Mecanismos


Índice


  1. La palanca

  2. Tipos de palancas

    1. Palanca de primer género

    2. Palanca de segundo género

    3. Palanca de tercer género

    4. Palancas múltiples

    5. Ley de las palancas

    6. Aplicaciones de la ley de las palancas

    7. Ejercicios de palancas

  3. Engranajes

    1. Engranajes de dientes rectos

    2. Engranajes helicoidales

    3. Engranajes cónicos

  4. Piñones - cadena de transmisión

  5. Piñones - correa dentada

  6. Piñón - corona

    1. Piñón - corona cónicos

  7. Sistemas de engranajes

    1. Engranajes de relojería

    2. Engranaje diferencial

    3. Engranaje diferencial en los vehículos con ruedas

    4. Mecanismo de Antikythera

  8. Piñón - cremallera

  9. Tornillo - tuerca

  10. El tornillo sin fin - corona

  11. La leva y la excéntrica

    1. La leva

    2. La excéntrica

    3. El árbol de levas

    4. Biela-manivela

    5. El cigüeñal

    6. Motor de automóvil

  12. El cardán

  13. Volante de inercia

  14. Ruedas de fricción

  15. Trinquete

  16. Poleas

    1. Polea simple

    2. Sistemas de poleas

    3. Polipastos

    4. Poleas de transmisión

    5. Elementos de un sistema de poleas con correa

  17. Consideraciones sobre los mecanismos



La palanca

La palanca es una máquina simple que se emplea para transmitir una fuerza y desplazamiento en torno a un punto de giro que se llama fulcro, en gran variedad de aplicaciones.

Se cuenta que el propio Galileo Galilei habría dicho:

"Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo".



En realidad, obtenido ese punto de apoyo y usando una palanca suficientemente larga, eso es posible.

La palanca está básicamente está constituida por una barra rígida, un punto de apoyo (o fulcro) y dos fuerzas (mínimo) presentes: una fuerza a la que hay que vencer (o resistencia) (normalmente es un peso a sostener o a levantar o a mover en general) y la fuerza impulsora que se aplica para realizar la acción que se menciona (o potencia). La distancia que hay entre el punto de apoyo y el lugar donde está aplicada cada fuerza, en la barra rígida, se denomina brazo. Así, a cada fuerza le corresponde un cierto brazo.

Tipos de palancas

La ubicación del punto de Apoyo con respecto a la Fuerza impulsora y a la fuerza resistente,P, definen el tipo de palanca.

Palanca de primer género Palanca de segundo género Palanca de tercer género
P - A - F A - P - F A - F - P
En las palancas de primer género el punto de Apoyo está entre el Peso resistente y el lugar de aplicación de la Fuerza impulsora. En las palancas de segundo género el Peso resistente se encuentra entre el Apoyo y el lugar en el que aplicamos la Fuerza impulsora. En las palancas de tercer género la Fuerza impulsora se aplica entre el punto de Apoyo y el Peso resistente.
(La piedra pequeña que actúa como apoyo está entre la roca grande y la fuerza del grupo de personas.) (El peso que lleva la carretilla está entre la rueda que actúa como apoyo y la fuerza que hace el obrero.) (La fuerza la realiza el brazo izquierdo del pescador. Esta fuerza se aplica entre el apoyo del brazo derecho y el peso del pez.)

Palanca de primer género

En las palancas de primer género el punto de apoyo(o fulcro) (A) está entre la fuerza resistente (P) (o carga) y el lugar de aplicación de la fuerza motriz (F) (o esfuerzo).



En este esquema de la palanca el apoyo se encuentra entre la resistencia y el punto de aplicación de la fuerza motriz.

Palanca de segundo género

En las palancas de segundo género, la resistencia (P) se encuentra entre el apoyo (A) y el lugar en el que aplicamos la fuerza motriz (F).



En este tipo de palancas se amplifica la fuerza que se aplica; es decir, consigue fuerzas más grandes a partir de otras más pequeñas.

