Este documento resume los principales mecanismos de transmisión y transformación del movimiento, incluyendo manivelas, cigüeñales, bielas, excéntricas, levas y poleas. Explica cómo estos dispositivos mecánicos reciben una energía de entrada y realizan un trabajo mediante la transmisión y transformación del movimiento. También proporciona ejemplos históricos del uso de estos mecanismos, como el mecanismo de Anticitera y los inventos de Arquímedes.
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IES Luis de Morales. Tecnología 3º ESO. Tema 4: Mecanismos de transmisión y transformación del movimiento. Por Cochepocho.
1. TECNOLOGÍA 3º ESO.
TEMA 4
MECANISMOS DE TRANSMISIÓN Y
TRANSFORMACIÓN DEL
MOVIMIENTO
Realizado por Juan Antonio Pulido Alcón
Profesor de Tecnología y Plástica del I.E.S. Luis de Morales, Arroyo de la Luz. Cáceres.
3. En este tema vamos a conocer cómo funcionan algunos
artilugios mecánicos que transforman el movimiento, muy
utilizados en cualquier máquina actual.
Pero quizá sea mejor empezar definiendo qué es un
mecanismo: Se le llama mecanismo a los dispositivos que
reciben una energía de entrada y, a través de un sistema de
transmisión y transformación de movimientos, realizan un
trabajo.
Un ejemplo muy claro es un reloj de cuerda. Le damos cuerda
(energía) y el reloj funciona durante un par de días mediante una
serie de ruedas dentadas y engranajes moviendo las manecillas y
dándonos la hora (trabajo realizado).
4. Reloj Morez de
alrededor de 1850.
Reloj mecánico que se
le da cuerda mediante
unas pesas y nos da la
hora y las campanadas
durante ocho días.
5. Maquinaria de un reloj Morez, llena de engranajes, ruedas
dentadas, manivelas, poleas, etc.
6. Otro mecanismo muy conocido es el de los juguetes a cuerda.
Le introducimos una energía dándole cuerda (comprimimos un
resorte acumulando la energía) y después el juguete se pone a
funcionar realizando el movimiento (el resorte se descarga
transformando la energía acumulada en trabajo, en movimiento).
7.
8.
9. El mecanismo mas antiguo que se conoce es el de Anticitera.
Es una calculadora mecánica antigua diseñada para prever la
posición del Sol, la Luna, y algunos planetas, que permitía
predecir eclipses. Consiste en un conjunto de engranajes de
ruedas dentadas de bronce con signos e inscripciones
astronómicas en griego antiguo, dialecto corintio-siracusano. Fue
descubierto entre los restos de un naufragio cerca de la isla
griega de Anticitera, entre Citera yCreta, y se cree que data
del 205 a. C.
Es uno de los primeros mecanismos de engranajes conocido, y
se diseñó para seguir el movimiento de los cuerpos celestes. De
acuerdo con las reconstrucciones realizadas, se trata de un
mecanismo que usa engranajes diferenciales, lo cual es
sorprendente dado que los primeros casos conocidos hasta su
descubrimiento datan del siglo XVI.
13. Pincha en la imagen y verás un video sobre el mecanismo más
antiguo del mundo, el de Antikythera.
14. Arquímedes de
Siracusa ( Siracusa.
Sicilia. 287 a. C. – 212 a. C.) fue
un físico, ingeniero,
inventor, astrónomo y matemá-
tico griego. Aunque se conocen
pocos detalles de su vida, es
considerado uno de
los científicos más importantes
de la antigüedad clásica.
16. Leonardo da Vinci.
1452 – 1519.
Leonardo da Vinci
(Leonardo di ser Piero da
Vinci) fue
un polímata florentino
del Renacimiento
italiano. Fue a la vez
pintor, anatomista,
arquitecto, artista,
botánico,
científico, escritor,
escultor, filósofo,
ingeniero, inventor,
músico, poeta y
urbanista.
18. Ejercicio de búsqueda de información:
Elije uno de estos tres famosos genios de la Mecánica y realiza
un trabajo (mínimo dos páginas) sobre sus inventos más conocidos.
¡Ojo! Todos tendrán nota.
Leonardo da Vinci.
Arquímedes de Siracusa.
