MECANISMOS Y MÁQUINAS

3º DE E.S.O.ÁREA TECNOLÓGICA

Tema 3

Esquema del tema 3

OBJETIVOS DE LA UNIDAD

Al finalizar la unidad debes:

Conocer los fundamentos de la máquinas simples.

Comprender los mecanismos simples como partes de máquinas más complejas.

Aprender a diseñar máquinas sencillas para resolver problemas cotidianos.

Valorar el uso de las máquinas a lo largo de la historia.

Definición

En física, una máquina simple es un mecanismo o conjunto de mecanismos que transforman una fuerza aplicada en otra saliente, habiendo modificado la magnitud de la fuerza, su dirección, su sentido o una combinación de ellas.

Una máquina simple, es un dispositivo que se utiliza para dar comodidad en una tarea y a veces para ahorrar fuerza

1. Tipos: Cuña

La cuña es una máquina simple consistente en una pieza de madera o de metal terminada en ángulo diedro muy agudo. Técnicamente es un doble plano inclinado portátil. Sirve para hender o dividir cuerpos sólidos, para ajustar o apretar uno con otro, para calzarlos o para llenar alguna raja o hueco.

1. Tipos: Palanca

La palanca es una máquina simple compuesta por una barra rígida que puede girar libremente alrededor de un punto de apoyo, o fulcro, y sirve para transmitir una fuerza.

Puede utilizarse para amplificar la fuerza mecánica que se aplica a un objeto, incrementar la distancia recorrida, o su velocidad, en respuesta a la aplicación de una fuerza.

1. Tipos: Plano inclinado

El plano inclinado, es una de las máquinas simples, ya que permite reducir la fuerza necesaria a aplicar para elevar una carga. Es una superficie plana que forma un ángulo agudo con el suelo y se utiliza para elevar cuerpos a cierta altura.

1. Tipos: Polea

1. tipos. El torno

Es una máquina que nos facilita la elevación de carga ahorrándonos esfuerzo. Muy utilizado en pozos y esclusas fluviales.

1. Tipos: Tornillo

La tuerca husillo es un tipo de mecanismo que está constituido por un tornillo (husillo) que al girar produce el desplazamiento longitudinal de la tuerca en la que va enroscado(movimiento rectilíneo).

El tornillo de Arquímedes es una máquina utilizada para elevación de agua, harina o cereales. Fue supuestamente inventado en el siglo III adC por Arquímedes, del que recibe su nombre, aunque existen hipótesis de que ya era utilizado en Egipto.

Tornillo de Arquímedes

2. ESTUDIODE

MECANISMOS

2. Máquinas simples. Palancas

En física, la fórmula de la palanca es:

P · b2 = R · b1

Se lee así: Potencia x brazo de Potencia = Resistencia x brazo de Resistencia

P la Potencia, o fuerza que ejercemos, R la Resistencia, o fuerza que transmitimos o vencemos;b2 y b1 son las distancias que hay del punto de apoyo (fulcro) a P y R.

Brazo de resistencia b1

2. Máquinas simples. Palancas

Existen tres tipos en función de donde se coloquen P, R y el

Fulcro (punto de apoyo)

Observa

2. Máquinas simples. Palancas

1º grado

2º grado

3º grado

Observa los tipos

2. Máquinas simples. Palancas

1º grado 2º grado 3º grado

Observa los tipos

2. Máquinas simples. Palancas

1º grado

2º grado

3º grado

Aplicaciones en objetos

2. Máquinas simples. poleas

Polea --F = R

Polipasto n =1 F = R/21 polea móvil

Polipasto n = 2 F = R/42 poleas móviles

Polipasto

F = R/2nn es el nº de poleas móviles

2. Máquinas simples. poleas

Observa como se calcula la fuerza necesaria para levantar el peso

Cálculos en el El torno

r

R

P

Q

2. Plano inclinado

A

BF1

F1 = G x BC/AB

C

G = peso

3. Mecanismos de trasmisión

Por engranajes

Por correa

Por cadena

Por Cardan

Tornillo sin fin

Tren de poleas

Tren de engranajes

Piñón-cremallera Husillo-tuerca Biela- manivela Excéntrica Cigüeñal Leva y seguidor

