilla,
reservando las roscas múltiples para
mecanismos que ofrezcan poca resistencia al
movimiento y en los que se desee obtener un
avance rápido con un número de vueltas
mínimo (mecanismos de apertura y cierre de
ventanas o trampillas).
Identificación
Todo tornillo se identifica mediante 5 características básicas: cabeza, diámetro,
longitud, perfil de rosca y paso de rosca.

La cabeza permite sujetar el tornillo o imprimirle el movimiento giratorio con la
ayuda de útiles adecuados (Los más usuales son llaves fijas o inglesas,
destornilladores o llaves Allen). Las más usuales son la forma hexagonal o
cuadrada, pero también existen otras (semiesférica, gota de sebo, cónica o
avellanada, cilíndrica...).



El diámetro es el grosor del tornillo medido
en la zona de la rosca. Se suele dar en
milímetros, aunque todavía hay algunos tipos
de tornillos cuyo diámetro se da en pulgadas.
La longitud del tornillo es lo que mide la
rosca y el cuello juntos.
El perfil de rosca hace referencia al perfil del filete con el que se ha tallado el
tornillo; los más empleados son:
Las roscas en "V" aguda suelen emplearse para instrumentos de precisión (tornillo
micrométrico, microscopio...); la Witworth y la métrica se emplean para sujeción
(sistema tornillo-tuerca); la redonda para aplicaciones especiales (las lámparas y
portalámparas llevan esta rosca); la cuadrada y la trapezoidal se emplean para la
transmisión de potencia o movimiento (grifos, presillas, gatos de coches...); la dientes
de sierra recibe presión solamente en un sentido y se usa en aplicaciones especiales
(mecanismos dónde se quiera facilitar el giro en un sentido y dificultarlo en otro, como
tirafondos, sistemas de apriete...).

El paso de rosca es
la distancia que
existe entre dos
crestas
consecutivas.
Si el tornillo es de
rosca sencilla, se
corresponde con lo
que avanza sobre la
tuerca por cada
vuelta completa. Si
es de rosca doble el
avance será igual al
doble del paso.
Es importante aclarar que según el perfil de la rosca se define el tipo de rosca. Los más
comunes para sujeción son Withworth y métrica. Estos tipos de rosca están
normalizados, lo que quiere decir que las dimensiones de diámetro, paso, ángulo del
filete, forma de la cresta y la raiz, etc... ya están predefinidas.
La rosca métrica se nombra o designa mediante una M mayúscula seguida del diámetro
del tornillo ( en milímetros). Asi, M8 hace referencia a una rosca métrica de 8 mm de
grosor.
Si el tornillo es métrico de rosca fina (tiene un paso menor del normal), la designación
se hace añadiendo el paso a la nomenclatura anterior. Por ejemplo, M20x1,5 hace
referencia a un tornillo de rosca métrica de 20 mm de diámetro y 1,5 mm de paso.
Utilidad
El tornillo es en realidad un mecanismo de desplazamiento (el sistema tornillo-tuerca
transforma un movimiento giratorio en uno longitudinal), pero su utilidad básica es la
de unión desmontable de objetos, dando lugar a dos formas prácticas de uso:
Combinado con una tuerca permite
comprimir entre esta y la cabeza del
tornillo las piezas que queremos unir.
En este caso el tornillo suele tener
rosca métrica y es usual colocar
arandelas con una doble función:
proteger las piezas y evitar que la unión
se afloje debido a vibraciones. Lo
podemos encontrar en la sujeción de
farolas o motores eléctricos,
abrazaderas, estanterías metálicas
desmontables...
Empleando
como tuerca
las propias
piezas a
sujetar. En
este caso es
usual que el
agujero de la
pieza que toca
la cabeza del
tornillo se
taladre con un
diámetro
ligeramente
superior al del
tornillo,
mientras que
la otra pieza
(la que hace
de tuerca) esté
roscada. Se
emplea para
sujetar chapas
(lavadoras,
neveras,
automóviles...)
o piezas
diversas
(juguetes,
ordenadores...)
sobre
estructuras.
