LAS

MÁQUINAS

Nº 3 2º E.S.O. C

INDICE

¿Qué son?

Las máquinas son dispositivos utilizados para cambiar la magnitud y aplicación de una fuerza. Están constituidas por aparatos combinados para recibir cierta forma de energía, transformarla y sustituirla por otra más adecuada, o para producir un efecto determinado. Se dividen en simples, como la palanca, la polea, el torno y el plano inclinado; y compuestas, como los engranajes, la grúa y los polipastos.

La utilidad de una máquina radica en que permite ejercer una fuerza mayor que la que una persona podría aplicar sólo con sus músculos o también aplicarla de un modo más eficaz. Pero las máquinas no aprovechan todo el trabajo que reciben, sino que parte de él se pierde en rozamientos, elevaciones de temperatura, etc..., por lo que el trabajo útil aportado es menor que el recibido. El cociente entre el trabajo útil y el recibido se llama rendimiento de la máquina, que siempre será menor que la unidad, pero que estará más cerca de ella cuanto mejor diseñada y construida esté la máquina.

Elementos de las máquinas

Las máquinas simples, como su nombre indica, están formadas por muy pocos elementos. Aquí voy a enumerar brevemente los de las cuatro máquinas simples más importantes:

- La palanca: está formada por el peso o resistencia, que es la carga que se quiere mover; el brazo de la resistencia, que es la longitud entre ésta y el punto de apoyo; el punto de apoyo, que es el punto donde se sostiene la palanca; la fuerza o potencia, que se utiliza para poder mover la carga; y el brazo de la potencia, que es la longitud entre ésta y el punto de apoyo.

- La polea: esta formada por el soporte, que es donde se sostiene la polea; la armadura, que es donde va encajado el disco; el eje, en torno al cual gira el disco; el disco, que sujeta la cuerda; la garganta, que es por donde pasa la cuerda, y la cuerda, que sujeta la resistencia. Todo esto se puede ver mejor en el dibujo de la polea

- El Torno: está formado por una cuerda que sujeta la resistencia, un cilindro que sostiene la cuerda y una manivela para subir o bajar la carga.

- El Plano Inclinado: está formado por la longitud del plano (I), la altura (h), el peso del cuerpo o carga (p) y la fuerza necesaria para subir la carga (F)

Condición de Equilibrio

La condición de equilibrio es la norma por la cual la palanca se mantiene en equilibrio. Esta es su ley fundamental, cuya afirmación se puede ver en esta fórmula:

F resistente R resistente = F aplicada R aplicada

F resistente : fuerza resistente
R resistente : brazo de la fuerza resistente
F aplicada : fuerza aplicada
R aplicada : brazo de la fuerza aplicada

Consecuentemente, si el punto de apoyo está a la mitad de su longitud, potencia y resistencia están equilibradas; y si el brazo de potencia es más largo que el de la resistencia, aquella se ve favorecida, e inversamente. Como contrapartida, si la potencia está favorecida, su punto de aplicación deberá también recorrer un camino proporcionalmente mayor que el de aplicación de la resistencia.

Clases y géneros de las máquinas

La diversidad de formas en que puede manifestarse la energía, los innumerables mecanismos que es posible realizar mediante la combinación de los órganos simples y la heterogeneidad de los trabajos que tienen que ejecutarse, hacen que existan una extensa y rica gama de máquinas. Puede considerarse en primer lugar las máquinas que son simples transformadoras de energía y cambiar la forma bajo la que está dicha energía.

Destacan las máquinas motrices o motores que transforman una determinada energía en energía mecánica.

Otro tipo de categoría diferente de máquinas está constituida por aquellas que su función consiste en utilizar la energía que les es suministrada para obtener un resultado inmediato. Estas máquinas se llaman compuestas, y destacan las máquinas- herramientas, máquinas agrícolas y las máquinas de elevación o transporte.

Además, la palanca se divide en tres géneros, que se diferencian en la colocación de la potencia, la resistencia y el punto de apoyo. Éstas son:

- Intermóviles o de primer género: tienen el punto de apoyo cerca de la resistencia, quedando con un brazo de palanca muy corto como en las tijeras o pinzas de mecánico o similares. En este tipo, el punto de apoyo de encuentra entre la resistencia y la potencia.

