Tecnología 3º ESO Unidad 4.- Máquinas y mecanismos

TEMA 4.- MÁQUINAS Y MECANISMOS

ÍNDICE

1.- MÁQUINAS: PARTES Y CLASIFICACIÓN

1.1.- Clasificación de las máquinas
1.2.- Partes de las máquinas

2.- TRABAJO, ENERGÍA, RENDIMIENTOS Y POTENCIA DE LAS MÁQUINAS

2.1.- Trabajo, energía y rendimiento
2.2.- Potencia

3.- MÁQUINAS SIMPLES

3.1.- La palanca
3.2.- El tornillo
3.3.- La polea
3.4.- El plano inclinado

4.- MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DEL MOVIMIENTO

4.1.- El conjunto leva-seguidor
4.2.- El trinquete
4.3.- El tornillo sin fin

4.- ACTIVIDADES Y EJERCICIOS

1.- MÁQUINAS: PARTES Y CLASIFICACIÓN

MÁQUINA: una máquina es un conjunto de elementos fijos o móviles, que interactúan entre sí y que es capaz de realizar un trabajo o aplicar una fuerza, los elementos que constituyen las máquinas se llaman mecanismos. Las máquinas nos permiten reducir el esfuerzo o el tiempo necesario para realizar un trabajo.

MECANISMO: Cada uno de los elementos o componentes que forman parte de una máquina, que son móviles y se encuentran vinculados entre sí a través de diversas clases de uniones; esto hace que dicha máquina pueda transmitir fuerzas y movimientos. El mecanismo es el encargado de permitir dicha transmisión.

1.1.- Clasificación de las máquinas

 En función del número de mecanismos que conformen la máquina se distinguen dos tipos de máquinas: simples y compuestas.

Máquinas simples: realizan su trabajo en un sólo paso o etapa. Por ejemplo las tijeras donde sólo debemos juntar nuestros dedos. Básicamente son tres: la palanca, la rueda y el plano inclinado. Muchas de estas máquinas son conocidas desde la antigüedad y han ido evolucionando hasta nuestros días.

 

* ¿Para qué sirven?

 - Solucionan problemas: por ejemplo levantar pesos...

 - Facilitan el trabajo: Transportar cargas pesadas...

 - Ahorran esfuerzos: Subir escaleras o plantas...

 - Agilizan tareas: realizan trabajos en menos tiempo...

* ¿Cómo se distinguen?

 - Hay una fuerza aplicada en un punto o en una superficie.

 - Hay una resistencia por vencer: el peso de una carga, etc.

 - Contienen un punto de apoyo: punto donde descansa una palanca, etc.

 - Realizan un trabajo: siendo el producto de una fuerza por una distancia.

Máquinas complejas: Una máquina compuesta es la combinación y unión de diversas máquinas simples, de forma que la salida de cada una de ellas está directamente conectada a la entrada de la siguiente hasta conseguir el efecto deseado. Realizan el trabajo encadenando distintos pasos o etapas. Por ejemplo, un cortauñas 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 cuña.

Otras clasificaciones de las máquinas pueden ser:

1.- Según la transformación que se produzca: energía o información
2.- Según el lugar de aplicación: hogar, agricultura, industria, transporte, etc.
3.- Según tengan movimiento o no: estáticas (panel solar) o dinámicas (aerogenerador).

Actividad 1: Dibuja una tabla con tres columnas. En la primera escribe el nombre de cinco máquinas que conozcas. En la segunda escribe el problema que resuelve y en la tercera el tipo de energía que utiliza.

MÁQUINA	Problema que resuelve		Energía que utiliza
Robot Limpiador	Barrer y limpiar el suelo de una casa		Energía eléctrica. Baterías recargable

1.2.- Partes de las máquinas

Simplificando, se puede decir que una máquina está formada por 5 elementos principales:

1. Elemento motriz: dispositivo que introduce la fuerza o el movimiento en la máquina (un motor, esfuerzo muscular, etc.).
2. Mecanismo: dispositivo que traslada el movimiento del elemento motriz al elemento receptor.
3. Elemento receptor: recibe el movimiento o la fuerza para realizar la función de la máquina (un ejemplo de elementos receptores son las ruedas).
4.- Estructura: es el esqueleto de la máquina donde se soportan y apoyan todos los elementos de la máquina, además de proporcionar protección al conjunto de la máquina. En un vehículo sería el chasis y la carrocería.
5.- Elementos de control: Son los encargados de regular el funcionamiento de la máquina, mediante circuitos eléctricos o electrónicos, que permiten poner en marcha o parar la máquina, regular la velocidad, activar medidas de seguridad y protección para el operario, etc.
                             