TUERCA
Descripción
La tuerca puede describirse como
un orificio redondo roscado
(surco helicoidal tallado en el
interior del orificio) en el interior
de un prisma y trabaja siempre
asociada a un tornillo.
Si se practica un orificio redondo
en un operador y después se
rosca, tendremos, a todos los
efectos, un operador que hace de
tuerca (aunque no sea una tuerca
propiamente dicha).
Tipos de roscas
La rosca empleada en las tuercas tiene las mismas características que las dadas para los
tornillos (derecha o izquierda, sencilla o múltiple, métrica o cuadrada o truncada o
redonda...).
Identificación
Toda tuerca se identifica, básicamente, por 4 características: nº de caras, grosor,
diámetro y tipo de rosca.

El número de caras de las tuercas suele ser 6 (tuerca hexagonal) ó 4 (tuerca
cuadrada). Sobre estos modelos básicos se pueden introducir diversas
variaciones que imprimen a la tuerca características especiales (ciega, con
reborde, ranurada...). Un modelo de tuerca muy empleado es la palomilla (rueda
de las bicicletas, tendederos de ropa...), que contiene dos planos salientes para
facilitar el giro de la tuerca empleando solamente las manos.



El grosor es la longitud de la tuerca.
El diámetro hace referencia al diámetro del
tornillo que encaja en ella. Este diámetro no es
el del agujero, sino el que aparece entre los
fondos de la rosca.
El tipo de rosca se refiere al perfil de la rosca
(que está normalizado) junto con el diámetro
del tornillo que encaja en ella.
Utilidad
Las tuercas son operadores que siempre trabajan en conjunción con un tornillo. Su
utilidad se centra es dos apartados: Unión desmontable de objetos y Mecanismo de
desplazamiento.

Como unión desmontable se
emplea colocando entre ella y
la cabeza del tornillo las piezas
que queremos unir. Al girar la
tuerca esta se desplaza hacia el
tornillo y atrapa con fuerza las
dos piezas en su interior. Este
sistema lo podemos encontrar
en sistemas de fijación de
farolas, motores, unión de
chapas, estanterías metálicas...

Como mecanismo de
desplazamiento no suele
emplearse una tuerca
propiamente dicha, sino
más bien un agujero
roscado en otro operador,
de forma que este, haciendo
las veces de una tuerca, se
desplaza con cada giro del
tornillo (también es posible
que el que se desplace con
el giro sea el tornillo). Esto
da lugar al mecanismo
denominado tornillo tuerca
que podemos encontrar en
prensas, presillas, grifos,
lápiz de labios, pegamento
en barra...
Además de lo anterior, las tuercas también se emplean en forma de tapa de tarros y
botellas, de tal forma que cuando giramos la tapa esta avanza en dirección al cuerpo
(que hace de tornillo) y produce una unión desmontable muy fiable. Esta aplicación la
encontramos en casi todas las conservas de cristal, lociones, geles de baño...
HUSILLO
Descripción
El husillo es un tornillo sin cabeza, muy largo
en relación a su diámetro.
Puesto que es un operador diseñado para la
transmisión de movimiento emplea un perfil
de rosca cuadrado o trapezoidal para reducir
al máximo el rozamiento.
Utilidad
En combinación con una tuerca o un orifio
roscado en otro operador, se emplea para
convertir un movimiento giratorio en uno
longitudinal, dando lugar al denominado
sistema tornillo-tuerca. Lo podemos
encontrar en tornos, fresadoras, presillas,
prensas, pegamento en barra...
El tirafondo es un tornillo afilado dotado de
una cabeza diseñada para imprimirle un giro
con la ayuda de un útil (llave fija,
destornillador, llave Allen...).
