TECNOLOGIA

Tema 9 - MÁQUINAS SIMPLES

1. MAQUINAS SIMPLES

La ventaja mecánica es el valor que resulta de dividir el valor numérico de la resistencia de un cuerpo entre la fuerza aplicada sobre este. La ventaja mecánica puede ser de dos tipos:

1. Ventaja mecánica teórica se calcula en condiciones ideales (sin rozamientos).
2. Ventaja mecánica práctica tiene en cuenta los rozamientos.

Una palanca es una máquina simple compuesta por una barra rígida de una longitud que se apoya en un punto de apoyo llamado fulcro en el cual puede girar.       Fm · Bp = Fr · Br VM ⇨ Fr/Fm

Un plano inclinado es una máquina simple que consiste en un superficie plana que forma un ángulo con la horizontal y que se utiliza para levantar objetos pesados, rodando o deslizando.

Una cuña consiste en una pieza de madera o metal terminada en un ángulo muy agudo. Utiliza el mismo funcionamiento que en el plano inclinado y amplifica las fuerzas que recibe.

Una rueda consiste en un disco circular que puede girar libremente alrededor de un eje. Recibe el nombre de polea si esta sujeta con un soporte y posee una hendidura por la que puede pasar una correa.

Una polea móvil es una polea que se conecta a otra fija por medio de una cuerda. Fm · h = Fr · h/2

1. Polipasto potencial:   Vm ⇨ Fr/Fm = 2n Fm = Fr/2n
2. Polipasto exponencial: Vm ⇨ Fr/Fm = 2n Fm = Fr/2n

Un torno es una máquina simple formada por un cilindro o tambor que gira sobre un eje y en un extremo hay una manivela a la que se le aplica una Fm. Al girar, se enrolla una cuerda que tira de la Fr.

Fm · Bp = Fr · Br

Un tornillo es un dispositivo mecánico de fijación formado por un plano inclinado enroscado alrededor de un cilindro o cono.

Según la posición del filete:

1. El tornillo es cuando el filete de la rosca esta en la parte exterior del cilindro
2. Es tuerca si el filete está en el hueco del cilindro

Para determinar la VM de un tornillo tenemos que definir avance. El avance A es la distancia paralela al eje, que se desplaza una tuerca cuando se le da una vuelta completa.

1.2 CONCEPTOS Y CLASES DE MÁQUINAS

Una máquina es un conjunto de piezas o elementos móviles y no móviles que dirigen, aprovechan o regulan una forma de energía, la transforma y consiguen un efecto final útil. Las máquinas se clasifican en:

1. Motrices son las que transforman la energía obtenida de combustibles fósiles, viento, agua, vapor o electricidad. Su misión es accionar a las operadoras.
2. Operadoras son las que utilizan la energía suministrada por las máquinas motrices para obtener un resultado. Pueden ser:
1. Transportadoras en la su misión es utilizar la energía recibida para desplazar cargas.
2. Modificadoras de formas utilizan la energía recibida para dar a los materiales la forma deseada.
3. Otras clases de máquinas permiten realizar diferentes trabajos con mayor rapidez y menor esfuerzo.

En función del tipo de energía que utilicemos en una máquina, utilizaremos distintos tipos de máquinas, Así pues, podemos diferenciar entre máquinas mecánicas, máquinas eléctricas y electrónicas y máquinas neumáticas e hidráulicas.

3. ACUMULADORES DE ENERGÍA MECÁNICA

Un acumulador es un dispositivo capaz de almacenar o acumular una cantidad de energía mecánica para poder devolverla en el momento necesario.

Si a un dispositivo se le proporciona una energía continua, el trabajo realizado también será continuo. Pero si se le proporciona con intervalos de tiempo, en el tiempo en que no reciba energía, no realizará trabajo. En este caso, almacenan una parte de la energía producida y la suministran después como en el caos de un volante de inercia y los elementos elásticos.

3.1 VOLANTE DE INERCIA

Consiste en una rueda o disco, encajado en el árbol motor que giran a la vez. Si el trabajo motor es superior al resistente, la velocidad aumenta; y cuando el trabajo es inferior al resistente, la velocidad disminuye.

