Los operadores tecnológicos.

El desarrollo tecnológico de la humanidad a través del tiempo ha sido posible en gran medida gracias al dominio de la energía en sus diferentes manifestaciones, transformándola en otras formas mas adaptadas a la satisfacción de sus necesidades específicas. La conversión de la energía en efectos utilizables (funcionales) se realiza a través de operadores. Un operador es un objeto que proporciona una reacción (efecto funcional) cuando se actúa sobre él, obedeciendo a una determinada ley o principio.

Operadores mecánicos.

Los operadores mecánicos convierten la fuerza en movimiento. Un mecanismo es un conjunto de piezas que, debidamente combinadas, producen o transforman un movimiento o función. Una máquina es un artificio para aprovechar, dirigir o regular la acción de una fuerza.

Operadores que acumulan energía mecánica.

Los operadores que acumulan energía mecánica deben esta acumulación a estar fabricados con materiales elásticos. Al actuar fuerza sobre ellos estos materiales permiten su deformación.

La goma. Las gomas son sustancias naturales producidas ya sea de forma patológica, como defensa a la sequía, o bien como respuesta a incisiones practicadas en la corteza de ciertos árboles. Proceden de la desintegración de tejidos internos, en especial de la celulosa.

La goma, como operador tiene forma anular y sección circular, rectangular, cuadrada, y en ciertas ocasiones, trapecial y dentada. Permite mantener unidos entre sí varios objetos. Se utiliza como elemento de transición y como muelle en los montajes de pequeños prototipos, pero habitualmente se emplea como correa para la transmisión del movimiento de rotación. Las principales ventajas de las correas son las siguientes:

• La distancia entre elementos de rotación puede ser amplia.

• La correa puede trabajar en cualquier posición: horizontal, vertical o inclinada.

• Pueden utilizarse varias correas a la vez.

• La transmisión es silenciosa.

• Son casi insensibles al calor, la intemperie o el polvo.

• Ausencia de desplazamientos y elevada potencia de transmisión.

• Elevado número de revoluciones.

• No necesitan mantenimiento ni engrase.

El muelle. Los muelles son elementos mecánicos capaces de soportar la aplicación de determinadas cargas deformándose notablemente, pero recuperando su configuración inicial al cesar aquella aplicación. La característica principal de cualquier material empleado para la fabricación de muelles debe ser la de poseer un comportamiento elástico para un campo de tensiones lo más amplio posible. Los tipos más utilizados son los compuestos de acero con adiciones de silicio, que alejan considerablemente el límite de rotura. En general los muelles pueden agruparse en tres grandes clases: de flexión, de torsión y helicoidales. Los muelles de flexión están básicamente constituidos por una chapa metálica debidamente preparada y sometida por un extremo a una carga y empotrada con el otro extremo al cuerpo de la máquina o aparejo; entre los tipos más conocidos cabe señalar las ballestas. Los muelles de torsión, los más utilizados, presentan también un extremo empotrado en la máquina o utillaje donde opera, en tanto que el otro está sometido a la fuerza de torsión; los tipos más importantes son los muelles de torsión de eje rectilíneo y los muelles de torsión de hélice cilíndrica. Los muelles helicoidales, que son los más utilizados, se construyen arrollando el alambre de acero-silicio sobre un cilindro, o sobre un cono cuando se trata de proporcionarles una hélice cónica.

El resorte. El resorte está formado por láminas ensambladas ( de ballesta) o por un fleje arrollado en espiral alrededor de un eje al que se fija uno de sus extremos. Los resortes de ballesta se emplean en suspensiones de vehículos pesados. Los resortes en espiral se emplean en relojes, juguetes y temporizadores.

Operadores que transforman y trasmiten la energía mecánica

Los cojinetes. Los cojinetes son piezas cuya función fundamental es reducir los coeficientes entre un eje y un soporte. En su forma más sencilla, los cojinetes no sustituyen piezas separadas del soporte, sino que están formados por una delgada capa de material adecuado aplicada a las superficies de aquél encaradas al árbol o eje giratorio. Los casos más complicados, el cojinete presenta la forma de un casquillo cortado en dos manguitos por un plano diametral y provisto de diminutos resaltes que, al alojarse en las correspondientes cavidades del soporte, impiden los movimientos relativos de éste respecto al propio cojinete. Para que trabajen correctamente, es necesario practicar en ellos y en los soportes, unas ranuras por las que pueda circular el lubricante. Según la clase de contacto entre ejes y cojinetes, éstos pueden ser cojinetes de desplazamiento, construidos con metales blancos, bronces, bronces con plomo o bronces y hierros sinterizados. Entre los diversos tipos de esta clase de cojinetes, los más empleados son los cojinetes de empuje Michell, con segmentos orientables, cuya movilidad facilita la formación de un velo lubricante al cambiar la velocidad, permitiendo superar así la común rigidez de las superficies inclinadas. También son muy utilizados los cojinetes de rozadura o simplemente rozamientos, que reducen a una décima aproximadamente el coeficiente de rozamiento con respecto a los cojinetes de deslizamiento, aunque presentan la desventaja de ocupar un mayor espacio radial. Entre los tipos de rozamientos más difundidos cabe citar: los cojinetes para cargas radiales o cojinetes a bolas, los cojinetes radiales de una corona de rodillos cilíndricos, los cojinetes para cargas axiles o cojinetes de rodillos cónicos, los más utilizados y los cojinetes de agujas.