El diseño de la rosca se hace en función del tipo de material en el que ha de penetrar. Se
fabrican tirafondos con roscas especiales para chapas metálicas (aluminio, latón,
acero...), maderas (naturales, aglomerados, contrachapados, DM...), plásticos, materiales
cerámicos, tacos...
Existen multitud de modelos de tirafondos que se diferencian, principalmente, por el
tipo de cabeza, el útil necesario para imprimirle el giro y el tipo de rosca; a ello hemos
de añadir los aspectos dimensionales: longitud y grosor.
Utilidad
Su utilidad
principal se
centra en la
unión
desmontable
de objetos en
las que el
propio objeto
es el que hace
de tuerca. Los
materiales que
puede unir son
muy diversos:
plásticos,
maderas,
metales... Se
emplean
mucho en
automóviles,
estanterías,
juguetes,
ordenadores...
MÁQUINAS HERRAMIENTA: TIPOS Y CARACTERÍSTICAS
El procedimiento de conformación por arranque de viruta está basado en la obtención
de las superficies elementales que constituyen una pieza (planas, cilíndricas, cónicas,
etc.) por separación de capas delgadas de material en forma de viruta. La separación de
viruta está motivada por el procedimiento relativo (movimiento de corte) de la pieza y
el filo de una herramienta que penetra en ella. Además del movimiento de corte, el
mecanizado necesita la concurrencia de otros dos movimientos: el de avance y el de
penetración.
En general se entiende por máquina a un artilugio para aprovechar, dirigir y regular
la acción de una fuerza y se aplica la definición de herramienta a aquellos
instrumentos que pone en movimiento la mano del hombre.
Por tanto, se conoce con el nombre de máquina - herramienta a toda máquina que
por procedimientos mecánicos, hace funcionar una herramienta, sustituyendo la
mano del hombre. Una máquina herramienta tiene por objetivo principal sustituir el
trabajo manual por el trabajo mecánico, en la fabricación de piezas.
Esquemáticamente el proceso que se desarrolla en una máquina herramienta puede
representarse así: Un producto semielaborado (preforma) penetra en la máquina y,
después de sufrir pérdida de material, sale con las dimensiones y formas deseadas;
todo merced al movimiento y posición relativos de pieza y herramienta.
Como el arranque de material supone vencer las tensiones que se oponen a este
proceso, hay implícito en ello un trabajo que vendrá determinado por diversos
factores, según las condiciones en que se realice: avance, profundidad de corte,
sección de viruta, volumen de viruta arrancada, velocidad de corte, esfuerzo de
corte, y potencia absorbida en el mismo.
1.1. Clasificación de las máquinas - herramientas:
Las máquinas herramientas se clasifican, fundamentalmente, en dos grupos:
a) máquinas herramientas que trabajan por arranque de material, y
b) máquinas herramientas que trabajan por deformación. A su vez estas se
clasifican en:
A) Máquinas herramientas con arranque de material:
1. Arranque de grandes porciones de material:
- Cizalla.
- Tijera.
- Guillotina.
2. Arranque de pequeñas porciones de material:
- Tornos. Tornos revólver y automáticos. Tornos especiales.
- Fresadoras.
- Mandrinadoras y mandrinadoras fresadoras.
- Taladros.
- Máquinas para la fabricación de engranes.
- Roscadoras.
- Cepilladoras, limadoras y mortajas.
- Brochadoras.
- Centros de mecanizado (con almacén y cambio automático de
herramienta).
- Máquinas de serrar y tronzadoras.
- Unidades de mecanizado y máquinas especiales.
3. Arranque de finas porciones de material:
- Rectificadoras.
- Pulidoras, esmeriladoras y rebarbadoras.
- Máquinas de rodar
-
Máquinas de mecanizado por procesos físico-químicos (láser,...).
B) Máquinas herramientas por deformación del material:
- Prensas mecánicas, hidráulicas y neumáticas.
- Máquinas para forjar.
- Máquinas para el trabajo de chapas y bandas.
- Máquinas para el trabajo de barras y perfiles.
- Máquinas para el trabajo de tubos.