- Interresistentes o de segundo género: tienen el punto de apoyo en un extremo de la palanca, la potencia en otro extremo y la resistencia en algún punto intermedio, como en las carretillas o en los diablos.

- Interpotentes o de tercer género: aplican la potencia en cualquier punto entre la resistencia y el punto de apoyo como sucede con las pinzas para tomar el pan o las ensaladas, o en las de depilar.

Máquinas Simples

Las máquinas simples son las más antiguas y el principio de todas las máquinas que conocemos hoy en día. Están formadas por: la palanca, la polea, el torno, el plano inclinado, el tornillo y la cuña.

La Palanca

La palanca es una barra inflexible y recta con un punto de apoyo denominado fulcro y dos puntos de aplicación de sendas fuerzas llamadas potencia y resistencia. Los tres puntos se hallan en un plano y se llama brazo de potencia al segmento perpendicular trazado desde el punto de apoyo hasta la línea de acción de la potencia; y brazo de resistencia al segmento perpendicular trazado desde el punto de apoyo hasta la línea de acción de la resistencia. El efecto de cualquier fuerza aplicada a la palanca hace girar a ésta con respecto a fulcro, por lo que podemos decir que la fuerza rotatoria es directamente proporcional a la distancia entre el fulcro y la fuerza aplicada.

La potencia de la palanca solamente se puede aumentar o disminuir a base de alargar o acortar el camino de ésta, manteniendo constante el producto. Además, como todas las máquinas simples, sólo sirve para transformar las condiciones de trabajo.

La Polea

La polea es un dispositivo mecánico de tracción o elevación formada por una rueda o roldana acanalada en su circunferencia y móvil alrededor de un eje. Por la canal o garganta pasa una cuerda, correa, o cadena, en cuyos dos extremos actúan, respectivamente, la potencia y la resistencia. Al estirar desde un extremo de la cuerda, la polea se encarga solamente de invertir el sentido de la fuerza aplicada, por lo tanto no existe ventaja mecánica, es decir, ninguna ganancia en la transmisión de la fuerza ya que sólo puede haber pérdidas debidas al rozamiento. Se emplea para levantar cargas a cierta altura, como en los pozos para llenar el cubo de agua. El desplazamiento que causa la fuerza sobre la cuerda iguala la altura subida por la carga. De manera que:

L = H
A = 1

A : ventaja mecánica
L : desplazamiento causado por la fuerza aplicada
H : altura subida por la carga

Por lo que respecta a la fuerza aplicada, sabemos que:

F aplicada = m g

m : masa de la carga
g : aceleración de la gravedad

Existen dos tipos de poleas: poleas fijas y poleas móviles:

En las poleas fijas el eje se encuentra fijo, por lo tanto, la polea no se desplaza. Con su uso no se obtiene ventaja mecánica, ya que en uno de los extremos estará sujeta la carga y en el otro se aplicará la fuerza para moverla, ésta será de la misma magnitud.

La polea fija solamente se utiliza para cambiar la dirección o sentido de la fuerza. Su fórmula es F = C, siendo (c) la carga.

En las poleas móviles el punto de apoyo está en la cuerda y no en el eje, por lo tanto puede presentar movimientos de traslación y rotación. Como el caso de dos personas que cargan una bolsa, cada una de ellas hace las veces de una polea y sus brazos las veces de cuerdas, el peso se reparte entre los dos y se produce una ventaja mecánica, que se expresa como F = c/2, siendo F = fuerza, C = carga; el esfuerzo se reduce a la mitad.

El Torno

El torno o cabestrante es una máquina simple que consiste en un cilindro concéntrico dispuesto para girar alrededor de su eje por la acción de palancas, cigüeñas o ruedas, y que ordinariamente actúa sobre la resistencia por medio de una cuerda que se va enrollando al cilindro.

El torno combina los efectos de la polea y de la palanca al permitir que la fuerza aplicada sobre la cuerda cambien de dirección y aumente o disminuya, aplicándose la potencia tangencialmente al cilindro por medio de un manubrio. El torno es usado en multitud de cosas entre las que destaca el tren de engranajes rectos de la maquinaria de un reloj.

El Plano Inclinado

El plano inclinado es una superficie plana resistente que forma un ángulo agudo con el horizonte y por medio del cual se facilita la elevación o el descenso de pesos y otras cosas. La rampa facilita la tarea, pues soporta gran parte del peso del objeto, de forma que con poca fuerza lo podemos desplazar hasta lo más alto. Sin embargo, el esfuerzo final es el mismo que si lo subimos directamente.