Palanca de tercer género

En las palancas de tercer género, la fuerza motriz (F) se aplica entre el punto de apoyo (A) y la resistencia (P).



En este tipo de palancas la fuerza resistente es menor que la fuerza motriz; es decir, consigue fuerzas más pequeñas a partir de otras mayores.
Este tipo de palanca es ideal para situaciones de precisión, donde la fuerza aplicada suele ser mayor que la fuerza a vencer.

Palancas multiples

Consiste en la combinación de varias palancas.

La máquina retroexcavadora

La máquina retroexcavadora, es un ensamblaje de tres palancas accionadas por pistones hidráulicos, que permiten movimientos giratorios en torno a los distintos ejes de las palancas.


El cortaúñas

El cortaúñas es una combinación de dos palancas que permiten realizar un potente acción de corte:
  • El mango es una palanca de segundo género que presiona sobre las dos hojas de corte hasta unirlas.
  • Las hojas de corte dan lugar a una combinación de palancas de tercer género multiplicando la fuerza impulsora ejercida por por la protuberancia de mango para realizar el corte.
Palanca de segundo género Palanca de tercer género

Las pinzas de ropa

La pinza de ropas es una combinación de dos palancas, en las que la espiral del muelle actúa como punto de apoyo:
  • Una, de primer género, que al presionar con los dedos sobre sus extremos mas delgados (Fuerza motora), hacemos que se separen tanto los extremos del muelle (Fuerza resistente) como los extremos mas gruesos de la pinza.
  • Otra de tercer género, que empieza a funciona cuando aflojamos la presión de los dedos sobre sus extremo mas delgados, entonces, la fuerza proporcionada por los extremos del muelle (Fuerza motriz) ocasiona que los extremos mas gruesos de la pinza presionen sobre el objeto que queremos sujetar (Fuerza resistente).
Palanca de primer género Palanca de tercer género

El sacatapas

El sacatapas es una combinación de dos palancas:
  • Una de primer género, que funciona al hacer fuerza sobre los dientes de la tapa.
  • Otra de segundo género, que funciona al aflojar al hacer fuerza con la parte del sacatapas cercana al mango
Palanca de primer género Palanca de segundo género

El colador de infusiones

El colador de infusiones es una combinación de dos palancas:
Una de tercer género, es una pinza con un resorte comprimido en el vértice, que normalmente hace abrir la pinza.
Otra primer género, formand un mecanismo en forma de tijera, que se abre normalmente debido a la presión del resorte, pero que cerramos al presionar hacia adentro la pinza con la mano.

Colador de infusiones

Ley de las palancas

Trabajo motor = Trabajo resistente Ley de las palancas

El producto de la fuerza motora (F) por su brazo (f) es igual al producto de la resistencia (P) por el brazo suyo (p)



f.F=p.P Ley de las palancas

Aplicaciones de la ley de las palancas

f= p.P
F
Distancia entre el punto de Apoyo y la Fuerza motriz (en metros)
p= f.F
P
Distancia entre el punto de Apoyo y la Resistencia (P) (en metros)
F= p.P
f
Fuerza motora aplicada sobre la palanca (en Kg)
P= f.F
p
Resistencia (P) producida en la palanca (en Kg)

Ejercicios de palancas


Engranajes

Los engranajes son piezas dentadas que transmiten el movimiento giratorio entre partes próximas mediante el empuje que ejercen los dientes de una de las piezas sobre los dientes de la otra.
El encaje de los dientes evita que las piezas resbalen.



En los mecanismos con engranajes uno de ellos empuja y es llamado engranaje motor, y el otro que recibe el movimiento es el engranaje conducido. La barra donde van montados los engranajes se llama eje.

Mediante el uso de los engranajes se puede modificar la velocidad de rotación de una máquina, para lo que tenemos que utilizar dos engranajes con diferente número de dientes.