- Máquinas para el trabajo del alambre.
- Máquinas para fabricar bulones, tornillos, tuercas y remaches.
2. EL TORNO
2.1. Fundamento:
En esta máquina, el arranque de viruta se produce al acercar la herramienta a la
pieza en rotación, mediante el movimiento de ajuste. Al terminar una revolución
completa, si no hubiera otros movimientos, debería interrumpirse la formación de
viruta; pero como el mecanizado se ha de realizar, además de en profundidad (según
la dirección de ajuste), en longitud (según el eje de rotación de la pieza), la
herramienta deberá llevar un movimiento de avance. Según sea éste paralelo o no al
eje de giro se obtendrán superficies cilíndricas o cónicas respectivamente. Se deduce
de aquí que las partes esenciales del torno serán, aparte de la bancada, las que
proporcionen los tres movimientos, de ajuste, avance y corte.
El torno más corriente es el llamado torno paralelo; los otros se consideran como
especiales.
2.2. Partes principales del torno paralelo:
El torno paralelo se compone de las siguientes partes principales:
1º) Bancada: Es un zócalo de fundición soportado por uno o más pies, que sirve de
apoyo y guía a las demás partes principales del torno. La fundición debe ser de la
mejor calidad; debe tener dimensiones apropiadas y suficientes para soportar las
fuerzas que se originan durante el trabajo, sin experimentar deformación apreciable,
aún en los casos más desfavorables. Para facilitar la resistencia suele llevar unos
nervios centrales.
Las guías han de servir de perfecto asiento y permitir un deslizamiento suave y sin
juego al carro y contracabezal. Deben estar perfectamente rasqueteadas o rectificadas.
2º) Cabezal: Es una caja fijada al extremo de la bancada por medio de tornillos o
bridas. En ella va alojado el eje principal, que es el que proporciona el movimiento a la
pieza. En su interior suele ir alojado el mecanismo para lograr las distintas velocidades,
que se seleccionan por medio de mandos adecuados, desde el exterior.
El mecanismo que más se emplea para lograr las distintas velocidades es por medio de
trenes de engranajes. Los principales sistemas empleados en los cabezales de los tornos
son:
Cabezal monopolea: El movimiento proviene de un eje, movido por una polea única.
Las distintas velocidades o marchas se obtienen por desplazamiento de engranajes.
Transmisión directa por motor: En lugar de recibir el movimiento a través de una
polea, lo pueden recibir directamente desde un motor. En este tipo de montaje es
normal colocar un embrague, para evitar el cambio brusco del motor, al parar o invertir
el sentido de la marcha. La potencia al transmitir es más directa, pues se evitan
pérdidas por deslizamiento de correas.
Caja de cambios: Otra disposición muy frecuente es la colocación de una caja o
cambio, situada en la base del torno; desde allí se transmite el movimiento hasta el
cabezal por medio de correas. Este sistema se presta muy bien para tornos rápidos y,
sobre todo, de precisión. El eje principal queda descargado de tensiones, haciendo que
la polea apoye en soportes adecuados.
Variador de velocidades: Para lograr una variación de velocidades, mayor que las
limitadas por los mecanismos anteriores, se emplean en algunos tornos variadores de
velocidad mecánicos o hidráulicos.
3º) Eje principal: Es el órgano que más esfuerzos realiza durante el trabajo. Por
consiguiente, debe ser robusto y estar perfectamente guiado por los rodamientos, para
que no haya desviaciones ni vibraciones. Para facilitar el trabajo en barras largas suele
ser hueco. En la parte anterior lleva un cono interior, perfectamente rectificado, para
poder recibir el punto y servir de apoyo a las piezas que se han de tornear entre puntos.
En el mismo extremo, y por su parte exterior, debe llevar un sistema para poder
colocar un plato portapiezas.
4º) Contracabezal o cabezal móvil: El contracabezal o cabezal móvil, llamado
impropiamente contrapunta, consta de dos piezas de fundición, de las cuales una se
desliza sobre la bancada y la otra puede moverse transversalmente sobre la primera,
mediante uno o dos tornillos.
