UNIDAD 7: MECANISMOS

TECNOLOGIAS – 3º ESO

I.E.S. ALTO

GUADIANA (P. 148 Oxford)

11.. IINNTTRROODDUUCCCCIIÓÓNN Las máquinas sirven para hacer más fácil el trabajo al hombre, por ejemplo levantar grandes cargas, desplazarse de un sitio a otro, moler cereales, excavar en la tierra, cortar árboles, triturar carne, etc.

En una máquina la estructura sirve para sostener y proteger al resto de los elementos. La estructura es estática, es decir no se mueve.

También los mecanismos forman parte de la máquina y son los que aportan el movimiento y la fuerza que ayudan al hombre en sus trabajos.

Los mecanismos se pueden definir como elementos destinados a transmitir y transformar fuerzas y

movimientos desde un elemento motriz a un elemento receptor.

EJEMPLO: En un automóvil el elemento motriz es el motor. Los mecanismos son la biela, cigüeñal,

embrague, caja de cambios.... Y, finalmente, las ruedas son los elementos receptores.

Actividades Realiza los ejercicios 1 y 2

22.. CCLLAASSIIFFIICCAACCIIÓÓNN Existen dos grandes grupos de mecanismos:

� De transmisión del movimiento: transmiten el

mismo tipo de movimiento.

Por ejemplo, en el caso de la bicicleta, el sistema

de engranajes y cadenas es un mecanismo de

transmisión de movimiento circular.

� De transformación del movimiento: transforman un tipo de movimiento en otro.

Por ejemplo, en el mecanismo piñón cremallera

el movimiento giratorio del piñón se

transforma en un movimiento lineal de la

cremallera (al girar el piñón hace que la

cremallera se desplace).

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Mecanismos de transmisión: Pueden transmitir movimiento lineal o circular

Mecanismos de transformación: Pueden transformar el movimiento circular en lineal o lineal alternativo.

De circular a lineal

De circular a lineal

alternativo

3

33.. MMEECCAANNIISSMMOOSS TTRRAANNSSMMIISSOORREESS DDEELL MMOOVVIIMMIIEENNTTOO RREECCTTIILLÍÍNNEEOO

3.1. LA PALANCA

Es una barra rígida que se articula en un punto de apoyo (o fulcro), que hace

posible que la barra gire.

Elementos de la palanca

- R = resistencia. Es el peso o la fuerza que tenemos que vencer. Ejemplo: levantar una piedra. - P = potencia. Es la fuerza que tenemos que hacer. - Bm = brazo motor o brazo de la potencia. Es la distancia entre la potencia y el punto de apoyo. - Br = brazo resistente o brazo de la resistencia. Es la distancia entre la resistencia y el punto

de apoyo.

Ley de la palanca

En una palanca en equilibrio la potencia por su brazo es igual a la resistencia por el suyo.

F· Bm = R· Br

Ejemplo: contesta las siguientes preguntas

1. ¿Miden igual los dos brazos de la

palanca?

2. ¿Hacia qué lado se inclinará el balancín?

3. ¿Por qué se inclina ahora el balancín del

lado del niño pequeño?

4. ¿Cuánto tiene que pesar el niño pequeño

para que el balancín esté en equilibrio?

P y R son fuerzas y se miden en Kilogramos (Kg) o Newtons (N).

1 N = 9,8 Kg

Bm y Br son longitudes y se miden en metros o sus submúltiplos.

4

La ley de la palanca lo que nos dice es lo siguiente:

Imagina que quieres levantar una piedra con una palanca, cuanto más largo sea el brazo motor (es

decir, más lejos te pongas del punto de apoyo) y más corto sea el brazo resistente (es decir, cuanto

más cerca esté la piedra del punto de apoyo), te costará menos esfuerzo (P será menor) levantar la

piedra.

Tipos de palancas

1

3

3

1

1

3

3

1

5

Actividades Realiza los ejercicios 3, 4, 5, 6, 7 y 8

3.2. LA POLEA

La polea es un disco que puede girar alrededor de su eje y que dispone en el borde de una acanaladura por la

que se hace pasar una cuerda, un cable o una correa.

Tipos de poleas

44.. MMEECCAANNIISSMMOOSS TTRRAANNSSMMIISSOORREESS DDEELL MMOOVVIIMMIIEENNTTOO CCIIRRCCUULLAARR

4.1. DESCRIPCIÓN Y APLICACIONES

RUEDAS DE FRICCIÓN Descripción Una rueda que recibe el movimiento de un elemento motriz

(ejemplo: un motor) transmite su giro a otra rueda con la que está

en contacto, gracias a que ambas están recubiertas de un material

antideslizante y la fuerza de rozamiento entre ellas es muy alta.