La palanca. La palanca es un elemento rígido que gira alrededor de un eje situado en el punto de apoyo de la palanca. El punto de apoyo de la palanca se denomina fulcro; la fuerza que se aplica sobre aquélla, potencia y la fuerza que debe levantarse ç, resistencia. Las distancias entre el fulcro y las direcciones de acción de la potencia y de la resistencia se denominan brazos de palanca (brazo de la potencia y de la resistencia, respectivamente). Se consideran tres tipos de palancas: las de primer género, cuyo fulcro está situado entre la potencia y la resistencia, como el alzaprima, las tijeras, las tenazas, la balanza y la romana; las de segundo género, en las que la resistencia está entre la potencia y el punto de apoyo, como los remos, el cascanueces y la carretilla; finalmente, las palancas de tercer género, en las que la potencia está entre la resistencia y el fulcro, como las pinzas y el antebrazo. La relación que debe existir entre la potencia y la resistencia para que éstas se equilibren depende únicamente de la longitud de los brazos y no de la forma de la palanca, verificando la siguiente ley: El producto de la potencia por su brazo es igual al de la resistencia por el suyo, es decir, P. L X R. L” (P, potencia; R, resistencia; l y l”, brazos de la potencia y de la resistencia). En las palancas de primer género la potencia puede ser mayor, igual o menor que la resistencia, según la relación entre los respectivos brazos; en las de segundo género, la potencia es siempre menor que la resistencia, mientras que en las de tercer género la potencia siempre debe ser mayor que la resistencia.

La rueda.

La polea o rueda.

Por el canal o garganta de la circunferencia pasa una cuerda, cable o cadena, en cuyos extremos actúa la potencia y la resistencia. La polea puede ser fija, cuando gira alrededor de su eje sin cambiar la posición del espacio, y móvil, cuando además de girar se desplaza en el espacio. En la polea fija la potencia aplicada para levantar un cuerpo es igual a la resistencia que opone en mismo. En la polea móvil de cuerdas paralelas, la potencia aplicada, en ausencia de rozamientos, es igual a la mitad de la resistencia. Con objeto de disminuir el valor de la potencia se construyen combinaciones de poleas fijas y móviles denominadas aparejos o polipastos. Las poleas al transmitir el movimiento de un árbol al otro, pueden variar su velocidad. Las velocidades angulares de rotación (medidas generalmente en revoluciones por minuto) están en relación inversa a los diámetros de las poleas. Así, si la polea conducida tiene un diámetro doble que la polea conductora, su velocidad de giro será la mitad de ésta. Las poleas sirven también para cambiar la dirección y el sentido de las fuerzas. Se llaman poleas tensoras las que sirven para tensar los ramales flojos de una correa; se montan en un soporte articulado que, un muelle o contrapeso, las aplica contra la correa y, al tensarla aumenta su adherencia respecto a la polea conductora y conducida. Según su perfil, las poleas pueden ser planas o acanaladas. Las de canales múltiples se usan para correas trapezoidales. Las poleas son elementos integrantes de diversos aparatos y mecanismos.

Velocidad de la rueda.

Al colocar dos ruedas en contacto, se transmite una fuerza y el movimiento de rotación de una rueda a la otra aprovechando la adherencia entre sus materiales, y se mantiene constante a la velocidad tangencial en la periferia de ambas ruedas. La velocidad tangencial en la rueda conductora o motriz es:

 " D1 " N1

Vt = ____ _

1000 " 60

y e la rueda conducida es:

 " D2 " N2

Vt = ____ _

1000 " 60

donde Vt es la velocidad tangencial de la rueda (m/s), D1 y D2 son los diámetros de las poleas (mm) y N1 y N2 son las velocidades angulares de las poleas en revoluciones por minuto (rpm). Al ser iguales ambas velocidades en la periferia.

D1 N2

D1 " N1 = D2 " N2, o bien _ = _

D2 N1

De donde se deduce que las velocidades angulares de las ruedas (rpm) están en relación inversa con sus diámetros.

N2 nº vueltas conducida

A la relación _ = __________ se la llama relación de transmisión (i)

N1 nº vueltas conductora

Otros operadores mecánicos

El tornillo. Según el material en que estén fabricados, los tornillos pueden clasificarse en metálicos (hierro, latón, etc.), de madera, plásticos. Etc. Por la forma de la cabeza en planos, redondos , hexagonales, etc. Por el tipo de rosca, en tronillos a derecha y a izquierda, de una o varias entradas, de roscas de sujeción, finas o roscas de gas y, dentro de ellas, de rosca métrica. Finalmente por sus aplicaciones pueden clasificarse en tornillos de ensamblaje y de transformación de movimientos; los primeros se utilizan para ensamblar piezas de materiales diversos y los segundos, para transformar movimientos rotativos en lineales. En este último caso, la transformación se efectúa por el movimiento rotativo de un tornillo, como en el sentido axial y que, engranado en una tuerca, la obliga a desplazarse a lo largo del tronillo mientras éste va girando.