                                  |  Elemento motriz: fuerza muscular del ciclista sobre los pedales.
Ejemplo: bicicleta   |  Mecanismo: cadena.
                                  |  Elemento receptor: ruedas.
                                  |  Estructura: Barras, amortiguadores, sillín, bastidor, etc.
                                  |  Elementos de control: frenos, cambio de marchas, etc.

Actividad nº 2: Copia en tu cuaderno una tabla con cinco columnas, indicando si las máquinas disponen de las partes descritas:

MÁQUINA	ESTRUCTURA	MOTOR	MECANISMOS	ELEMENTOS DE CONTROL
Exprimidor
Calentador de agua
Lavadora
Vídeo
Ordenador
Secador de pelo
Frigorífico
Bicicleta
Tostadora
Coche

2.- TRABAJO, ENERGÍA, RENDIMIENTOS Y POTENCIA DE LAS MÁQUINAS

2.1.- Trabajo

Se llama trabajo mecánico a aquel desarrollado por una fuerza cuando ésta logra modificar el estado de movimiento que tiene un objeto. El trabajo mecánico equivale, por lo tanto, a la energía que se necesita para mover el objeto en cuestión.

El trabajo se calcula mediante la expresión:  W= F x d

Donde "W" es el trabajo realizado, "F" es la fuerza aplicada y "d" es el desplazamiento del objeto

El trabajo se expresa en Julios, la fuerza se expresa en Newton y el desplazamiento en metros.

Ejercicio 1: Un operario empuja una carretilla empleando una fuerza de 50 N a lo largo de 100 metros.

Aplicando la expresión: W=Fxd obtenemos W= 50x100 = 500 julios

2.2.- Potencia

El concepto de potencia se emplea para identificar la cantidad de trabajo que se desarrolla por unidad de tiempo. Puede calcularse, en este sentido, dividiendo la energía consumida por el tiempo invertido. En el lenguaje coloquial, potencia es sinónimo capacidad de realizar un trabajo, a mayor potencia menor tiempo se emplea en realizar el mismo trabajo,

La potencia se calcula mediante la expresión: P=W/t   y se expresa en watios (W)

Donde "P" es la potencia, "W" es el trabajo realizado y "t" es el tiempo invertido en realizar ese trabajo.

Ejemplo 2: Para levantar una caja 2 metros de altura de ha de hacer un fuerza de 500 N. Una polea con un motor A tarda 5 segundos en subir la caja y otra polea con un motor B tarda 10 segundos.

a) ¿Qué trabajo realiza el motor A y el B?

    Wa =Wb = F x d = 500 x 2 = 1000 J

b) ¿Cuál es la potencia útil de A y de B?

     Putil(a) = Wa  / t(a) = 1000 / 5 = 200 W

     Putil(b) = Wb / t(b) = 1000 / 10 = 100 W

2,3,- Rendimiento

Rendimiento, en física y en tecnología,se expresa como la eficacia energética de un dispositivo, máquina, etc, expresa el cociente entre:

• La energía obtenida (energía útil) de su funcionamiento y la energía suministrada o consumida por la máquina o el proceso.

${\displaystyle \eta ={E_{\mathrm {obtenida} } \over E_{\mathrm {suministrada} }}}$

Donde:

${\displaystyle \eta }$ representa el rendimiento y ${\displaystyle E}$ la energía.

• El trabajo obtenido (trabajo útil) de su funcionamiento y el trabajo suministrado o consumido por la máquina o el proceso.

${\displaystyle \eta ={W_{\mathrm {obtenido} } \over W_{\mathrm {suministrado} }}\,}$

Donde:

${\displaystyle \eta }$ representa el rendimiento y ${\displaystyle W}$ el trabajo.