Aplicaciones Son muy limitadas y sólo se pueden utilizar para transmitir

pequeños esfuerzos, ya que si los esfuerzos son muy grandes las

ruedas pueden patinar. Lo podemos encontrar en las dinamos de la

bicicletas, radiocasetes, aparatos de video...

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POLEAS CON CORREA Descripción Son dos poleas situadas a

cierta distancia en las que

giran a la vez por efecto de

una correa.

Aplicaciones

Se utilizan en motores de

automóviles, lavadoras,

taladradoras, etc.

ENGRANAJES Descripción El más simple está formado por dos ruedas con dientes, que encajan entre

sí, de forma que la rueda conductora arrastra a la rueda conducida.

Aplicaciones Este sistema evita que puedan deslizar las ruedas entre si, por lo que

permite utilizarlo para transmitir esfuerzos mayores. Su inconvenientes es

que es un sistema ruidoso, por ello hay que lubricarlos.

Se utiliza en taladradoras, relojes, automóvil...

RUEDAS CON CADENAS Descripción Está formado por dos ruedas dentadas (o piñones) que giran

simultáneamente por medio de una cadena.

Aplicaciones

Este sistema permite transmitir potencias muy grandes y sin

peligro de deslizamiento, ya que la cadena va enganchada a los

dientes de los engranajes. Se utiliza en las bicicletas y

motocicletas para transmitir el movimiento entre el elemento

motriz (pedales o motor) y las ruedas.

TORNILLO SIN FIN

Descripción Un tornillo sin fin recibe el movimiento del elemento motriz (manivela, motor)

y lo transmite a una rueda dentada llamada corona, que transmite el

movimiento a un elemento receptor.

No es reversible, es decir, la corona no puede mover al tornillo sinfín.

Aplicaciones

Es un sistema con el que se consigue una gran reducción de la velocidad.

Transmite el movimiento entre

dos ejes que se cruzan

normalmente a 90 grados. Se

utiliza en las clavijas de la

guitarra, cuentakilómetros,

reductores de velocidad para

motores eléctricos.

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4.2. COMPONENTES En cualquiera de los mecanismos de transmisión tenemos dos componentes fundamentales:

- Rueda conductora: recibe el giro del elemento motriz (motor, manivela...). De ella vamos a dar los siguientes valores:

- Su velocidad, que se mide en vueltas por minuto y la representamos por N1.

- Su diámetro, si se trata de una rueda lisa (sin dientes), que en general lo representamos

por D1.

- Su número de dientes, si se trata de una rueda dentada, que en general lo representamos

por Z1

- Rueda conducida: recibe el movimiento de la rueda conductora y lo transmite al elemento receptor (ruedas). Daremos de ella los mismos valores: velocidad (N2), diámetro (D2) y número

de dientes (Z2).

Tornillo sin fin En este caso el tornillo es siempre el elemento conductor y la rueda dentada es el elemento conducido,

nunca puede ser al revés.

Z2

Z1

N1

N2

Z1

Z2

N1

N2

Z1

Z2

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4.3. SENTIDO DE GIRO Ruedas de fricción y transmisión por engranajes Cuando las ruedas están en contacto el sentido de giro de la rueda conducida es contrario al de la

rueda conductora. Si queremos que ambas giren en el mismo sentido, hay que colocar entre ellas una

rueda loca.

En las figuras de la izquierda la rueda conductora gira en sentido antihorario (contrario a las agujas del reloj) y la rueda conducida gira en sentido horario (el mismo que las agujas del reloj). En las figuras de la derecha, gracias a la rueda loca, tanto la rueda conductora como la rueda

conducida giran en sentido antihorario.

Sistemas de polea con correa y engranajes con cadena Si la transmisión de movimiento se produce por medio de una correa o una cadena las dos ruedas giran

en el mismo sentido. En el caso de las poleas con correa, podemos conseguir invertir el giro cruzando la

correa.

Correa abierta Correa cruzada

Tornillo sin fin El tornillo sin fin y la corona giran alredor de ejes que se cruzan en un ángulo

de 90 grados.

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4.4. TRANSMISIÓN DE LA VELOCIDAD Según el tamaño relativo de las dos ruedas, podremos conseguir aumentar o disminuir la velocidad.

Multiplicación de la velocidad Si la rueda conducida es la más pequeña, su

velocidad será mayor.

Si las dos ruedas tienen el mismo tamaño, la

velocidad será la misma también.

Reducción de la velocidad Si la rueda conducida es la mayor, su velocidad

de giro será menor.

De la misma forma que ocurre en el mecanismos de ruedas de fricción, ocurre en los otros tipos de

mecanismos.