5º) Carros: En el torno la herramienta cortante se fija en el conjunto denominado
carro. La herramienta debe poder acercarse a la pieza, para lograr la profundidad de
pasada adecuada y, también, poder moverse con el movimiento de avance para lograr
la superficie deseada. Las superficies que se pueden obtener son todas las de
revolución: cilindros y conos, llegando al límite de superficie plana. Por tanto, la
herramienta debe poder seguir las direcciones de la generatriz de estas superficies. Esto
se logra por medio del carro principal, del carro transversal y del carro inclinable.
2.5. Trabajos que se hacen con el torno paralelo:
Los trabajos característicos que se hacen en el torno paralelo son:
- Cilindrado exterior e interior.
- Refrentado.
- Torneado de conos exteriores.
- Troceado y ranurado.
- Otros trabajos de torneado.
- Roscado en el torno.
- Cilindrado exterior: Es una operación para dar forma y dimensiones a la
superficie lateral de un cilindro recto de revolución. Se emplea siempre la
herramienta adecuada, recta o curvada, de acuerdo con la operación de desbaste
o de acabado. La posición debe ser correcta para que se pueda realizar toda la
longitud de la pasada sin interrupciones.
- Refrentado: Se llama así a la realización de superficies planas en el torno. El
refrentado puede ser completo, en toda la superficie libre, o parcial, en
superficies limitadas. También existe el refrentado interior.
- Troceado: Consiste en cortar una pieza en partes.
Torneado de interiores o mandrinado:
Esta operación consiste en realizar cilindros o conos interiores, cajas, ranuras,
etc. Como en el taladrado, el montaje debe ser tal que deje libre el extremo de la
pieza.
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3. LA FRESADORA
La fresadora es una máquina-herramienta con movimiento de corte circular en el
que la herramienta (fresa) presenta corte múltiple. El trabajo en ella se caracteriza
porque el material cambia continuamente de forma durante el mismo y el contacto
de la herramienta con la pieza es intermitente. Esto supone que las virutas
arrancadas son cortas y el contacto de la cuchilla con el material, breve; como el
movimiento de la herramienta es circular, hay un intervalo en que ésta gira en vacío,
sin cortar, hasta que toma su puesto la cuchilla inmediata, lo cual supone que en ese
tiempo puede refrigerarse y el calentamiento es menor. Se puede, por tanto, trabajar
con mayores velocidades de corte.
El movimiento principal o de corte lo realiza la fresa, mientras que los de avance y
penetración, en general, la pieza. De estos tres movimientos, los de corte y avance
son realizados por la máquina. Por fresado pueden obtenerse piezas muy diversas:
superficies planas y curvas, roscas, ranuras, dientes de engranajes, etc.
3.1. Clasificación de las fresadoras:
La clasificación de las fresadoras suele hacerse con el siguiente criterio:
- Por la posición del husillo de trabajo: horizontales o verticales.
- Por el número de husillos.
- Por los movimientos de la fresa: simples, universales, paralelas y de planear.
- Por la forma de trabajo: para cualquier tipo de fresado el principio de
funcionamiento responde esquemáticamente al expuesto para la fresadora
horizontal.
No obstante, según otro criterio, la gran variedad de fresadoras existentes
puede reducirse a tres tipos principales:
Fresadora horizontal: Esencialmente consta de una bancada vertical, llamada cuerpo
de la fresadora, a lo largo de una de cuyas caras se desliza una escuadra llamada
ménsula, o consola, sobre la cual, a su vez, se mueve un carro portamesa que soporta la
mesa de trabajo, en la que se fija la pieza que se ha de fresar. En la parte superior de la
bancada están alojados los cojinetes, sobre los que gira el árbol o eje principal, que
puede ir prolongado por un eje portafresas.