Para compensar estos cambios en la velocidad, el volante aporta la energía almacenada y regula la velocidad. Existen dos casos en los que se emplea el volante de inercia:

1. En determinados motores que suministran el trabajo motor de forma discontinua, pero el trabajo de las máquinas actúa casi constantemente. Un ejemplo de volante de inercia es en los motores de explosión, situado al extremo de un cigüeñal. Un ciclo de un motor de cuatro tiempos tiene cuatro fases: admisión, compresión, explosión y escape. Pero el cigüeñal solo recibe energía para girar en la fase de explosión.
2. Otros motores, como los eléctricos, suministran el trabajo de forma continua pero el trabajo de las máquinas actúan de forma discontinua. Un ejemplo serían las prensas excentricas.

3.2 ELEMENTOS ELÁSTICOS

1. Muelles o resortes, son elementos que se deforman por la acción de una fuerza y que recuperen su forma inicial cuando se cesa. Los materiales más comunes con los que se construye son el acero y el bronce. Tipos:
1. Muelles de comprensión, formados por una varilla enrollada en forma helicoidal y se utiliza para amortiguar o absorber esfuerzos de compresión.
2. Muelles de extensión, constituidos por una varilla helicoidal. Soportan esfuerzos de tracción que alargan su longitud normal.
3. Muelles de torsión, formados por una varilla enrollada en forma de hélice. Los esfuerzos de torsión que soportan, deforman la espiral.
4. Muelles planos, formados por placas delgadas, cortadas y plegadas en formas diversas,  capaces de absorber energía en su deformación y devolver a recuperar su forma original.

Para analizar su comportamiento, se tiene en cuenta dos aspectos básicos:

5. Disipación de energía, cuando una fuerza actúa sobre un muelle, este acumula energía potencial de deformación, pero otra pequeña parte se transforma en calor. Al final, el muelle devuelve la energía en forma de energía cinética.
6. Resonancia, si se aplica una carga a uní muelle y luego se suprime, vuelve a su posición inicial después de oscilar. Si se hace resonar hasta alcanzar valores peligrosos puede terminar rompiéndose. Para evitar estas oscilaciones, se pueden añadir unos amortiguadores que eviten esta resonancia.
5. Ballesta, son elementos elásticos formados por láminas de acero de distinta longitud unidas por medio de abrazaderas. Están sometidas a esfuerzos de flexión y se aplican normalmente como elemento de suspensión en vehículos pesados.

4. DISIPADORES DE ENERGÍA MECÁNICA

Cuando queremos parar o reducir el movimiento de un elemento mecánico hacen falta unos disipadores. Un disipador de energía mecánica es un dispositivo capaz de transformar la energía mecánica de un elemento en energía calorífica por medio de rozamiento o fricción. La energía calorífica no puede volver a transformarse en energía mecánica, es decir, no es reversible. Los disipadores más utilizados son los frenos.

4.1 FRENOS

Los frenos son los disipadores más importantes. Los frenos más comunes son los frenos de fricción en donde la energía se transforma en calor mediante rozamiento con deslizamiento entre dos superficies. El calor generado por el rozamiento debe disiparse en el ambiente relativamente rápido. Los frenos de fricción se clasifican en dos categorías:

1. Frenos de disco, son elementos que lo constituyen son:
1. El disco es una pieza que gira junto al árbol o eje cuando se quiere reducir el movimiento.
2. Las pastillas son elementos compuestos por el material de fricción y su soporte es una placa de acero.
3. La pinza es el dispositivo encargado de guiar y accionar las pastillas para que entren en contacto o separen del disco.
2. Frenos de tambor, se distinguen en tres partes:
1. El tambor de freno es una superficie metálica cilíndrica que gira junto al eje. En una de sus caras actúa el elemento de fricción que hace que frene.
2. Las zapatas son elementos que actúan sobre el tambor para frenar.
3. El dispositivo de guiado es un mecanismo que permite acercar las zapatas a la superficie del tambor. Su forma varía según la posición de las zapatas: las que actúan sobre la cara externa utilizan dispositivos de guiado radial o mediante palanca; y si es sobre la cara interna mediante resortes.