Si el engranaje conducido es más grande que el engranaje motor, girarí mís lentamente Si el engranaje conducido es más pequeño que el engranaje motor, girará más rápidamente


Al transmitirse el movimiento de rotación entre una par de engranajes se invierte el sentido de rotación.
Si se desea conseguir el mismo sentido de giro tanto en el motor como en el engranaje de salida, se puede intercalar un engranaje entre ámbos que se llama, engranaje loco, que tiene como finalidad invertir el sentido de rotación.

Engranajes de dientes rectos

Los engranajes de dentado recto están caracterizados por su dentado paralelo con relación al eje de rotación.

Engranajes helicoidales

Los engranajes de dentado helicoidal están caracterizados por su dentado oblicuo con relación al eje de rotación.
En estos engranajes el movimiento se transmite de modo igual que en los cilíndricos de dentado recto, pero con la ventaja que:
  1. Transmiten más potencia que los engranajes de dientes rectos
  2. Pueden transmitir más velocidad
  3. Son más silenciosos y más duraderos
  4. Pueden transmitir el movimiento de ejes que se corten


Los ejes de los engranajes helicoidales pueden ser paralelos o cruzarse, generalmente a 90°, para eliminar el empuje axial el dentado puede hacerse doble helicoidal.

Engranajes cónicos

Los engranajes cónicos tienen forma de tronco de cono y permiten transmitir movimiento entre ejes que se cortan.
En cuanto al tipo de dientes pueden clasificarse en:
  1. Engranajes cónico de dientes rectos
    Efectúan la transmisión de movimiento de ejes que se cortan en un mismo plano, generalmente en ángulo recto aunque no es el único ángulo pues puede variar dicho ángulo como por ejemplo 45°, 60°, 70°, etc., por medio de superficies cónicas dentadas.
    Son utilizados para efectuar reducción de velocidad con ejes en 90°.
    Estos engranajes generan más ruido que los engranajes cónicos helicoidales.

  2. Engranaje cónico helicoidal
    Se utilizan para reducir la velocidad en un eje de 90°.
    La diferencia con el cónico recto es que posee una mayor superficie de contacto. Es de un funcionamiento relativamente silencioso. Además pueden transmitir el movimiento de ejes que se corten.

  3. Engranaje cónico hipoide
    Un engranaje hipoide es un grupo de engranajes cónicos helicoidales formados por un piñón reductor de pocos dientes y una rueda de muchos dientes.
    La disposición helicoidal del dentado permite un mayor contacto de los dientes del piñón con los de la corona, obteniéndose mayor robustez en la transmisión.



Piñones - cadena de transmisión

Permite transmitir el movimiento de rotación entre dos ejes paralelos.



Se puede modificar la velocidad de rotación pero no el sentido del giro.



Es sistema de piñón-cadena de transmisión, permite transmitir el movimiento circular entre partes separadas: evitando que la transmisión deslice.


Piñones - correa dentada

El sistema de piñón-correa de transmisión dentada, permite transmitir el movimiento circular entre partes separadas: evitando que la transmisión deslice a diferencia del sistema polea-correa de transmisión: donde el contacto puede deslizar.



Piñón - corona

Se llama corona a la rueda dentada de mayor tamaño, que tiene un mayor número de dientes y por lo tanto una menor velocidad de giro.



Puede funcionar como un mecanismo multiplicador o reductor de la velocidad de giro, según sea la rueda dentada conductora, el piñón o la corona.

Piñón - corona cónicos



Sistemas de engranajes

En los sistemas de engranajes la transmisión de movimiento rotatorio se realiza entre más de dos ejes simultáneamente, ya sean: entre sí, paralelos, perpendiculares u oblicuos, para lo cual será necesario que en cada uno de los ejes intermedios vayan montadas obligatoriamente dos ruedas dentadas. Una de ellas engrana con la rueda motriz, que es la que proporciona el movimiento, mientras que la otra conecta con el eje conducido, al que arrastra.

Engranajes de relojería

Engranaje diferencial

El engranaje diferencial se compone por un piñón, una corona, dos satélites y dos planetarios, y a éstos los cubre la caja del diferencial.