Esta fresadora se llama universal cuando la mesa de trabajo puede girar alrededor de
un eje vertical y recibir movimiento automático en sentido vertical, longitudinal y
transversal, o al menos en sentido longitudinal.
- Fresadora vertical: Así se llama la fresadora cuyo eje portafresas es vertical. En
general es monopolea y tiene la mesa con movimiento automático en sentido vertical,
longitudinal y transversal.
- Fresadora mixta: En esta fresadora el husillo portafresas es orientable en cualquier
sentido; su posición se determina por medio de dos círculos graduados.
Fresadora universal:
El movimiento del árbol se obtiene por caja de engranajes. La mesa de árbol tiene
generalmente tres ranuras en T, para sujetar las piezas, y dos o más canales, para
recoger el lubricante de las herramientas. Puede inclinarse, en general, 45º en ambos
sentidos; hay, no obstante, modelos en los que puede girar una vuelta entera,
permitiendo así fresar las piezas por ambos lados, sin volver a sujetarlas.
Los tres movimientos de la mesa en sentido vertical, longitudinal y transversal se
pueden efectuar a mano y automáticamente, en ambos sentidos. Topes regulables
limitan automáticamente la marcha en el punto deseado. En las manivelas, que sirven
para mover la mesa, hay tambores graduados, que permiten ajustes finos. Los
movimientos automáticos pueden obtenerse de dos maneras: unas veces, se reciban del
árbol de trabajo, mediante poleas escalonadas o caja de velocidades; otras, el avance lo
recibe independientemente del movimiento del árbol de trabajo.
Las partes principales de la fresadora universal son las siguientes:
1º) Cuerpo: La fresadora universal debe tener la forma y dimensiones necesarias para
alcanzar la máxima rigidez. Su cuerpo va apoyado en una base, que también ha de ser
suficientemente rígida. En él se encuentran, normalmente, el motor de accionamiento y
la mayoría de mecanismos y sistemas de engrase y refrigeración.
2º) Puente: Llamado vulgarmente en algunos lugares carnero, es simplemente un
elemento de soporte, que suele correr sobre el cuerpo, por unas guías cilíndricas o en
forma de cola de milano, que se pueden bloquear fuertemente. En el puente van los
soportes del eje portafresas provistos de cojinetes de bronce ajustables y con un
sistema de engrase conveniente.
3º) Conjunto de la mesa: Consta de mesa, carro portamesa y ménsula. Sobre la
bancada, por unas guías verticales con regletas de ajuste, corre un bastidor llamado
ménsula. Sobre la ménsula, en dirección perpendicular al plano de las guías de la
ménsula, y horizontalmente, corre un carro portamesa, también sobre unas guías
ajustables y, por último, sobre dicho carro, en dirección transversal, corre la mesa
propiamente dicha. Si la fresadora es universal, existe entre el carro portamesa y la
mesa un soporte giratorio para permitir las diversas posiciones.
Diagrama de una fresadora horizontal.
1: base. 2: columna. 3: consola. 4: carro transversal. 5: mesa. 6: puente. 7: eje
portaherramientas
3.5. Tipos de fresado:
Una clasificación elemental de los mismos sería la siguiente:
1º) Fresado plano o planeado: Es la operación por la cual se hace plana la superficie
de una pieza por medio de una fresa.
2º) Ranurado: El ranurado, o ejecución de ranuras, puede ser:
a) Ranurado simple o fresado de ranuras abiertas: Se emplean para el ranurado fresas
de tres cortes. El ancho de la ranura simple resultará algo mayor que el de la fresa
empleada, debido al cabeceo o descentramiento lateral. Por tanto, en los trabajos de
precisión se cuidará mucho el centrado de la fresa.
b) Fresado de ranuras : De acuerdo con el número de piezas a construir pueden ser
varios los métodos empleados para realizar esta clase de ranuras:
c) Ranurado equidistante: Este ranurado puede darse en piezas planas o en piezas
redondas. Para las primeras, se emplean divisores lineales o los tambores de la mesa;
para las segundas, los divisores circulares.
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