Herón de Alejandría.
19. Si quieres puedes ver estos interesantes y completos videos
sobre estos tres genios de la Mecánica.
Los inventos de Leonardo da Vinci (1:20:58)
https://youtu.be/PV6T_kOWZbk
La vida de Arquímedes (30:06)
https://youtu.be/aJ135WSARIA
Arquímedes. El genio de Siracusa (20:55)
https://youtu.be/zCAzQmfd1Gc
Inventos antiguos (30:58)
https://youtu.be/drXTw2srI5Y
24. El mundo está lleno de operadores mecánicos que utilizamos
diariamente sin saber cómo se llaman, pero ahí están. Con ellos
se facilita el trabajo a realizar. Son mecanismos que transmiten y
transforman el movimiento…y mueven el mundo.
Como dijo Arquímedes:
“Dame un punto de apoyo y te moveré el mundo”.
25.
26. La manivela es uno de los operadores más simples y antiguos
utilizados por el ser humano. Es una barra acodada en forma de
“L” con una empuñadura, enganchada por el extremo superior a
un eje. Facilita el movimiento de rotación del eje, realizándolo
con menos esfuerzo.
27. Esto es una manivela. La cogemos por la empuñadura y nos
facilita darle vueltas al eje mediante el brazo de palanca. Cuanto
mas grande sea este brazo haremos menos esfuerzo pero la
vuelta será mas grande.
28. Aquí podéis ver una aplicación de la manivela, para sacar agua
de un pozo realizando menos esfuerzo.
30. En una manivela se cumple la ecuación de equilibrio de las
palancas, o sea, la fuerza que aplicamos a la palanca multiplicada
por la distancia al centro es igual al peso levantado multiplicado
por el radio del cilindro.
F
P
d r
F x d = P x r
31. Veamos su equivalencia en una manivela utilizada en un pozo
para sacar un cubo de agua.
F
d
P
r
F x d = P x r
O sea, igual que en la
palanca.
32. Ejercicio 1:
La manivela de un pozo tiene de brazo 60 cm y hacemos un
esfuerzo con las manos de 18 kg. Si el radio del torno donde se
enrolla la cuerda es de 10 cm, ¿cuántos litros de agua puedo sacar
del pozo?
Empecemos a poner datos:
F = 18kg d = 60 cm = 0,6 m (lo ponemos en metros)
P = ¿? r = 10 cm = 0,1 m
¡Venga! A empezar el problema.
33. Ejercicio 1:
La manivela de un pozo tiene de brazo 60 cm y hacemos un
esfuerzo con las manos de 18 kg. Si el radio del torno donde se
enrolla la cuerda es de 10 cm, ¿cuántos litros de agua puedo sacar
del pozo?
Empecemos a poner datos:
F = 18kg d = 60 cm = 0,6 m (lo ponemos en metros)
P = ¿? r = 10 cm = 0,1 m
¡Venga! A empezar el problema.
¿Cuánto os da?
34. Ejercicio 1:
La manivela de un pozo tiene de brazo 60 cm y hacemos un
esfuerzo con las manos de 18 kg. Si el radio del torno donde se
enrolla la cuerda es de 10 cm, ¿cuántos litros de agua puedo sacar
del pozo?
Empecemos a poner datos:
F = 18kg d = 60 cm = 0,6 m (lo ponemos en metros)
P = ¿? r = 10 cm = 0,1 m
¡Venga! A empezar el problema.
¿108 qué…? ¿108 kg? Vale pues entonces está bien.
35. Al producto de una fuerza por una distancia, o un brazo de
palanca, se le llama “momento” y su unidad de medida es el
kilogramo por metro (kgm) o el newton por metro (Nm). Entre
los dos yo prefiero el Newton por metro ya que son unidades
del sistema internacional, pero es común ver en catálogos o en
revistas de coches el momento de un motor en kgm. Al gusto de
cada uno, pero que el resultado esté bien.
Un kg de peso equivale a 9,81 Newtons.
36. Forma curiosa esta de arrancar los aviones, a manivela. A
principios de la Aviación se hacía a mano, tirando de la hélice.