4.2 ACCIONAMIENTO DE FRENOS

Para aproximar las zapatas o pastillas de forma que pueda friccionar sobre el tambor o disco se utilizan:

1. Accionamiento mecánico. Se utiliza en los frenos de una bicicleta. Su funcionamiento es:
1. Las zapatas se articulan a un eje.
2. En el frenado, la leva al girar vence la resistencia del resorte y las zapatas friccionan sobre la cara interna del tambor.
3. Cuando la acción sobre la leva se cesa, vuelve a su posición inicial y las zapatas quedan separadas por la acción del resorte.
2. Accionamiento hidráulico. Se utiliza en los frenos de muchos automóviles. Este accionamiento se fundamenta en el principio de Pascal. Su funcionamiento es:
1. Al pisar el pedal del freno, el émbolo del cilindro de mando empuja el líquido a través de las tuberías.
2. Este líquido llega al cuerpo de bomba e impulsa los pistones.
3. La acción de los pistones supera la resistencia del resorte y hace que las zapatas friccionen sobre el tambor, haciendo que frenen.
4. Cuando cesa la acción sobre el pedal, el resorte separa de nuevo las zapatas y el líquido retrocede.
3. Accionamiento neumático, se utiliza el accionamiento mediante aire comprimido o accionamiento neumático. Se utiliza en grandes vehículos.   Su funcionamiento es:
1. El aire del exterior es aspirado por el compresor a través del filtro.
2. El aire se comprime y se envía a un depósito, se almacena a una presión y cuando la presión pasa el valor permitido, se abre la válvula de escape y el aire sobrante sale al exterior.
3. Al pisar el freno, se abre la válvula de admisión, que permite el paso del aire del depósito hasta el cilindro. El aire a presión empuja el émbolo y actúa sobre las zapatas para que friccionen sobre el tambor y así frenar.
4. Al dejar de pisar el freno, la válvula de admisión corta el paso del aire y las zapatas regresan a su posición inicial.

5. ELEMENTOS DE FRICCIÓN

Los elementos de fricción son elementos de máquinas que se sitúan entre una parte móvil y su soporte para soportar el rozamiento y el desgaste y evitar que se produzca en otros elementos de mayor coste y responsabilidad mecánica.

La diferencia es que los cojinetes reducen el rozamiento entre las superficies en movimiento, mientras que los rodamientos facilitan la rodadura de los elementos moviles.  Se distinguen en dos tipos:

5.1 COJINETES

Este elemento permanece inmóvil en su asiento y el eje roza con él. Este va instalado a presión en el interior del soporte. Estos se fabrican con materiales más blandos que los del eje, así el rozamiento provoca el desgaste de este y no del elemento mecánico que gira. Los materiales más utilizados son:

1. Plástico, se utilizan para soportar esfuerzos pequeños.
2. Bronce, se utilizan para esfuerzos medios. Se utilizan en motores eléctricos.
3. Acero, se utilizan para grandes esfuerzos. Se utilizan en motores de explosión para facilitar su funcionamiento.

5.2 RODAMIENTOS

En este elemento de fricción se produce la rodadura de ciertos elementos intercalados entre las superficies que giran. Está formado por varias piezas:

1. Los anillos o aros constituyen las pistas de rodadura. Uno es fijo y el otro gira.
2. Los elementos rodantes son las piezas que ruedan entre los anillos y son de distintas formas.
3. La caja o jaula esta entre los anillos y separa a los cuerpos rodantes.

Dependiendo de los esfuerzos que soportan, existen tres tipos:

1. Rodamientos radiales, soportan esfuerzos perpendiculares al eje de giro. Los cuerpos rodantes suelen ser bolas o rodillos y aveces agujas.
2. Rodamientos axiales, soportan esfuerzos paralelos al eje del giro. Los cuerpos rodantes suelen ser bolas o rodillos.
3. Rodamientos mixtos, soportan esfuerzos de tipo radial o axial, debido a la forma de los cuerpos rodantes y a la disposición de las pistas de rodadura. Los más utilizados son rodillos cónicos o rígidos de bolas.

6. LUBRICACIÓN

Se emplea para reducir el rozamiento entre varias piezas móviles de estos mecanismos y como consecuencia se produce un desgaste y calentamiento.

La lubricación consiste en interponer una capa de un líquido, llamado lubricante, entre dos superficies que se desplazan entre sí, o entre órganos activos de cualquier máquina que trabajan moviéndose uno respecto al otro. El lubricante más utilizado es el aceite mineral. También se usan los aceites vegetales y las grasas animales. Los aceites utilizados se utilizan por su viscosidad. Hay tres formas de provocar la lubricación:

1. Lubricación por aportación externa consiste en dejar caer el lubricante gota a gota sobre los órganos que se han de lubricar.
2. Lubricación por borboteo, una pieza que está en movimiento queda sumergida parcialmente en el aceite lubricante.
3. Lubricación por presión, se dispone de una bomba que aspira el lubricante de un depósito y lo envía a presión a un filtro.