Transmisiones

trenes

Transformadores de movimiento

Por engranajesPor cadena

Está formado por dos ruedas dentadas engranadas directamente o por cadena

Z1 x V1 = Z2 x V2

Z1 = Nº dientes de rueda 1

V1 = rpm rueda 1

Z2 = Nº dientes de rueda 2

V2 = rpm rueda 2

Z1 = 10 dientes

Z2 = 20 dientes

50 rpm

25 rpm

rpm = revoluciones por minuto

Z1 = 10 dientes

Z2 = 20 dientes

50 rpm

25 rpm

Observa

Por correaEl mecanismo está formado por dos ruedas simples acanaladas, de manera que se pueden conectar mediante una cinta o correa tensionada

D1 x V1 = D2 x V2

D1 = diámetro de rueda 1

V1 = rpm rueda 1

D2 = diámetro de rueda 2

V2 = rpm rueda 2

D1 = 10 cm

D2 = 20 cm50 rpm

25 rpm

rpm = revoluciones por minuto

Observa

Por tornillo sin fin

Este mecanismo permite transmitir el movimiento entre árboles que se cruzan. El eje propulsor coincide siempre con el tornillo sin fin, que comunica el movimiento de giro a la rueda dentada

1 vuelta del sin fin desplaza un diente de la rueda

Observa

Z2 = 20 dientes

V1 =1 vuelta

V2 = 20 vueltas

r = V1/V2; 1:20

V2 = nº vueltas del sin fin

V1 = nº vueltas de la rueda

Tren de engranajes

El mecanismo está formado por más de dos ruedas dentadas compuestas, que engranan. Las ruedas compuestas constan de dos o más ruedas dentadas simples solidarias a un mismo. Sus formulas son las mismas que para los trenes de dos ruedas

El mecanismo de la figura consigue reducir la velocidad del tercer eje a una cuarta parte del primero.

Observa

Z1 = 10 dientes

V1 =100 rpm Z2 = 20 dientes

Z3 = 10 dientes

Z4 = 20 dientes

V2 =50 rpm

V3 =50 rpm

V4 =25 rpm

1 2 3

Tren de poleas

El mecanismo está formado por más de dos poleas. Sus formulas son las mismas que para los trenes de dos ruedas

El mecanismo de la figura consigue reducir la velocidad del tercer eje a una cuarta parte del primero.

Observa

D1 = 10 cm

V1 =100 rpm D2 = 20 cm

D3 = 10 cm

D4 = 20 cm

V2 =50 rpm

V3 =50 rpm

1 23

V4 =25 rpm

Biela - manivela

El mecanismo de biela - manivela es un mecanismo que transforma un movimiento circular a un movimiento de traslación (o viceversa). El ejemplo actual más común se encuentra en el motor de combustión interna de un automóvil, en el cual el movimiento lineal del pistón producido por la explosión de la gasolina se trasmite a la biela y se convierte en movimiento circular del cigüeñal. Aplicado por George Stephenson en la primera máquina de vapor.

Piñón-cremallera

Es un sistemacompuesto por unpiñón y una barradentada. Losdientes del piñónengranan en labarra de forma queel movimiento delpiñón produce eldesplazamiento dela barra o a lainversa. La barrapuede ser un sectordentado.

Husillo-tuerca

Al girar la manivela del gato, gira la tuerca y avanza por el husillo linealmente de forma que se cierran las barras articuladas.

Circular alternativoExcentrica-Cigüeñal-Leva

Excéntrica. Es una rueda que tiene una barra rígida unida en un punto de su perímetro.

Cigüeñal. Es un sistema compuesto por la unión de múltiples manivelas acopladas a sus correspondientes bielas

Leva. Es un dispositivo que al girar es capaz de accionar un elemento al que no está unido y moverlo de forma alternativa.

Convierten el movimiento circular en alternativo

Circular alternativoBiela manivela

Es un mecanismo compuesto de dos barras articuladas, de forma que una gira y la otra se desplaza linealmente por una guía, transformando el movimiento circular en alternativo de vaivén. Es muy utilizado en todo tipo de maquinas y sobre todo en motores de motos y coches.

motor de 4 tiemposmotor de 2 tiempos

4. Motores para volar

Motores para volar

Veamos primero el principio físico en el que están basados los motores a reacción de los aviones.

Se llama de acción y reacción.