43. Cuando accionamos el pedal
la biela (barra negra de hierro)
se mueve arriba y abajo. El
otro extremo está enganchado
en un cigüeñal que es el eje de
una polea por donde pasa la
correa que mueve la máquina.
Cigüeñal
Biela
Pedal
44. El cigüeñal es algo parecido a dos manivelas unidas por el
mango. Es como una manivela cuya empuñadura se ha prolongado
y modificado ligeramente. La empuñadura se le llama codo o
muñequilla.
Igual que ocurría con la manivela la fuerza con que movemos
el cigüeñal multiplicada por el brazo (distancia al eje de giro) se
denomina momento de giro o simplemente momento.
F
r
M = F x r
46. Movimiento de un motor monocilíndrico de explosión.
Cigüeñal (movimiento circular)
Biela
Pistón
(movimiento lineal)
47. Normalmente un cigüeñal viene asociado siempre a un
Operador mecánico llamado biela.
La biela es una barra o varilla perforada en los extremos que se
engancha a la muñequilla del cigüeñal y transforma el movimiento
circular de éste a movimiento rectilíneo alternativo de ida y
vuelta o viceversa.
52. El conjunto mecánico de excéntrica y leva permite, al igual que
el cigüeñal, transformar el movimiento circular en movimiento
Lineal alternativo.
Una excéntrica es un disco circular enganchado a un eje pero
no por el centro del disco, ambos ejes no coinciden.
53.
54.
55. Una leva es un caso especial de excéntrica. Es un elemento
mecánico que está sujeto a un eje por un punto que no es su
centro geométrico, sino un alzado de centro.
En la mayoría de los casos es de forma ovoide (huevo). El giro
del eje hace que el perfil o contorno de la leva toque, mueva,
empuje o conecte con una pieza conocida como seguidor o varilla.
60. Cuando varias levas están alineadas en un mismo eje, se le
llama árbol de levas. Es una pieza componente de los motores
de explosión y abre y cierra las válvulas de admisión y escape.
67. Una polea es una máquina simple, un dispositivo mecánico de
tracción, que sirve para transmitir una fuerza. Además, formando
conjuntos—aparejos o polipastos— sirve para reducir la
magnitud de la fuerza necesaria para mover un peso.
La polea es de forma circular y tiene un orificio central de giro y
una acanaladura por el perímetro por donde pasa una cuerda o
una correa.
Existen muchas clases de poleas y combinaciones posibles.
Vamos a estudiar las poleas fijas, las poleas móviles y los
aparejos o polipastos.
68. La única nota histórica sobre su uso se debe a Plutarco, quien en
su obra Vidas paralelas (c. 100 a. C.) relata que Arquímedes, en
carta al rey Hierón de Siracusa, a quien lo unía gran amistad,
afirmó que con una fuerza dada podía mover cualquier peso e
incluso se jactó de que si existiera otra Tierra, yendo a ella podría
mover ésta. Hierón, asombrado, solicitó a Arquímedes que
realizara una demostración.
70. Acordaron que el objeto a mover fuera un barco de la armada
del rey, ya que Hierón creía que éste no podría sacarse de la
dársena y llevarse a dique seco sin el empleo de un gran esfuerzo
y numerosos hombres. Según relata Plutarco, tras cargar el barco
con muchos pasajeros y con las bodegas repletas, Arquímedes se
sentó a cierta distancia y tirando de la cuerda alzó sin gran
esfuerzo el barco, sacándolo del agua tan derecho y estable como
si aún permaneciera en el mar.
71.
72.
73. La polea fija cuelga de un punto fijo facilitando muchos trabajos
aunque empleamos la misma fuerza. La cuerda que rodea la
polea recorre la misma distancia.
En las poleas fijas, las tensiones, o fuerzas, a ambos lados de la
cuerda son iguales por lo tanto no reduce la fuerza necesaria para
levantar un cuerpo. Sin embargo permite cambiar el ángulo en el
que se aplique esa fuerza y transmitirla hacia el otro lado de la
cuerda. Nos es más fácil tirar de la cuerda hacia abajo que tirar
hacia arriba.
La polea fija se puede considerar como una palanca de primer
género, o sea, que la fuerza aplicada es igual al peso a levantar.