Tornillo sin fin El sistema de tornillo sin fin corona es siempre reductor ya que el

tornillo es el elemento conductor y por cada vuelta del tornillo sin

fin la corona avanza un diente. Eso significa que si, como en el

ejemplo de la figura, la corona tiene 16 dientes, el tornillo sin fin

tiene que dar 16 vueltas para que la corona gire una sola vuelta.

En este caso, por tanto, la velocidad de la corona será 16 veces

menor. Por eso decimos que es un mecanismo que produce una

gran reducción de la velocidad.

Actividades Realiza los ejercicios 11, 12, 13, 14, 15 y 16

4.5. CÁLCULO DE LA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN

La relación de transmisión es la relación de velocidades entre la rueda conducida (o receptor) y la

rueda conductora (o motriz). Se calcula de la misma manera en las ruedas de fricción y en el sistema

de poleas con correa.

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Su expresión es la siguiente:

i es la relación de transmisión. No tiene unidades. D1 es el diámetro de la rueda conductora. Se mide en mm.

D2 es el diámetro de la rueda conducida. Se mide en mm.

N1 es la velocidad de la rueda conductora. Se mide en rpm.

N2 es la velocidad de la rueda conducida. Se mide en rpm.

rpm: revoluciones (o vueltas) por minuto. Ejemplo: Calcula la velocidad de la rueda conducida (N2) en el siguiente sistema de ruedas de fricción:

En primer lugar estudiamos el mecanismo:

• Es un sistema multiplicador (la rueda conducida es más

pequeña que la conductora), por tanto la velocidad de la rueda

conducida va a ser mayor de 250 rpm.

• Como el diámetro de la rueda conducida es tres veces más

pequeño que el de la rueda conductora, la velocidad de la

rueda conducida va a ser tres veces mayor, es decir N2 será

750 rpm.

Ahora lo vamos a resolver matemáticamente:

a) Calcular i: La relación de transmisión nos indica el número de veces por el que

hay que multiplicar la velocidad de la rueda conductora para obtener

la velocidad dela rueda conducida.

b) Calcular N2 :

Actividades Realiza los ejercicios 17 y 18

La relación de transmisión se calcula de la misma manera en las transmisiones que utilizan ruedas

dentadas (engranajes, tornillo sin fin- corona y engranajes con cadenas).

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Su expresión en este caso es la siguiente:

i es la relación de transmisión. No tiene unidades. Z1 es el número de dientes del engranaje conductor.

Z2 es el número de dientes del engranaje conducido.

N1 es la velocidad de la rueda conductora. Se mide en rpm.

N2 es la velocidad de la rueda conducida. Se mide en rpm.

rpm: revoluciones (o vueltas) por minuto.

Ejemplo: Calcula la velocidad del engranaje conducido (N2) en el siguiente sistema de engranajes:

En primer lugar estudiamos el mecanismo:

• Es un sistema multiplicador (el engranaje conducido es más

pequeño que el conductor), por tanto la velocidad del

engranaje conducido va a ser mayor de 60 rpm.

• Como el número de dientes del engranaje conducido es

tres veces más pequeño que el del engranaje conductor, la

velocidad del engranaje conducido va a ser tres veces mayor que

la del engranaje conductor, es decir N2 será 180 rpm.

Ahora lo vamos a resolver matemáticamente:

a) Calcular i: La relación de transmisión nos indica el número de veces por el

que hay que multiplicar la velocidad del engranaje conductor

para obtener la velocidad del engranaje conducido.

b) Calcular N2:

Actividades Realiza los ejercicios 19,20 y 21.

4.6. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN COMPUESTOS

Son varias ruedas engranadas dos a dos. Se consiguen reducciones o multiplicaciones de la velocidad

muy grandes.

También se pueden construir trenes de engranajes de poleas con correa y trenes de engranajes con

cadena. Incluso pueden mezclarse distintos tipos de mecanismos de transmisión en un mismo tren.

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La relación de transmisión total se calcula multiplicando todas las relaciones de transmisión.

Ejemplo de la figura: i12 = 0,5

i34 = 0,33

i56 = 0,5

iT = 0,5 · 0,33 · 0,5 = 0,0825

N2 = iT · N1 = 0,0825 · 600 = 50 rpm

55.. MMEECCAANNIISSMMOOSS TTRRAANNSSFFOORRMMAADDOORREESS DDEELL MMOOVVIIMMIIEENNTTOO CCIIRRCCUULLAARR EENN RREECCTTIILLÍÍNNEEOO

5.1. SISTEMA PIÑÓN-CREMALLERA

El sistema está formado por un piñón (rueda dentada) que

engrana perfectamente en una cremallera. Cuando el piñón

gira sus dientes empujan los de la cremallera, provocando

el desplazamiento lineal de ésta.

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.

