TEMA 7.- ENERGÍA, MÁQUINAS Y MECANISMOS
ÍNDICE
0.- INTRODUCCIÓN
1.- LA ENERGÍA Y EL TRABAJO
1.1.- Las transformaciones de la energía
1.2.- El trabajo
1.3.- La potencia
2.- FUENTES DE ENERGÍA
2.1.- El petróleo
2.2.- El carbón
2.3.- El gas natural
2.4.- Los minerales radiactivos
3.-FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLES
3.1.- Energía eólica
3.2.- Energía solar
3.3.- Energía hidráulica
3.4.- Biomasa
4.- LAS MÁQUINAS Y LOS MECANISMOS
4.1.- ¿Qué es una máquina?
4.2.- La ventaja mecánica
4.3.- Los mecanismos
4.4.- Tipos de mecanismos
5.- MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DEL MOVIMIENTO LINEAL
5.1.- La palanca
5.2.- La polea
5.3.- Ejercicios resueltos
6.- MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DEL MOVIMIENTO CIRCULAR
6.1.- Poleas y correa
6.2.- Engranajes
6.3.- Tornillo sin fin
6.4.- La relación de transmisión
6.5.- Ejercicios resueltos
7.- MECANISMOS QUE TRANSFORMAN EL TIPO DE MOVIMIENTO
7.1- Transformación del movimiento circular en lineal
7.2.- Transformación del movimiento circular en lineal alternativo
7.3.- El sistema de biela-manivela
8.- MOTORES TÉRMICOS
8.1.- Los motores
8.2.- Los motores de combustión
8.3.- La turbina de vapor
8.4.- El motor de cuatro tiempos
8.5.- Turbinas de gas
8.6.- Reactores
- ESQUEMA DE LA UNIDAD
- VÍDEOS Y ANIMACIONES
- VOCABULARIO
- ACTIVIDADES
0.- INTRODUCCIÓN
En este tema vamos a ver el concepto de energía, trabajo y potencia. También veremos las distintas fuentes de energía y entre ellas las energías renovables. Después estudiaremos las máquinas y los mecanismos, haciendo una clasificación por los tipos de movimientos que se transmiten o transforman en los mecanismos. Y por últimos veremos los motores térmicos más usados en la actualidad.
Las máquinas nos ayudan a realizar tareas complejas y que costarían gran esfuerzo realizar a mano, reducen el tiempo necesario para realizar esas tareas y disminuyen el riesgo de accidentes.
Las máquinas necesitan energía para funcionar y utilizan los motores para realizar los diferentes movimientos a través de mecanismos y dispositivos eléctricos, neumáticos e hidráulicos.
1.- LA ENERGÍA Y EL TRABAJO
Energía: en física la energía de define como la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo o producir cambios en ellos mismos o en su entorno.
Trabajo: podemos decir que se produce un trabajo cuando dos cuerpos interactúan entre sí. El trabajo es una magnitud física que depende de la fuerza ejercida, la distancia recorrida y la dirección con la que se aplica la fuerza.
1.1.- Las transformaciones de la energía
La energía puede manifestarse de diferentes formas que pueden
convertirse unas en otras. La energía está presente en todos los
procesos o cambios que suceden a nuestro alrededor (movimientos,
reacciones químicas, cambios de temperatura, etc.)
La energía se presenta en forma de luz, calor, electricidad, etc. Podemos decir que la energía ni se crea ni se destruye sino que solo se transforma.
La energía eléctrica puede convertirse en cualquier forma de energía ya sea luminosa, sonara, mecánica, etc. Y tambien podemos generar electricidad a partir de numerosas fuentes de energía.
1.2.- El Trabajo
El trabajo es otra forma de energía, ya que las restantes formas de energía se pueden transformar en trabajo y viceversa. El trabajo se mide en julios. Un julio (J) es la energía que se necesita para elevar en vertical un cuerpo de 1 kg hasta una altura de 1 m.
No se debe confundir el trabajo con el esfuerzo. Podemos realizar mucho esfuerzo intentando mover un mueble, pero si no lo desplazamos, el trabajo realizado es cero.
1.3.- La potencia
La potencia de una máquina es la cantidad de trabajo que es capaz de hacer en un tiempo determinado. La potencia se calcula dividiendo el trabajo realizado por el tiempo que se ha tardado en realizarlo. La potencia se mide en watios (W).
2.- FUENTES DE ENERGÍA
Una fuente de energía es todo material o todo fenómeno a partir del cual se puede obtener energía útil para realizar un trabajo.
Las fuentes de energía se puede clasificar en "No renovables" y "Renovables".
- Fuentes no renovables: son aquellas de las que solo se dispone de una cantidad limitada que no se puede reponer. Se agotan a medida que se utilizan, por ejemplo e carbón, el petróleo, el gas, etc.
- Fuentes renovables: son aquellas fuentes inagotables o que se van reponiendo de forma natural, por ejemplo, el viento, el sol, las corrientes de agua, etc.
