máquinas - wiki tecnoelpalo

TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
máquinas
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
Herramientas y máquinas
Una herramienta es todo objeto fabricado para hacer una acción determinada que se
utiliza con la mano.
Una máquina es un conjunto de mecanismos con movimientos coordinados, capaz de
transformar energía en trabajo útil.
Toda máquina posee tres características esenciales que la diferencian de todo tipo de
herramientas y otros mecanismos:
• Realiza un trabajo útil.
• Consume energía.
• Está constituida por un conjunto de mecanismos.
Elementos de una
máquina
En cualquier máquina podemos distinguir tres elementos indispensables que la conforman:
• La estructura está formada por soportes, bancadas, chasis y todos aquellos elementos que sostienen los mecanismos que la harán funcionar. La estructura debe poder
sostener el peso de la máquina y ser capaz de resistir todos los esfuerzos mecánicos
que se deriven de su funcionamiento: vibraciones, tensiones, etc.
• El motor es el elemento que transforma la energía en el trabajo que podremos utilizar
mediante el resto de los mecanismos. Según la procedencia de la energía, podemos
distinguir máquinas movidas a sangre (por acción directa de animales o humanos), por
el viento, por corrientes de agua, por vapor; y también eléctricas o de combustión.
• Los mecanismos son las piezas que reciben el movimiento generado y lo transmiten
a otras partes de la máquina para crear el trabajo útil.
Las máquinas simples
Las máquinas simples constan sólo de un sencillo mecanismo para transformar la energía muscular, utilizándola para producir trabajo.
Todas estas máquinas trabajan con un esquema equivalente que involucra dos fuerzas:
• La fuerza motriz, la que se aplica sobre la máquina, indicada con una F.
• La fuerza resistente, la fuerza que realiza el trabajo que queremos obtener, y se representa con una R.
Las máquinas simples transforman siempre la fuerza motriz (F) en fuerza resistente (R).
Máquinas | 2
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
A la relación matemática entre las dos fuerzas (F y R) se le llama ley de una máquina
simple.
Palanca
La palanca es una barra rígida que puede pivotear alrededor de un punto, llamado fulcro.
A la distancia entre el punto de aplicación de la fuerza motriz (F) y el fulcro, la llamaremos distancia motor (dm).
A la distancia entre el punto en que se aplicará la fuerza resistente (R) -donde está el
objeto a levantar- hasta el fulcro, la llamaremos distancia resistente (dr).
El producto de la fuerza motriz por la distancia motor se llama, de manera original, trabajo motor.
El producto de la fuerza resistente por la distancia resistente se llama trabajo resistente.
Ley de la palanca
La ley de la palanca relaciona estos conceptos mediante la siguiente ecuación:
F · dm = R · dr
Es decir, la relación entre la fuerza que tenemos que aplicar (F) y la que queremos conseguir (R) es proporcional a la distancia que hay de los puntos de aplicación al fulcro.
Podemos resumir la ley de la palanca diciendo que el trabajo motor es igual al trabajo
resistente.
Ventaja mecánica
Cuando se habla de relaciones entre dos magnitudes, se utiliza el cociente entre las dos:
una dividida entre la otra, en este caso R entre F (R/F).
A este cociente le llamamos ventaja mecánica (Vm) de la palanca, porque nos informa de
la fuerza que tenemos que hacer para obtener una fuerza resultante.
• Si hacemos fuerza en una palanca y ésta hace una fuerza resultante igual que la nuestra (F=R), la ventaja mecánica de esta palanca es 1.
• Si la fuerza que hacemos es más pequeña que la que resulta, la relación R/F será mayor que 1 y hablaremos de palancas con ventaja mecánica (Vm).
Máquinas | 3
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
• Si tenemos una palanca que nos devuelve una fuerza (R) más pequeña que la que
nosotros aplicamos (F), el cociente R/F será menor que 1 y, entonces, hablaremos de
palancas con desventaja mecánica.
Si pasamos la F a la derecha y la dr a la izquierda, nos queda la siguiente ecuación:
Vm =
dM
R
=
F
dr
Como veis, la ventaja mecánica (Vm) depende directamente de la distancia de cada extremo al fulcro; es decir, de dónde esté situado este último.
Palanca de primer género
• El fulcro siempre lo encontrábamos en medio, con los puntos de aplicación de la F y
de la R en cada extremo.