Engranaje diferencial en los vehículos con ruedas

El mecanismo diferencial tiene por objeto permitir que cuando el vehículo da una curva sus ruedas propulsoras puedan describir sus respectivas trayectorias sin patinar sobre el suelo.
La necesidad de este dispositivo se explica por el hecho de que al dar una curva el coche, las ruedas interiores a la misma recorren un espacio menor que las situadas en el lado exterior, puesto que las primeras describen una circunferencia de menor radio que las segundas.



El diferencial ordinario reparte la fuerza por igual entre ambas ruedas (reparto 50%-50%), cuando ambas ruedas recorren el mismo camino, la capacidad de tracción máxima es siempre el doble de la de la rueda con menor tracción. En caso de que esta sea cero en una de las ruedas, la capacidad de tracción total es lógicamente cero. Para solucionar este problema se emplean diferenciales autoblocantes o bloqueables. Estos últimos pueden enviar hasta el 100% del par a una sola rueda.



Un vehículo con tracción en las cuatro ruedas puede tener hasta tres diferenciales: uno en el eje frontal, uno en el eje trasero y un diferencial central.



En el hipotético caso de que ambos ejes sean directrices, el que tenga mayor ángulo de giro describirá un radio mayor.
En vehículos con tracción a cuatro ruedas, los dos ejes también tienen que ser conectados por un diferencial.

Mecanismo de Antikythera

El mecanismo de Antikytera es un computador analógico diseñado datado en el siglo I antes de nuestra era.
Su mecanismo está formado por engranajes diferenciales y fue construido para calcular posiciones astronómicas.



Piñón - cremallera

El sistema está formado por un piñón (rueda dentada) que engrana perfectamente en una cremallera.
Este mecanismo permite transformar el movimiento de rotación del piñón en movimiento lineal de la cremallera o viceversa.



Aunque el sistema es perfectamente reversible, su utilidad práctica suele centrarse solamente en la conversión de giratorio en lineal continuo, siendo muy apreciado para conseguir movimientos lineales de precisión (caso de microscopios u otros instrumentos ópticos como retroproyectores), desplazamiento del cabezal de los taladros sensitivos, movimiento de puertas automáticas de garaje, sacacorchos, regulación de altura de los trípodes, movimiento de estanterías móviles empleadas en archivos, farmacias o bibliotecas, cerraduras.

Mecanismo de dirección de un automóvil. Al girar el volante del conductor se hace girar el piñón que mueve la cremallera, que a su vez hace girar a las ruedas de automóvil Mecanismo del elevalunas de un automóvil. Al hacer girar la manivela, se hace girar el piñón que mueve la cremallera, que a su vez impulsa la luna del automóvil.


Sacacorchos Puerta corredera


Cuchara para hacer bolas de helado En este mecanismo la utilidad práctica consiste en convertir el movimiento lineal de la cremallera en movimiento giratorio


Tornillo - tuerca

Este mecanismo permite convertir el movimiento de giro en movimiento rectilíneo.



El mecanismo tornillo-tuerca presenta una ventaja muy grande respecto a otros sistemas de conversión de movimiento de giro en longitudinal: por cada vuelta del tornillo la tuerca solamente avanza la distancia que tiene de separación entre cada paso de rosca, por lo que la fuerza de apriete longitudinal es muy grande.



El tornillo sin fin - corona

Está formado por una rueda dentada y un tornillo sin fin en el que la rosca engrana perfectamente con los dientes de la rueda.
Sirve para transmitir movimientos de rotación entre dos ejes perpendiculares.



Se emplea en la conversión de un movimiento giratorio en uno lineal continuo cuando sea necesaria una fuerza de apriete muy grande.



Cuando el piñón gira, sus dientes empujan los de la cremallera, provocando el desplazamiento lineal de esta.
Si lo que se mueve es la cremallera, sus dientes empujan a los del piñón consiguiendo que este gire y obteniendo en su eje un movimiento giratorio.