 3.- MÁQUINAS SIMPLES

 3.1.- La palanca

La palanca es una barra rígida que se balancea sobre un de apoyo fijo o articulación situado en cualquier punto de su longitud. Dependiendo de donde esté situado el apoyo tendremos diferentes tipos de palancas y las fuerzas aplicadas cambiaran. El objetivo de la palanca es levantar grandes pesos realizando pequeñas fuerzas.

La expresión matemática que establece la relación o equilibrio de fuerzas aplicadas en la palanca, se denomina "Ley de la Palanca", y es la siguiente:

    F x Bf = R x Br

Es decir: La fuerza aplicada por el brazo de la fuerza es igual a la resistencia por el brazo de la resistencia.

Basándonos en la definición de palanca, podemos distinguir los siguientes elementos:

• Fuerza (F): fuerza que aplicamos en un punto de la palanca para obtener un resultado. La fuerza la podemos aplicar manualmente con nuestra propia fuerza, o través de un motor o cualquier otro mecanismo.
• Resistencia (R): fuerza que tenemos que vencer; normalmente corresponde a un peso o una carga situada en un extremo de la palanca.
• Brazo de potencia (Bf), distancia entre el punto en el que aplicamos la fuerza y el punto de apoyo.
• Brazo de resistencia (Br): distancia entre el punto donde está aplicada la resistencia y el punto de apoyo.

Ejercicio 1: Determinar en la siguiente imagen el tipo de palanca de cada objeto:

 

Ejercicio 2: Determinar la fuerza, la resistencia o la distancia en cada uno de los siguientes casos indicados en la imagen.

3.2.- El tornillo

Permite elevar cargas de forma continua sin apenas realizar esfuerzo. Por ejemplo cuando se va a realizar un pozo, un tornillo penetra en la tierra y a la vez que gira para penetrar en ella expulsa la tierra para dejar un agujero en la misma.

 Los primeros antecedentes de la utilización se remontan al tornillo de Arquímedes, desarrollado por el sabio griego alrededor del 300 a. C., empleándose ya en aquella época profusamente en el valle del Nilo para la elevación de agua.

 Otra de las aplicaciones más importantes del tornillo es cuando se utiliza con una tuerca.

El avance depende depende de dos factores:

• La velocidad de giro del elemento motriz.
• El paso de la rosca del tornillo, es decir, la distancia que existe entre dos crestas de la rosca del tornillo. Cuando mayor sea el paso, mayor será la velocidad de avance.

Veamos algunos instrumentos que incorporan este mecanismo:

3.3.- La polea

Una polea es una rueda con una ranura en el borde que gira alrededor de un eje. Este se encuentra sujeto a una superficie fija. Por la ranura de la polea se hace pasar una cuerda o cable que permite vencer de forma cómoda una resistencia (R) aplicando una fuerza (F). 
Existen dos tipos de poleas:
- Fijas: No se desplazan, están fijadas a un soporte.
- Móviles: Pueden desplazarse en un movimiento lineal.

3.4.- El plano inclinado

Permite subir o bajar objetos realizando menos esfuerzos. A mayor longitud tenga el plano inclinado y menor pendiente menos esfuerzo tendremos que realizar. Cuanto menor sea la pendiente o inclinación, menor será el esfuerzo y la distancia a recorrer, será mayor.

 4.- MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO.

Los mecanismos de transmisión de movimiento son elementos que transmiten el movimiento sin transformarlo, es decir el elemento motriz se mueve con movimiento circular y transmite ese movimiento circular a otro elemento con el que se encuentra en contacto.
Hay cuatro tipos de movimiento:

LINEAL: La trayectoria del movimiento tiene forma de línea recta. Por ejemplo: el movimiento de una bicicleta o de una puerta corredera.

CIRCULAR: La trayectoria del movimiento tiene forma de circunferencia. Por ejemplo: el movimiento de una rueda o el movimiento de la broca de una taladradora.

ALTERNATIVO: La trayectoria del movimiento tiene forma de línea recta pero es un movimiento de ida y vuelta. Por ejemplo, el movimiento de la hoja de una sierra de calar.

OSCILANTE: La trayectoria del movimiento tiene forma de arco de circunferencia. También es un movimiento de ida y vuelta. Por ejemplo: el péndulo de un reloj o el de un columpio.

5.- MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTO.

5.1. El conjunto leva-seguidor