• Estos tipos de palancas pueden presentar ventajas mecánicas mayores o menores que
1. Dependiendo de la distancia del fulcro, las palancas de primer género pueden ser
eficaces o no.
• Las tenazas y las tijeras también son palancas de primer género, y tienen el fulcro donde se juntan las dos piezas.
Palanca de segundo género
• El fulcro está situado a un extremo, y el punto de aplicación de la fuerza resistente
queda entre el fulcro y el punto de aplicación de la fuerza motriz.
• Estas palancas siempre presentan ventaja mecánica, con un coeficiente R/F > 1.
• El ejemplo clásico es el de la carretilla en que el fulcro es la rueda.
Palanca de tercer género
• En este género de palanca volvemos a encontrar el fulcro en un extremo, pero ahora
es el punto de la aplicación de la fuerza (F) el que se encuentra en medio del fulcro y
el punto de aplicación de la fuerza resistente (R).
• La ventaja mecánica de la palanca de tercer género siempre es más pequeña que 1.
• Las palancas de tercer género se usan para trabajos que requieren fuerzas pequeñas,
pero una buena precisión y control (como en el caso de las pinzas) o para alargar el
punto de aplicación de una fuerza (por ejemplo, en una escoba).
primer género
segundo género
tercer género
Máquinas | 4
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
El plano inclinado
Un plano inclinado es una superficie plana dotada de una cierta inclinación con respecto al horizontal. Permite levantar objetos desde un nivel inferior a uno superior aplicando menos fuerza de la que haría falta si lo hiciéramos directamente en vertical.
La fuerza de resistencia (R) será la que hace el plano inclinado para sostener el objeto.
Observad que siempre coincide con su peso, pero en sentido contrario.
Ley del plano inclinado
Como en el caso de las palancas, existe una fórmula que indica la relación existente
entre la F y la R:
F·l=R·h
El torno
El torno consta de un cilindro o rodillo con una manivela que permite hacerlo girar. El
rodillo recoge la cuerda y eleva el objeto que deseamos levantar; en este caso, el cubo
lleno de agua.
La fuerza resistente R es la que hace la cuerda para levantar el cubo, equivalente a la del
peso del cubo pero en sentido contrario.
En el torno debemos tener en cuenta, además, el radio de giro de la manivela (rm) y el
radio del cilindro del torno (rc).
Ley del torno
La ley del torno relaciona las fuerzas con estos dos radios: cuanto más grande es el radio
de la manivela respecto al cilindro, menos fuerza se tendrá que realizar.
F · rm = R · rc
Máquinas | 5
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
rodillo
cuerda
manivela
cubo
Polea
Una polea es una rueda o estructura cilíndrica con un eje central alrededor del que puede girar, y en que se encaja una cuerda o cable que circula por su exterior.
Ley de la polea fija
En una polea, cuando estiramos la cuerda, nuestra fuerza se transmite íntegramente a
través de la cuerda hasta el objeto que queremos levantar.
F=R
Y su ventaja mecánica será, lógicamente:
Vm = 1
Máquinas | 6
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
Polispasto
Cuando a una polea fija se le añade otra móvil, hemos creado un polispasto.
Los polispastos sí presentan ventaja mecánica, porque el peso del objeto ahora se carga
sobre el eje de la polea y no directamente al final de la cuerda.
Ley del poliSpasto
La ventaja mecánica de los polispastos depende directamente del número de poleas
móviles (n) del polispasto.
De hecho, la relación es la siguiente:
Vm =
R
= 2n
F
Si queremos hacer la mitad de fuerza, pondremos una polea móvil; si queremos hacer
un cuarto de la fuerza, pondremos dos, etc.
A partir de esta ecuación, podemos deducir la ley del polispasto:
F =
R
2n
Máquinas | 7
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
Máquinas motrices
Los motores o máquinas motrices son aquellas máquinas o parte de ellas que transforman la energía fuente consumida en energía mecánica; es decir, en un movimiento
capaz de realizar trabajo.
Fuentes energéticas
• Combustibles fósiles: carbón, petróleo, gas natural y sus derivados. Se pueden quemar y se puede aprovechar la energía calorífica que se desprende de ellos.
• Combustibles nucleares: materiales radiactivos como el uranio y el plutonio que
permiten llevar a cabo reacciones de fisión, a partir de las cuales se produce energía
eléctrica.