La leva y la excéntrica

La leva

La leva tiene la forma de una rueda con un resalte. Cuando gira, el resalte empuja una pieza llamada seguidor que se mueve en línea hacia arriba y hacia abajo.
Es un mecanismo no reversible.



La leva 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).



Este mecanismo se emplea en: 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...

La excéntrica

Es un disco circular que gira alrededor de un eje que no pasa por el centro.
Transforma el movimiento circular de la excéntrica en movimiento rectilíneo alternativo del seguidor.

El árbol de levas

El árbol de levas es un mecanismo que se forma al disponer varios sistemas de levas en un eje común.

Biela-manivela

El mecanismo de biela-manivela transforma e giro de la manivela en un movimiento rectilíneo de vaivén. Pero también puede funcionar a la inversa

El cigüeñal

El cigüeñal es un mecanismo que se forma al disponer varios sistemas biela-manivela en un eje común.



Motor de automóvil



El motor de automóvil contiene varios tipos de mecanismos:
  1. Un cigüeñal, que es impulsado por las bielas conectadas a los pistones.
  2. Un árbol de levas para regular la acción de las válvulas de escape.
  3. Engranajes de la transmisión y caja de cambios.
  4. Poleas y correas de fricción.
  5. Piñones y cadenas o correas dentadas.
  6. Volantes de inercia en eje del cigüeñal.






El cardán

Está formado por dos árboles metálicos que terminan en una horquilla cada uno. Cada horquilla se articula a la otra mediante una cruceta.
Este mecanismo permite transmitir un movimiento de rotación en una dirección distinta.



Volante de inercia

El volante de inercia es un elemento totalmente pasivo, que únicamente permite almacenar al sistema energía cinética inercial.
Este volante continúa su movimiento por inercia aún después de que cese el par motor que lo propulsa. De esta forma, el volante de inercia se opone a las aceleraciones bruscas en un movimiento rotativo. Así se consiguen reducir las fluctuaciones de velocidad angular. Es decir, se utiliza el volante para suavizar el flujo de energía entre una fuente de potencia y su carga.

Algunos ejemplos de dichos usos son:
  1. Absorber la energía de frenado de un vehículo, de modo que se reutilice posteriormente en su aceleración.
  2. Como dispositivos para suavizar el funcionamiento de instalaciones generadoras de energía eléctrica mediante energía eólica y energía fotovoltaica, así como de diversas aplicaciones eléctricas industriales.
  3. En los ferrocarriles eléctricos que usan desde hace mucho tiempo un sistema de freno regenerativo que alimenta la energía extraída del frenado nuevamente a las líneas de potencia; con los nuevos materiales y diseños se logran mayores rendimientos en tales fines.





Ruedas de fricción

Una transmisión por rueda de fricción es un mecanismo de transmisión constituido por dos o más ruedas que están en contacto a una cierta presión, de modo que, cuando una de ellas gira, la que está en contacto con esta gira también por efecto del rozamiento.



El material empleado en las ruedas de fricción suele ser caucho o similar con coeficiente de fricción elevado.
Las formas más habituales de las ruedas de fricción son: cilíndrica, troncocónica y esférica.



Sus aplicaciones prácticas son muy limitadas debido a que no puede transmitir grandes esfuerzos entre los ejes, pues todo su funcionamiento se basa en la fricción que se produce entre las dos ruedas.
Lo podemos encontrar en las dinamos de la bicicletas, sistemas de transmisión de movimiento a norias y balancines, tocadiscos...



Trinquete

Es un mecanismo que permite el giro de un eje en un sentido, pero lo impide en sentido contrario y se utiliza cuando es necesario asegurar un sentido único de giro, como sucede en las cabrias, gatos o aparatos de elevación, impidiendo que la carga se convierta en elementos motriz cuando la fuerza de elevación cesa.



La rueda dentada posee unos dientes inclinados especialmente diseñados (denominados dientes de trinquete) para desplazar a la uñeta durante el giro permitido y engranarse con ella cuando intenta girar en el sentido no permitido.
La uñeta hace de freno, impidiendo el giro de la rueda dentada en el sentido no permitido.