P = F
74. La polea del pozo es el mejor
ejemplo de polea fija. No
disminuimos es esfuerzo a
realizar (P=F) pero tiramos
hacia abajo, que es mas cómodo.
76. La polea móvil es una polea que además de moverse en
rotación, giro, cuando pasa la cuerda, también se mueve en
traslación, hacia arriba o hacia abajo. De esta manera conseguimos
disminuir el esfuerzo a realizar en la cuerda a la mitad.
F = R/2
77. ¿Qué fuerza F se está realizando con las manos para elevar la
carga de 120 N (newtons)?¿Cuántos kilos de peso son?
79. Los aparejos o polipastos son operadores formados por poleas
fijas y móviles con la finalidad de elevar cargas pesadas realizando
esfuerzos pequeños. Se desmultiplica la fuerza que tenemos que
hacer tirando de la cuerda a costa de aumentar mucho el
recorrido de la cuerda, o sea, recogemos mucha cuerda.
81. Comparación entre polea fija, polea móvil y aparejo. La más
sencilla es la fija. Con la que se puede levantar mayores pesos
es el aparejo o polipasto.
¿Cuál es cada una?
82. Aparejo formado por tres poleas fijas y tres móviles.
¿Qué fuerza hay que hacer tirando de la cuerda para levantar
un peso de 450 kg?
83. Polipasto formado por tres poleas
móviles y una fija. ¿Con qué fuerza
hay que tirar de la cuerda para
levantar un peso de 200 kg?
El peso de 200 kg que está
enganchado en la polea 1 se distribuye
entre las dos cuerdas que suben, una
100 kg y la otra los otros 100 kg.
La polea 2 aguanta 100 kg, que se
distribuyen entre las dos cuerdas a
50 y 50 kg cada una.
A la polea 3 le llegan 50 kg, que
distribuye 25 y 25 kg a sus cuerdas.
La cuerda que pasa por la polea
fija tiene una tensión de 25 kg, que es
la fuerza que tenemos que hacer.
85. Como la fuerza a realizar en
la cuerda es de 25N, la cuarta
parte del peso a levantar, la
longitud de cuerda movida
será cuatro veces más que
el espacio levantado del peso
total.
FL x h = Fz x s
86. ¿Con qué fuerza hay que tirar de la
cuerda para levantar una carga de
2000kg?
88. Si engancho al gancho de esta
grúa una carga de 35.000 kg ¿qué
esfuerzo tendrá que hacer el
motor para levantarlo?
¿A qué tensión está sometido el
cable de la grúa? ¿Cuántas poleas
tiene el gancho? ¿Son fijas o
móviles?
89. Grúa accionada por fuerza humana.
Época de los romanos.
Tiene poleas fijas y móviles ¿Dónde están?
93. SISTEMA PIÑÓN CREMALLERA.
Este operador mecánico consta de un piñón, una rueda dentada,
y una cremallera, o barra longitudinal dentada. Transforma el
movimiento circular del piñón en rectilíneo de la cremallera y
viceversa.
Un ejemplo típico de este operador es el sistema utilizado por
los automóviles en la dirección de las ruedas delanteras, en las
compuertas en los canales de agua, para levantar los cristales
de las puertas de los coches o en las vías de los trenes de montaña.
99. SISTEMA TORNILLO TUERCA.
El sistema tornillo tuerca está formado por un eje roscado,
el tornillo, generalmente bastante largo, y una tuerca roscada a
él. Por cada vuelta que le demos al tornillo la tuerca sube o baja
la anchura del hilo del tornillo. Transforma el movimiento circular
en rectilíneo y además la desmultiplicación del movimiento es tan
grande que multiplica el esfuerzo realizado por el sistema.
Se utiliza en máquinas que deben realizar grandes esfuerzos,
como por ejemplo los gatos elevadores de los automóviles.
102. Otro tipo de gato
elevador para
coche. Véase el
tornillo y los
extremos que
hacen de tuercas.
TornilloTuercas
103. Esquema de funcionamiento de
un gato elevador de coche.
Engranajes cónicos
Manivela
tornillo
Tuerca
104. Y para terminar os pongo dos videos de mecanismos
complicados de relojes, realizados con manivelas, engranajes,
poleas, levas y un sinfín de operadores diversos.
Espero que os gusten.