• Fuentes de energías renovables: son las más inmediatas y las primeras en ser utilizadas históricamente en máquinas como molinos. En la actualidad, estas fuentes se
han modernizado y están tomando fuerza. Las más relevantes son la energía eólica, la
hidráulica y la solar.
Ruedas hidráulicas
La rueda hidráulica utiliza la energía de las corrientes de agua mediante un sistema de
palas. El mecanismo aprovecha la rotación generada para diferentes utilidades.
Tipos de ruedas hidráulicas
• Ruedas de corriente baja: Estas ruedas tienen sumergida la parte inferior. La fuerza
del caudal de la corriente del agua es la que mueve esta rueda; éste debe ser lo bastante grande y constante como para que la rueda gire.
• Ruedas de corriente medio: Cuando la corriente no es lo bastante grande, se puede
recurrir a la rueda de corriente media, en que la corriente llega a la rueda por su parte
intermedia.
Para construir esta rueda hay que adaptar el terreno a su forma para aprovechar al máximo la fuerza del
caudal.
• Ruedas de corriente alto: Esta rueda es movida por una corriente de agua que le
llega por la parte superior.
En lugar de palas, presenta unos recipientes llamados cangilones que almacenan temporalmente el
agua como si fueran cajones de agua. El peso del agua de los cangilones es el que empuja la rueda y la
hace girar.
Máquinas | 8
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
Turbinas
Las turbinas representan la evolución tecnológica de las ruedas hidráulicas tradicionales.
Hoy en día se usan, sobre todo, en presas que trabajan como centrales generadoras de
energía eléctrica a partir de energía hidráulica.
La turbina está formada por un eje al que se le adapta una rueda con unas cucharas llamadas álabes, diseñadas para aprovechar el empuje del flujo de agua.
Según la manera en que inyectemos el agua dentro de la turbina, podemos clasificar los
mecanismos en tres tipos: axial, radial y tangencial.
Máquinas térmicas
Las máquinas térmicas aprovechan el calor para generar trabajo (aunque nunca podremos obtener el 100% de eficacia).
Cuando calentamos un gas a volumen fijo (dentro de un recipiente estanco), su presión
aumentará considerablemente. Podemos pensar en esta presión como una forma de
energía que se acumula y que podremos aprovechar en el momento que liberemos el
gas y dejemos que se expanda.
Tal como sucede en la turbina, en que el agua mueve los álabes, este gas en expansión
será capaz de hacer mover un émbolo, a partir del cual obtendremos el movimiento de
la máquina.
Máquinas térmicas:
la máquina de vapor
Funcionamiento de la máquina de vapor
• En la caldera es donde se produce el calor; se quema el combustible.
• Este calor calienta el agua, que sale en forma de vapor hacia el cilindro donde tenemos
el émbolo.
• El émbolo mueve el sistema de transformación del movimiento correspondiente, produciendo el trabajo requerido.
• El vapor ya utilizado se va hacia un condensador que lo enfría y lo vuelve a convertir
en agua que reciclamos y reenviamos hacia la caldera.
Máquinas | 9
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
Elementos de una máquina de vapor
• Distribuidor. El distribuidor es el sistema de válvulas que está conectado al giro de la
rueda, de manera que se acciona sincronizadamente con el movimiento del émbolo.
Permite la entrada de vapor cuando hay que empujar el émbolo y la salida del vapor,
cuando es necesario que el émbolo retorne a la posición inicial.
• Regulador de potencia. Para regular la cantidad de trabajo que queremos que la máquina nos proporcione por unidad de tiempo, utilizamos esta válvula giratoria.
Cuando el movimiento es demasiado rápido, las bolas ascienden y la válvula hace que la entrada de vapor
sea menor. Si las bolas bajan demasiado, se vuelve a abrir la válvula; lo que permite la entrada de mayor
cantidad de vapor. El punto de equilibrio se puede regular poniendo más o menos peso en las bolas del
regulador.
• Cilindro. El vapor inyectado hace mover el émbolo que, conectado a un sistema de
transformación de movimiento, convierte el vaivén generado en una rotación del eje
de la rueda.
Máquinas | 10
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
Máquinas térmicas:
El motor de explosión
La idea básica del motor de explosión es producir una reacción química dentro de este
pequeño cilindro que libere una gran cantidad de energía en forma de gas que se expande.
Esta clase de reacciones se llama de explosión y se realizan mezclando un cierto combustible fósil (como la gasolina o el gasoil) con el oxígeno del aire, lo que provoca un
chispazo dentro del cilindro.