2.1.- El petróleo
Es un líquido oscuro y viscoso que se extraer de yacimientos o pozo. Está formado por hidrocarburos. El petróleo se somete a un proceso de refinado para obtener una serie de derivados con la gasolina, el gasoil, la parafina, fertilizantes, pinturas, etc.
2.2. El carbón
Es una roca formada por carbono mezclado con otros elementos. Es el combustible fósil más abundante y más usado en el mundo junto con el petróleo. También es más contaminante y tiene menos eficiencia energética que el petróleo, por eso la tendencia es dejar de usarlo y sustituirlo por otras fuentes de energía.
2.3.- El gas natural
Es una mezcla de hidrocarburos principlamente metano con una pequeña cantidad de propano y butano, que suele encontrarse en la parte superior de los yacimientos petrolíferos formando bolsas de gas.
Se distribuye mediante gaseoductos que van desde los yacimientos a los puntos de consumo. Tambien se transporta en barcos metaneros. Se almacena en bombonas y grandes depósitos.
Su poder calorífico es mayor que otros derivados del petróleo y su combustión apenas produce humos, siendo por su limpieza y facilidad de transporte el más adecuado para uso doméstico.
2.4.- Los minerales radiactivos
Los minerales radiactivos contienen átomos que tienen las propiedad de romperse espontáneamente desprendiendo partículas y energía. Este fenómeno se llama radiatividad natural.
Este proceso se puede provocar de forma artificial bombardeando núcleos pesados con neutrones. Este proceso se llama fisión nuclear y produce una gran cantidad de energía.
Los materiales usados para generar energía nuclear se llaman combustibles nucleares y los más usados son el uranio y el plutonio. Es necesario hacer un proceso de enriquecimiento del mineral para obtener combustible a partir de minerales como la pechblenda o uranita.
3.- FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLES
Son aquellas que no se agotan nunca y siempre están disponibles para su aprovechamiento.
3.1.- Energía eólica
La energía eólica es también un recurso procedente del Sol que genera las corrientes de aire en la Tierra, debido al calentamiento de las capas de la atmósfera.
3.2.- Energía solar
La energía solar es la procedente de la radiación del Sol. Para su aprovechamiento se tienen en cuenta el número de horas anuales de Sol en una región determinada.
3.3.- Energía hidráulica
3.4.- Biomasa
4.- LAS MÁQUINAS Y LOS MECANISMOS Las máquinas y mecanismos son elementos fundamentales para entender cómo funcionan diferentes dispositivos y sistemas en nuestra vida cotidiana.
4.1.- ¿Qué es una máquina?
Una máquina es un conjunto de piezas que trabajan juntas para realizar un trabajo específico, como una bicicleta o un reloj.
4.2.- La ventaja mecánica
La ventaja mecánica se refiere a la relación entre la fuerza de entrada aplicada a un mecanismo y la fuerza de salida que se obtiene. En términos simples, la ventaja mecánica es la capacidad de un mecanismo para multiplicar o aumentar la fuerza aplicada.
Por ejemplo, una palanca puede proporcionar una ventaja mecánica al permitirnos levantar un objeto pesado con menos esfuerzo, ya que la longitud del brazo de la palanca nos permite aplicar una fuerza menor para levantar el objeto. Comprender y aprovechar la ventaja mecánica en los mecanismos nos ayuda a diseñar sistemas más eficientes y a realizar trabajos con mayor facilidad.
4.3.- Los mecanismos
Por otro lado, un mecanismo es un sistema de piezas móviles que transforma un movimiento en otro, como una polea o una palanca. Estudiar máquinas y mecanismos nos ayuda a comprender cómo se diseñan, construyen y utilizan diferentes aparatos, lo que nos permite mejorar nuestra capacidad para resolver problemas y crear nuevas tecnologías.
4.4.- Tipos de mecanismos
5.- MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DEL MOVIMIENTO LINEAL
Los mecanismos de transmisión lineal transmiten el movimiento, la fuerza y la potencia producidos por un elemento motriz o motor de manera lineal a otro punto. Entre estos mecanismos se encuentran las palancas, las poleas y los polipastos. Un balancín es un ejemplo de palanca.
5.1.- La palanca
La palanca es una máquina simple cuya función consiste en transmitir fuerza y desplazamiento. Está compuesta por una barra rígida que puede girar libremente alrededor de un punto de apoyo, llamado fulcro.
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 resuelto: Calcula la fuerza que tenemos que hacer para mover una carga de 100 kg con una palanca de primer grado, siendo la distancia desde el punto de apoyo a la carga 0.5 m y la distancia desde el punto de apoyo hasta el punto donde se aplica la fuerza F, 1.5 m.
F * Bf = R * Br --> F = (R * Br)/Bf --> F= (100 * 0.5)/1.5 = 33,33 kg
Para expresar el resultado en Newton multiplicamos por 9.8
F= 33.33 * 9.8 = 326.66 N
palanca de primer grado. Sabemos que la distancia de la carga al punto de apoyo es50 cm, la distancia de la potencia al punto de apoyo es 150 cm. (Sol: 326,7 N)
5.2.- La polea
5.3.- Polipastos