Manivela. La manivela es una pieza en forma de asidero o empuñadura que poseen algunas ruedas y otros mecanismos, para transformar movimientos longitudinales en giratorios y viceversa. Todas las máquinas de émbolo actuales poseen el mecanismo biela-manivela.

Biela. Los elementos fundamentales de una biela son el cabezal, que encaja al perno de la manivela del eje, el pie, que encaja al bulón y la caña, elemento de unión del sistema. Los tipos de bielas son muy variados, según la función que realizan; biela articulada(principal o maestra; permite la articulación de bielas secundarias en los orificios de su cabezal); biela de acoplamiento (encargada de conectar el pistón con el manubrio en las máquinas de vapor) biela deslizante (cuyo cabezal está sustituido por un soporte curvo), etc. Existe un sistema que combina una biela, una manivela y una corredera, empleado en las máquinas de vapor y muy utilizado en el s.XIX, pero actualmente en desuso con la aparición de motores rotativos muy especializados.

Tornillo sin fin. El tornillo sin fin es un caso particular de la rueda helicoidal cuando el ángulo es recto y una grande y la otra, que es la motriz, es pequeña. El tornillo sin fin es siempre la rueda de menor radio, siendo su número de dientes igual al número de hilos que tiene la hélice (fluctúa entre 1 y 5). Este mecanismo permite una fuerte reducción de velocidades. Escogiendo bien los parámetros que lo caracterizan para convertirse en un excelente freno, ya que el sentido de giro es irreversible. Sin embargo, el bajo rendimiento hace que se prefieran tornillos sin fin con frenado independiente.

Leva. Las levas pueden ser planas y espaciales. En las planas del punto guiado y de la leva se encuentran en el mismo plano; en las espaciales se encuentran en distintos planos. El movimiento de las levas planas puede ser traslación o de rotación, y el de la guía puede ser de simple desplazamiento o de giro; así pues, habrá cuatro tipos principales de levas planas, combinando los dos pares de posibilidades indicadas. Normalmente las levas tienen un movimiento conocido, que es el determinado por su unión con el árbol motor u otro mecanismo de pendiente de él. A partir de este movimiento de leva y teniendo en cuenta el desplazamiento deseado en la guía, se puede encontrar, por procedimientos gráficos o analíticos, el perfil de la leva. Cuando en un mismo eje se disponen varias levas, se denomina árbol de levas. Éste se emplea en los motores para producir la apertura y cierre de válvulas, y en algunas máquinas-herramientas que necesitan un gran número de alternancias por minuto.

Las uniones entre operadores

Asociaciones con ruedas y correas. La unión entre dos ruedas suele realizarse a través de una correa. En este caso ambas ruedas giran en el mismo sentido y se transmite un movimiento circular de una rueda a otra. Si las ruedas tienen dientes, no es necesario ningún otro operador para que se transmita el movimiento de una a otra.

Los engranajes. Un engranaje es un mecanismo para trasmitir, por contacto directo, la energía de un eje a otro, constituido por una pieza cilíndrica, cónica o recta con dientes tallados o moldeados en la periferia, que permiten el acoplamiento.

Biela-manivela. Sistema mecánico formado por una biela unida en uno de los extremos a una corredera que puede deslizarse por una ranura recta o circular, y por el otro a una manivela. Sirve para transformar el movimiento alternativo en circular o viceversa. La idea de combinar una manivela con una bielas muy antigua, aunque el sistema no alcanzó su plena aplicación técnica hasta 1780, en que se empezó a usar en los motores de vapor. El desarrollo completo del mecanismo, incluyendo la corredera, tuvo que esperar la evolución del desplazamiento a base de guías metálicas (1820. Desde entonces se han propuesto centenares de diseños de motores rotativos en los que se intentaba eliminar la necesidad del mecanismo de biela, manivela y corredera, aunque hasta ahora ningún sistema ha logrado igualar no superar el clásico. Este mecanismo es fundamental en las máquinas de vapor, en las que la corredera la constituye la cuneta, y en los motores de explosión, en los que la corredera está formada por un émbolo que se mueve dentro de un cilindro.

Manivela-eje. La unión manivela eje es muy utilizada, cuando se quiere transmitir un movimiento giratorio.

Bibliografía

Toda esta información ha sido ESCRITA y no copiada-pegada de ninguna enciclopedia en CD-Rom ni de ningún sitio de Internet sino que la hemos sacado de El Diccionario Enciclopédico Salvat Universal, Diccionario Enciclopédico Aula y el libro de Tecnología de 2º de E.S.O. de la editorial Santillana.

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