Tipos de motores de explosión
Según el tipo de ciclo que realice el émbolo, distinguimos los siguientes tipos de motores:
• De cuatro tiempos: propio de coches y camiones. El émbolo realiza dos idas y vueltas
por cada ciclo completo del motor.
• De dos tiempos: propio de las motocicletas de poca potencia. El émbolo solamente
realiza una ida y vuelta por cada ciclo del motor.
Según el tipo de combustible usado, clasificamos los motores en:
• Motor de ciclo de Otto: es el motor de gasolina.
• Motor de ciclo diésel: usa el gasoil como combustible.
Ciclo de Otto en cuatro tiempos
El funcionamiento de este ciclo se basa en cuatro fases: admisión, compresión, explosión y escape que se van repitiendo para generar el movimiento.
• Admisión. En esta fase, el émbolo o pistón se desplaza del punto muerto superior al
inferior a la vez que la válvula de admisión permite que entre en el cilindro una mezcla
de aire y gasolina finamente pulverizada. La válvula de escape permanece cerrada.
• Compresión. El pistón retrocede otra vez del punto muerto inferior hacia el superior
y mantiene todas las válvulas cerradas, de manera que la mezcla de aire y gasolina se
comprime y adquiere una alta presión.
Máquinas | 11
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
• Explosión. Con las válvulas aún cerradas, se produce un chispazo en la cavidad que
genera la explosión y -por lo tanto- la combustión inmediata de la gasolina. Los gases
resultantes de este proceso están a altísima presión, de manera que empujan el pistón
de nuevo hasta el punto muerto inferior.
• Escape. Con la válvula de escape abierta, el pistón sube al punto muerto superior y
empuja hacia fuera los gases sobrantes (principalmente CO2 y vapor de agua) dejando la
cavidad vacía para recomenzar el ciclo. Al final de la fase se cierra la válvula de escape.
Ciclo diésel en cuatro tiempos
El funcionamiento de este ciclo se basa en las mismas cuatro fases: admisión, compresión, explosión y escape. La diferencia con la anterior es que estos motores no necesitan
chispazo para que tenga lugar la explosión.
• Admisión: Idéntica a la del ciclo de Otto.
• Compresión: Idéntica a la del ciclo de Otto.
• Explosión: Con las válvulas aún cerradas, el inyector introduce gasoil en la cavidad
llena de aire comprimido a alta temperatura. La combustión del gasoil tiene lugar debido a la alta temperatura y presión del aire, sin necesidad de generar ningún chispazo. Los gases resultantes de la reacción empujan nuevamente el pistón hasta el punto
muerto inferior.
• Escape: Idéntica a la del ciclo de Otto.
Cilindrada
La cilindrada es el volumen útil total del cilindro o cilindros, y está directamente relacionada con la potencia. A mayor cilindrada, mayor potencia.
Para calcular la cilindrada de un motor, nos tendremos que fijar en el volumen del cilindro útil; es decir, el espacio en cuyo interior se produce la explosión.
Para calcular el volumen de un cilindro necesitamos conocer el recorrido útil, llamado
carrera (L), y el diámetro del cilindro (D). El volumen será:
V =
⋅D 2 ⋅L
4
Recuerda que la mayoría de los motores tienen más de un cilindro, de manera que la
cilindrada total es la suma del volumen de todos los cilindros de los que disponga el
motor.
Motores eléctricos
Es un motor que funciona con energía eléctrica. Su componente principal es el electroimán.
Cuando hacemos pasar una corriente por un conductor enrollado en forma de espiral,
se genera un campo magnético en su interior. Con la ayuda de un material metálico
podemos modificar el campo magnético para obtener el efecto deseado.
Máquinas | 12
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
Un motor eléctrico está formado por un electroimán fijo, llamado estátor, y un imán
móvil o rotor.
El estátor es el que recibe la corriente eléctrica y, por lo tanto, genera un campo magnético que mueve el rotor en un sentido que tiene tendencia a detenerse cuando llega al
equilibrio.
Si el sentido de la corriente cambia, también cambian los polos del estátor y el rotor
continúa su movimiento. Si alternamos el sentido de la corriente sin parar, el rotor no se
detiene y conseguimos un movimiento circular sostenido.
transmisión del movimiento
Llamamos parte motriz o entrada del sistema de transmisión a la parte de la máquina
que ya posee el movimiento. En cambio, la parte que lo recibe será la parte conducida
o salida del sistema de transmisión.