Observa: Ejemplos

Motores para volar

Turborreactor

Gases de salida=>acción

Reacción=> empuje del motor hacia adelante

Motores para volar

Turbofan (ventilador)

El motor Turbofan, es idéntico al turborreactor excepto en una gran diferencia: El Turbofan tiene un gran abanico (Fan) en la parte delantera de la turbina el cual esta directamente conectado con la etapa de turbinas, la cual lo hace girar. La gran ventaja de este diseño es que éste puede acelerar un mayor volumen de aire que el turborreactor sin tener que quemar más cantidad de combustible en el proceso, ya que no todo el aire que genera el fan va a la cámara de combustión para ser quemado, sino que es dirigido alrededor y en el exterior de la turbina, el cual genera una cantidad considerable de empuje de aire frío, debido en gran parte al diseño avanzado del fan

Veamos como funciona

Motores para volar

Turbofan (ventilador)

Motores para volar

Turbopropulsor

Motores para volar

Estatorreactor

Funcionan de la siguiente manera: primero el aire que se dirige hacia la entrada del reactor, que esta en movimiento a gran velocidad, donde resulta parcialmente comprimido y aumenta su temperatura por el efecto de presión dinámica. Si la velocidad a la que entra el aire en el motor es lo bastante alta, esta compresión puede ser suficiente y el reactor podría funcionar sin compresor ni turbina.

Motores para volar

Pulsorreactor

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Maqueta de la máquina de vapor

Locomotora

Arquímedes de Siracusa287-212 a.c. Matemático e Ingeniero

Descubrimiento del cálculo integral con

sus estudios acerca de las áreas y

volúmenes de figuras sólidas curvadas

y de áreas de figuras planas; realizó un

exhaustivo estudio de la espiral

uniforme, conocida como espiral de

Arquímedes; determinó el resultado de

la serie geométrica de razón 1/4, el más

antiguo del que se tiene noticia; creó un

sistema numérico posicional para

escribir números muy grandes; inventó

una máquina para la elevación de agua,

el tornillo de Arquímedes, así como la

balanza que lleva su nombre; enunció la

ley de la palanca lo que le llevó a

proferir la célebre frase Dadme un punto

de apoyo y moveré el mundo; inventó la

polea compuesta, basada en el principio

de la palanca, empleándola para mover

un gran barco para sorpresa del

escéptico Hierón.

George Stephenson

Nació el 9 de junio de 1781 en Wylam,

Northumberland (Gran Bretaña). Hijo de un peón

minero, en su infancia guardó vacas y no aprendió

a leer hasta los 18 años. Posteriormente trabajó

como zapatero, sastre y relojero. En 1804 entró en

las minas de Killingsworth en sustitución de su

padre que se había quedado ciego. Pronto destacó

por una serie de prácticos inventos. En 1810, un

agricultor de la comarca le enseñó nociones de

matemáticas, de mecánica y de química. Dos años

más tarde comenzó a ejercer como ingeniero-

director de aquellas minas. Inventó una de las

primeras lámparas de seguridad que se usaron en

las minas, aunque compartió el mérito de la

invención con el británico Humphry Davy, que creó

una lámpara parecida por la misma época. Sus

primeros trabajos en el diseño de la locomotora se

limitaron a la construcción de máquinas para

transportar cargas en las minas de carbón, y en

1823 creó una fábrica en Newcastle para su

producción. En 1829 diseñó una locomotora

conocida con el nombre de Rocket, que

transportaba tanto cargamento como pasajeros, y

a una velocidad superior a la de ninguna otra

construida hasta entonces.

Palanca de 1er grado

Fulcro entre la potencia y la resistencias

P · b2 = R · b1

Palanca de 1er grado

P · b2 = R · b1

Si queremos levantar una masa de 200 Kg y las distancias b1 = 1 mt y b2 = a 4 mts, ¿Qué fuerza tenemos que ejercer para conseguirlo?.

Primero calculamos la fuerza a vencer

200 Kg x 10 mt/s2 = 2000 N de fuerza.

Recuerda la fuerza es igual a la masa x aceleración de la gravedad (10 mts/s2 )

F=masa x g

Ahora aplicamos la formula de la palanca

P X 4 = 1 X 2000 P = 500 N ¡ 4 veces menos!

200 Kg

1 mt

4 mts

?

Palanca de 2er grado

Resistencia entre el fulcro y la potencia

P · b2 = R · b1

Palanca de 3er grado

Potencia entre la resistencia y el fulcro

P · b2 = R · b1