Máquinas y Mecanismos: Conceptos Fundamentales

Cuando trabajamos, a menudo realizamos esfuerzos tan grandes que necesitamos ayuda. Para ello, empleamos dispositivos mecánicos.

Definiciones Clave

• Máquina: Es un dispositivo capaz de disminuir el esfuerzo necesario para llevar a cabo un trabajo.
• Mecanismo: Es un elemento mecánico que realiza una función concreta dentro de la máquina.

Las máquinas están constituidas por mecanismos que, combinados, pueden producir diferentes efectos, como multiplicar la fuerza o aumentar/disminuir la velocidad.

Clasificación de Máquinas (Simples y Compuestas)

En función de su complejidad, las máquinas pueden ser:

1. Simples: Son aquellas que solo tienen un punto de apoyo, como la palanca, el plano inclinado o la polea.
2. Compuestas: Son aquellas formadas por dos o más máquinas simples, como una bicicleta o una grúa.

Ley Fundamental de las Máquinas Simples

En todas las máquinas simples se aplica una fuerza (F) para vencer una resistencia (R), que representa el peso del objeto. Todas ellas cumplen la ley fundamental:

T_m = T_r

F × a = R × b

Transmisión de Movimiento Lineal

Los mecanismos de transmisión lineal producen un movimiento rectilíneo en el elemento receptor a partir del movimiento rectilíneo del elemento motor. Dentro de las máquinas simples, la palanca es el ejemplo principal.

La Palanca

Una palanca está constituida por una barra rígida simple que puede girar en torno a un punto de apoyo (fulcro).

Ley Fundamental de la Palanca

En la barra existen un punto de aplicación de la Fuerza (F o Potencia P) y un punto de aplicación de la Resistencia (R). La ley establece que el producto de la fuerza por la distancia desde donde se aplica la fuerza al punto de apoyo (brazo de potencia) es igual al producto de la resistencia por la distancia desde donde se aplica el peso al punto de apoyo (brazo de resistencia).

P × a = R × b

Tipos de Palancas

1. Primer Grado: El punto de apoyo (O) se encuentra entre la Fuerza (F) y la Resistencia (R). Ejemplos: El balancín, las tijeras o las alicates.
2. Segundo Grado: La Resistencia (R) se encuentra entre el punto de apoyo (O) y la Fuerza (F). Ejemplos: La carretilla y el cascanueces.
3. Tercer Grado: La Fuerza (F) se encuentra entre el punto de apoyo (O) y la Resistencia (R). Ejemplo: La caña de pescar.

Transmisión de Movimiento Circular

El objetivo de estos sistemas es lograr que la potencia producida por un motor llegue a los diferentes elementos de la máquina. Esta transmisión se puede realizar mediante:

• Ruedas de fricción
• Poleas (con correa, dentadas, cadenas, conos)
• Engranajes (con cadena, tren de engranajes, tornillo sin fin, etc.)

Existen dos tipos de transmisión:

1. Simple: El movimiento se transmite directamente entre dos ejes.
2. Compuesta: Intervienen más de dos árboles o ejes de transmisión.

Además, los sistemas se clasifican en reductores (disminuyen la velocidad) y multiplicadores (aumentan la velocidad).

Ruedas de Fricción

Consisten en dos o más ruedas que se tocan entre sí, montadas sobre ejes paralelos. Mediante la fuerza que produce el rozamiento entre ambas, es posible transmitir el movimiento giratorio de los ejes, modificando las características de velocidad y el sentido del giro.

Ventajas e Inconvenientes

• Ventajas: Bajo coste de fabricación y ocupan poco espacio.
• Inconvenientes: Se usan para transmitir pequeñas potencias. Debido al deslizamiento, pierden velocidad y sufren un continuo desgaste.

Relación de Transmisión (i)

i = n₂ / n₁

n₁ × d₁ = n₂ × d₂

i = d₁ / d₂

Donde: d = diámetro, n = velocidad.

Sistema de Poleas y Correas

Este sistema consiste en poleas situadas a cierta distancia y unidas por una correa cerrada.

Componentes del Sistema

1. Polea Motriz (Entrada): Es la que tiene movimiento propio o causado por un motor.
2. Polea Conducida (Salida): Es la que está ajustada al eje que se debe mover.
3. Correa de Transmisión: Es la cinta o tira de cuero, caucho u otro material flexible que permite la transmisión entre ambas poleas.

Tipos de Montaje de la Correa

La correa se puede colocar de dos maneras:

• Abierta: Produce un giro de las dos poleas en el mismo sentido.
• Cruzada: Produce un giro en sentido contrario.

La relación de transmisión (i) es la relación que existe entre la velocidad de la polea de salida (n₂) y la velocidad de la polea de entrada (n₁).

i = n₂ / n₁

n₁ × d₁ = n₂ × d₂

i = d₁ / d₂

Donde: d = diámetro, n = velocidad.

Cono Escalonado de Poleas

Es un sistema de transmisión formado por un grupo de poleas ordenadas de mayor a menor diámetro y montadas en un eje. Se sitúa enfrente a otro grupo de poleas idéntico, pero colocado en posición inversa sobre un eje paralelo al primero. Funciona con una única correa.

Transmisión Compuesta de Poleas

Ocurre cuando intervienen más de dos ejes de transmisión.

N₁ / N_n = (d₂ × d₄ × d₆ … d_n) / (d₁ × d₃ × d₅ … d_n-1)

Engranajes

Son juegos de ruedas que poseen unos salientes llamados dientes. Los dientes de las ruedas encajan en las otras, arrastrándolas y transmitiendo el giro. Para que encajen, los dientes de ambas ruedas deben ser del mismo tamaño y forma.

Clasificación de Engranajes

1. Según la situación de sus dientes (interiores y exteriores).
2. Según su forma (cilíndricos, cónicos, etc.).

Engranajes con Cadena

Es un mecanismo de transmisión circular que consta de una cadena sin fin cerrada cuyos eslabones engranan con ruedas dentadas que están unidas a los ejes de los mecanismos conductor y conducido. Se comportan de manera similar a las transmisiones mediante poleas y correas, pero con la ventaja de que, al ser dentada, la cadena no corre peligro de deslizarse. La relación de transmisión es constante y puede transmitir grandes potencias, por lo que consigue una mayor eficiencia mecánica.

Consideraciones

• Inconvenientes: Es un sistema caro, ruidoso y necesita lubricación.
• Uso: Se utiliza en bicicletas y motocicletas.

i = N₂ / N₁

N₁ × Z₁ = N₂ × Z₂

i = Z₁ / Z₂

Donde: Z = número de dientes, N = velocidad.

Tren de Engranajes

Está formado por ruedas dentadas. No necesitan mecanismos intermedios para transmitir el movimiento, ya que los dientes de los engranajes engranan entre sí, transmitiendo el movimiento de uno a otro.