Período (T) y frecuencia (n)
Cuando un movimiento es un ciclo que se va repitiendo cada cierto tiempo, hablamos
de un movimiento periódico. El tiempo que tarda en repetirse el ciclo es el período del
movimiento (T), y se mide en segundos (s).
Otra magnitud que nos puede ser muy útil para estudiar estos tipos de movimientos es
la frecuencia (F o n), que es el número de ciclos que se hace por cada unidad de tiempo,
y se expresa en hercios (Hz).
Se puede ver cómo la frecuencia se puede calcular como la inversa del período:
F = 1/T
o
n = 1/T
Y al revés, el período es la inversa de la frecuencia:
T = 1/F
o
T = 1/n
Relación de transmisión (i)
La relación de transmisión, por tanto, se define como el cociente entre la frecuencia de
la parte conducida y la frecuencia de la parte motriz:
n
i= 2
n1
Fíjate en que esta magnitud, como cociente de dos magnitudes con las mismas unidades, no tiene unidades.
Máquinas | 13
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
Para calcular la relación de transmisión de un sistema formado por muchos elementos,
tan sólo hay que dividir la frecuencia del último entre la del primero.
Tipos de sistemas de transmisión
Según el valor de la relación de transmisión, podremos clasificar el sistema como reductor, multiplicador o directo.
• Si i es 1, la parte conducida se mueve a la misma frecuencia que la motriz. Se habla de
transmisión directa o natural.
• Si i es mayor que 1, la parte conducida se moverá a una frecuencia más alta que la motriz. Hablamos entonces de un montaje multiplicador. Debemos tener en cuenta que
la parte conducida siempre es más pequeña que la parte motriz.
• Si i es menor que 1, la parte conducida se moverá a una frecuencia más baja que la
motriz. Nos encontraremos ante un montaje reductor. En este caso la parte conducida
es más grande que la parte motriz.
Conversión de
movimientos
Gracias al sistema de transmisión seremos capaces de convertir unos movimientos en
otros con propiedades diferentes.
Sistema poleas-correa
Consta de una correa que une dos poleas.
• Ley de transmisión: El producto del radio por la frecuencia se mantiene en las dos
poleas:
r1 · n1 = r2 · n2
• Relación de transmisión:
i=
n2 r2
=
n1 r1
Engranajes
El engranaje consiste en un sistema de dos ruedas dentadas que encajan, de manera que
se transmite la fuerza y, por lo tanto, el movimiento a través de la zona de contacto.
Las ruedas dentadas no pueden deslizarse entre sí, ya que cada diente de una rueda
encaja en un agujero de la otra. Esto permite:
• por un lado, transmitir movimiento con mucha precisión y sincronización; por eso los
encontramos en los relojes, en los que las dos agujas deben moverse coordinadamente.
• por otro lado, la ausencia de deslizamiento permite transmitir fuerzas sin que se pierda mucha, y por eso los engranajes se utilizan en los motores y cajas de cambio de
todo tipo de vehículos.
Máquinas | 14
TecnologÍa 3 | TEMA 1 | Resumen teórico
No todos los engranajes encajarán. Para que encajen correctamente, el número de dientes que tienen y el diámetro que éstos ocupan tiene que estar en una relación concreta.
Definimos el módulo de un engranaje como el cociente entre el diámetro de la rueda (d)
y el número de dientes (z).
m=
d
z
La ley de transmisión de los engranajes es la siguiente:
n1 · z1 = n2 · z2
Biela-manivela
Ya hemos visto que en los motores de los vehículos, la reacción de explosión genera
un movimiento rectilíneo de ida y vuelta al émbolo. Pero lo que mueve un vehículo es
el giro de las ruedas. ¿Cómo pasamos de un movimiento rectilíneo (del émbolo) a uno
circular (las ruedas)? Gracias al sistema de la biela manivela.
Todo empieza con el movimiento de vaivén del pistón. Éste se encuentra conectado
a la biela, que es una pieza alargada conectada al otro extremo: la manivela, también
llamada cigüeñal.
El movimiento del pistón impulsa la biela arriba y abajo, pero como la biela está conectada a la manivela en un punto desplazado de su centro de rotación (de la manivela), le
confiere a ésta un movimiento de rotación o circular.
Máquinas | 15