Como conversor de movimiento alternativo en discontinuo se encuentra en:
  1. Las ruedas de dientes curvos
  2. Gatos de elevación de coches
  3. Relojes
  4. Mecanismos de tracción manual

Como limitador del sentido de giro se emplea en:
  1. Frenos de mano de automóviles
  2. Rueda trasera de las bicicletas
  3. Cabrestantes de barcos
  4. Mecanismos de relojería
  5. Llaves fijas
  6. Destornilladores



La utilización de este tipo de trinquete queda limitada a velocidades medias y bajas, pues a velocidades elevadas es preciso un resorte de recuperación de fuerza considerable que disminuye el rendimiento del mecanismo.


Poleas

Polea simple

La polea simple está formada por una rueda acanalada, generalmente maciza por la que se hace pasar una cuerda o cable y gira alrededor de un eje que pasa por su centro.



Se usa para mover una carga (P) sujeta a un extremo, tirando del otro extremo de la cuerda, ejerciendo una fuerza (F). Este mecanismo nos ahorra esfuerzo porque utilizamos el peso de nuestro propio cuerpo para ayudarnos a tirar.

Sistemas de poleas

Existen sistemas con múltiples de poleas que pretenden obtener una gran ventaja mecánica, es decir, elevar grandes pesos con un bajo esfuerzo.
Los sistemas de poleas permiten transmitir el movimiento circular entre partes separadas, aunque no pueden evitar que la transmisión deslice.



Estos sistemas de poleas son diversos, aunque tienen algo en común, en cualquier caso se agrupan en grupos de poleas fijas y móviles: destacan los polipastos.

Polipastos

Es una combinación de poleas fijas y móviles recorridas por una sola cuerda que tiene uno de sus extremos anclado a un punto fijo.

Poleas de transmisión

El sistema de poleas con correa más simple consiste en dos poleas separadas a una determinada distancia, que giran debido al roce de una correa con ambas poleas. Las correas suelen ser cintas de cuero flexibles y resistentes o correas de goma. Es este un sistema de transmisión circular puesto que ambas poleas poseen movimiento circular. El sentido de giro de las poleas se puede cambiar según la disposición de la correa.

Elementos de un sistema de poleas con correa

  1. La polea motriz, también llamada polea conductora

    Es la polea ajustada al eje motor que tiene movimiento propio.
  2. Polea conducida

    Es la polea ajustada al eje que tenemos que mover.
  3. La correa de transmisión

    Es una cinta o tira cerrada de cuero, caucho u otro material flexible que permite la transmisión del movimiento entre ambas poleas. La correa debe mantenerse lo suficientemente tensa para que cumpla su función adecuadamente.
Las poleas de transmisión mediante correas permiten transmitir el movimiento circular entre partes separadas, aunque no pueden evitar que la transmisión deslice.



Si la polea motriz tiene un diámetro mayor que el de la polea conducida el sistema es multiplicador de velocidad, el decir, que la velocidad de la polea conducida es mayor que el de la polea motriz. Si el diámetro de la polea motriz es mayor que el de la polea conducida el sistema es reductor de velocidad, el decir, que la velocidad de la polea conducida es menor que el de la polea motriz.


Transmisión entre ejes paralelos, conserva el sentido del giro Transmisión entre ejes paralelos, invirtiendo el sentido del giro Transmisión entre ejes oblicuos


Consideraciones sobre los mecanismos

Con las máquinas simples podemos aplicar una fuerza a lo largo de un recorrido mayor, permitiéndonos hacer un trabajo con menor esfuerzo.

Los engranajes cilíndricos o cónicos, piñón-corona y tornillo sin fin-cremallera, transmiten el movimiento circular entre partes próximas.



El tornillo-tuerca, la leva y la excéntrica, sirven para transformar un movimiento circular en movimiento lineal



El piñón-cremallera, la biela-manivela, y el cigüeñal, son mecanismos reversibles, y transforman el movimiento circular en lineal o viceversa.