Esta máquina simple descompone la fuerza del peso en dos componentes : la normal (que soporta el plano inclinado) y la paralela al plano (que compensa la fuerza aplicada). De esta manera, el esfuerzo necesario para levantar la carga es menor y, dependiendo de la inclinación de la rampa, la ventaja mecánica es muy considerable. La fuerza aplicada debe ser:

F aplicada = m g sin(ð)

m : masa de la carga
g : aceleración de la gravedad
ð : ángulo que forma el plano inclinado con el suelo

La altura subida por la carga es: H = L sin(ð)

H : altura subida por la carga
L : desplazamiento causado por la fuerza aplicada

De manera que la ventaja mecánica resulta ser simplemente:

A = 1 / sin(ð) = L / H

El Tornillo

El tornillo es un cilindro o tronco de cono muy acusado, generalmente de más longitud que diámetro, hecho de metal (hierro acero o latón), madera, plástico, etc...; con cabeza plana o semiesférica, dotada de una ranura, resalto en hélice en su contorno y extremo romo o agudo. Se utiliza para asegurar dos piezas entre sí, metiéndolo y dándole vueltas con el destornillador, asegurado en la ranura de la cabeza. También hay tornillos fuertes, con cabeza en forma de prisma cuadrangular o hexagonal, que se meten con llave, y otros de cabeza hemisférica, atravesada por dos taladros perpendiculares, que se meten introduciendo en éstos un clavo y dándole vueltas. Los de forma cilíndrica se usan, preferentemente, para el metal y los de forma cónica, en carpintería.

El tornillo es una aplicación del plano inclinado, que en este caso está enrollado, al introducirse en algún material el rozamiento es demasiado grande, evitando de esta manera que sea expulsado por la fuerza de resistencia.

El empleo del tornillo como mecanismo simple (en ese caso también se denomina husillo o tornillo sin fin) aprovecha la ganancia mecánica del plano inclinado. Esta ganancia aumenta por la palanca que se suele ejercer al girar el cilindro, pero disminuye debido a las elevadas pérdidas por rozamiento de los sistemas de tornillo. Sin embargo, las fuerzas de rozamiento hacen que los tornillos sean dispositivos de fijación eficaces.

Un husillo también permite controlar con gran precisión el movimiento lineal entre dos piezas, como ocurre en el tornillo micrométrico, que puede medir distancias del orden de una millonésima de metro. Este movimiento controlado también se emplea en diversas máquinas herramientas, por ejemplo en los tornos, donde permite desplazar con gran precisión la herramienta de corte. El principio del tornillo sin fin también se aplica en cintas transportadoras y en ciertos tipos de bombas.

La Cuña

La cuña es una máquina simple de madera o de metal terminada en ángulo diedro muy agudo. Sirve para hender o dividir cuerpos sólidos, para ajustar o apretar uno con otro, para calzarlos o para llenar alguna raja o hueco. Actúa como un plano inclinado móvil. El filo de un hacha es, en realidad, una cuña afilada. Tal como haría una rampa, permite desplazar un peso con mayor facilidad.

Máquinas Compuestas

Las máquinas compuestas estan formadas por varias máquinas simples. Son la rueda dentada, el polipasto y la grúa.

La Rueda Dentada

La rueda dentada o engranaje es un cilindro empleado para transmitir un movimiento giratorio o alternativo desde una parte de una máquina a otra. Un conjunto de dos o más engranajes que transmite el movimiento de un eje a otro se denomina tren de engranajes. Los engranajes se utilizan sobre todo para transmitir un movimiento giratorio en movimiento alternativo y viceversa. Existen dos tipos de engranajes: simples y helicoidales.

En un engranaje sencillo, el eje impulsado gira en sentido opuesto al eje impulsor. Si se desea que ambos ejes giren en el mismo sentido se introduce una rueda dentada entre el engranaje impulsor o motor y el impulsado. La rueda gira en sentido opuesto al eje impulsor, por lo que mueve al engranaje impulsado en el mismo sentido que éste. En un sistema de engranajes, la velocidad del eje impulsado depende del número de dientes de cada engranaje. Empleando un tren de varios engranajes puede variarse la relación de velocidades dentro de unos límites muy amplios.