Aplicaciones Aunque el sistema es perfectamente reversible, suele utilizarse para la conversión de giratorio en

lineal continuo. Sus principales aplicaciones son: microscopios, retroproyectores, taladros de columna,

movimiento de puertas automáticas de garaje, sistema de dirección de los coches, elevalunas manuales,

sacacorchos, regulación de altura de los trípodes, cerraduras...

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5.2. SISTEMA TORNILLO TUERCA El sistema está formado por un tornillo que se acopla perfectamente a una

tuerca u orificio roscado.

Este sistema puede funcionar de dos formas:

• Si la tuerca está fija (no puede girar ni desplazarse longitudinalmente)

el tornillo es obligado a girar y desplazarse. Un grifo puede ser un

ejemplo de este sistema.

• Si el tornillo no se desplaza longitudinalmente y la tuerca no puede

girar, al girar el tornillo hace que la tuerca se desplace

longitudinalmente.

En la barra de pegamento el tornillo no se desplaza, pero su giro hace que el

cilindro de cola suba o baje debido a que esta es la que hace de tuerca.

También también una puerta automática se puede abrir y cerrar por este

procedimiento.

5.3. SISTEMA MANIVELA-TORNO El sistema está formado por una manivela o barra acodada y un torno que

tiene alrededor una cuerda de la que cuelga un objeto que queremos

levantar. Al girar la manivela (que se puede sustituir por un motor), girará

también el torno y recoge la cuerda.

Este mecanismo suele complementarse con

un trinquete para evitar que la manivela

gire en sentido contrario llevada por la

fuerza que hace la carga.

Aplicaciones Aplicaciones Este sistema permite levantar pesos con menos esfuerzo. Se utiliza en grúas (accionado

por un motor eléctrico, en vez de una manivela), barcos (para recoger velas, redes, anclas...), pozos de

agua (elevar agua), cabrestantes de los automóviles, ascensores.

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66.. MMEECCAANNIISSMMOOSS TTRRAANNSSFFOORRMMAADDOORREESS DDEELL MMOOVVIIMMIIEENNTTOO CCIIRRCCUULLAARR EENN LLIINNEEAALL AALLTTEERRNNAATTIIVVOO

6.1. BIELA MANIVELA

El sistema biela-manivela está formado por una manivela (barra acodada) unida a la cabeza de una biela

(barra rígida con dos extremos llamados cabeza y pie). Cuando la manivela gira transmite el movimiento

circular a la cabeza de la biela y hace que el pie de la biela adquiera un movimiento alternativo.

El pie de la biela está unido a un elemento (por ejemplo, un émbolo) y que es el que recibe el

movimiento alternativo. Si sustituimos la manivela por una rueda excéntrica llamamos al conjunto

excéntrica-biela. El resultado es el mismo.

El

sistema es perfectamente reversible, es decir, el movimiento lineal alternativo de la biela se puede

transmitir a la manivela o excéntrica para conseguir un movimiento circular.

Aplicaciones Motor de automóvil, limpiaparabrisas, rueda de afilar, máquina de coser, compresor de pistón.

6.2. CIGÜEÑAL Cuando varias manivelas se asocian sobre un único eje da lugar al cigüeñal. En las muñequillas del

cigüeñal se colocan las bielas, de forma que en las cabezas de éstas se consigue un movimiento lineal

alternativo desacompasado. El sistema suele complementarse con un émbolo que es el que recibe el

movimiento alternativo del pie de biela.

El ejemplo más conocido de este mecanismo es el de los motores de combustión interna de los

vehículos.

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Aplicaciones En los automóviles para transmitir el movimiento del motor a las ruedas. En este caso la transmisión se

produce desde el émbolo (movimiento lineal alternativo) al cigüeñal (movimiento rotacional que se

transmite a las ruedas). En juguetes, para sincronizar piernas y manos.

6.3. LEVA La leva es un disco con un perfil externo parcialmente circular sobre el que apoya un operador móvil

(seguidor de leva ) destinado a seguir las variaciones del perfil de la leva cuando esta gira.

La forma del contorno de la leva (perfil de leva) siempre está supeditada al movimiento que se necesite

en el seguidor, pudiendo aquel adoptar curvas realmente complejas.

Aplicaciones 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.

6.4. EXCÉNTRICA La excéntrica es, básicamente, un disco (rueda) dotado de dos ejes: eje

de giro y eje excéntrico.

Se suele utilizar combinada con otros operadores mecánicos y sus dos

utilidades principales ya las hemos visto:

• Formando un sistema biela-excéntrica (con la misma utilidad que el

sistema biela-manivela). La rueda gira alrededor del eje de giro.

• Formando un sistema excéntrica-seguidor (similar a un sistema leva seguidor). La rueda gira

alrededor del eje excéntrico.

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Aplicaciones:

Actividades Realiza los ejercicios 22, 23, 24 y 25