En los engranajes interiores los dientes están tallados en la parte interior de un anillo en vez de en el exterior. Los engranajes interiores suelen ser impulsados por un piñón, un engranaje pequeño con pocos dientes.

En los engranajes helicoidales los dientes de estos engranajes no son paralelos al eje, sino que se enroscan en torno al eje en forma de hélice. Estos engranajes son apropiados para grandes cargas ya que los dientes giran formando un ángulo agudo. Los engranajes helicoidales sencillos tienen la desventaja de producir una fuerza que tiende a mover las ruedas dentadas a lo largo de sus ejes. Esta fuerza puede evitarse empleando engranajes helicoidales dobles, o bihelicoidales, con dientes en forma de V compuestos de medio diente helicoidal dextrógiro y medio diente helicoidal levógiro.

Otra variación del engranaje helicoidal es el engranaje de husillo, también llamado tornillo sin fin. La diferencia entre un engranaje de husillo y un engranaje helicoidal es que los dientes del primero se deslizan a lo largo de los dientes del engranaje impulsado en lugar de ejercer una presión de rodadura directa. Los engranajes de husillo se utilizan para transmitir rotación entre dos ejes perpendiculares.

El Polipasto

El polipasto es una máquina simple que se usa para levantar cargas muy pesadas a una cierta altura. Está formado por un bloque de poleas fijo al techo, y otro bloque de poleas móvil, acoplado al primer bloque mediante una cuerda. Se usa de forma similar a la polea simple, pero en el caso del polipasto la fuerza que hay que aplicar es menor, de manera que se consigue una ventaja mecánica.

La fuerza necesaria para subir una carga se obtiene dividiendo el peso por el número total de poleas en el conjunto. El inconveniente que presenta es que hay que estirar más cuerda que en el caso de la polea simple. En el caso más sencillo de la figura, en que cada bloque está formado por sólo una polea, el desplazamiento que causa la fuerza sobre la cuerda es el doble de la altura subida por la carga, y la fuerza aplicada es sólo la mitad del peso. De manera que:

F aplicada = m g / 2
A = 2

F aplicada : fuerza aplicada
m : masa de la carga
g : aceleración de la gravedad
A : ventaja mecánica

L = 2H

L : desplazamiento causado por la fuerza aplicada
H : altura subida por la carga

La Grúa

La Grúa es una máquina para desplazar objetos pesados vertical y horizontalmente. La fuerza motriz puede ser manual o proceder de motores eléctricos, de combustión interna o de vapor. En cuanto a su forma, se clasifican como grúas de pescante, grúas de brazo móvil y grúas puente. Las grúas de pescante llevan un brazo o pescante horizontal situado sobre una torre vertical. El movimiento horizontal de la carga se consigue girando el pescante o toda la grúa y desplazando el torno de izado, situado en un carro móvil que corre a lo largo del brazo. La grúa de brazo móvil tiene un diseño de cantilever y está formada por un brazo articulado por la base con la parte inferior de un mástil vertical y sujeto en el extremo mediante un cable que va a un torno situado en la parte superior del mástil. Para evitar que el mástil se caiga hacia el lado del brazo se emplean contrapesos o tirantes. El movimiento horizontal se obtiene girando la grúa y levantando o bajando el brazo. Las grúas puente están formadas por un pescante horizontal cuyos extremos se desplazan sobre raíles o rieles perpendiculares al pescante. El torno de izado se desliza en sentido longitudinal por el pescante mediante un carro. Las grúas puente normales se desplazan sobre raíles elevados, mientras que las llamadas grúas de pórtico están montadas sobre pilares que se mueven por raíles situados al nivel del suelo.

Opinión Personal

El tema del cual trata este trabajo es muy importante en nuestra vida, ya que sin las máquinas no podriamos hacer multitud de cosas. A pesar de la gran importancia de éstas, me ha costado mucho conseguir la información necesaria, ya que lo más abundante son los dibujos, de los cuales tengo aquí un pequeño repertorio.

Bibliografía

• Libro de tecnología 1ºde E.S.O.

• Diccionario Enciclopédico Espasa.

• El Gran Libro de los Conocimientos El País.

• Enciclopedia de los Conocimientos Océano.

• Enciclopedia Microsoft Encarta

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