Fundamentos de Máquinas y Mecanismos: Componentes y Principios

Fundamentos de Máquinas y Mecanismos

¿Qué es una Máquina?

Una máquina es un artefacto capaz de aprovechar, transformar o regular la energía que recibe para producir un efecto determinado.

Componentes Fundamentales de una Máquina

Las máquinas están compuestas por diversos elementos que trabajan de forma coordinada:

• Estructura: Conjunto de elementos que protegen el resto de los componentes de la máquina y sirven de apoyo para su colocación.
• Motor: Dispositivo encargado de transformar la energía que se le suministra en energía mecánica. Existen dos tipos principales: eléctricos y térmicos.
• Mecanismos: Elementos que se ocupan de transmitir y transformar las fuerzas y los movimientos dentro de la máquina.
• Circuitos: Componentes a través de los cuales se transporta materia o energía de un lugar a otro de la máquina. Pueden ser eléctricos, electrónicos, hidráulicos o neumáticos.
• Actuadores: Elementos de la máquina que producen los efectos o acciones finales.
• Dispositivos de Maniobra y Control: Elementos que permiten manejar la máquina para que su funcionamiento se ajuste a lo previsto en su diseño.

Tipos de Motores

Los dos tipos principales de motores son:

• Eléctricos: Funcionan con corriente eléctrica. Son limpios y suelen producir un trabajo adecuado para muchas aplicaciones.
• Térmicos: Funcionan con carburantes (combustibles). Generalmente, producen un trabajo de mayor magnitud.

Automatismos y Niveles de Automatización

¿Qué son los Automatismos?

Los automatismos son elementos de la máquina capaces de ejecutar secuencias de operaciones sin necesidad de intervención manual. Pueden ser de diversos tipos, como mecánicos, eléctricos, electromecánicos, etc.

Clasificación de Máquinas por Nivel de Automatización

Las máquinas se pueden clasificar según el grado de automatización que incorporen:

• Máquina sin Automatismos: El control de la máquina es completamente manual. Ejemplos: tijeras, alicates.
• Máquinas con Automatismos: Ciertos dispositivos o funciones operan sin intervención manual directa.
• Máquina de Ciclo Fijo: Realiza una o varias operaciones que repite de forma continua en el mismo orden. Ejemplos: máquinas envasadoras, etiquetadoras.
• Máquina Programable: El ciclo de operaciones puede ser modificado mediante un programa, sin necesidad de alterar la estructura física de la máquina. Ejemplos: lavadora, lavavajillas.
• Máquina Inteligente: Incorpora sensores y un programa que le permite tomar decisiones y adaptar su funcionamiento en función de las condiciones del entorno. Ejemplos: robots industriales.

Mecanismos: Transmisión y Transformación del Movimiento

Definición de Mecanismo

Los mecanismos son elementos o combinaciones de elementos, generalmente rígidos, diseñados para transmitir y transformar fuerzas y movimientos. Se emplean para modificar, controlar o facilitar los movimientos.

Tipos de Mecanismos

Los mecanismos se pueden clasificar según su función principal:

• Mecanismos que Transmiten Movimiento: Transfieren movimiento de un punto a otro.
  • Transmisión Lineal: Ejemplos: palanca, polea simple.
  • Transmisión Circular: Ejemplos: engranajes, tornillo sin fin, corona y piñón.
• Mecanismos que Transforman el Movimiento: Cambian el tipo de movimiento.
  • Transformación Circular-Lineal: Ejemplos: tornillo y tuerca, piñón y cremallera.
  • Transformación Circular-Alternativo: Ejemplos: leva, biela-manivela.
• Mecanismos que Modifican la Carga: Afectan la fuerza o energía. Ejemplos: acumuladores, frenos, amortiguadores.
• Mecanismos de Acoplamiento: Permiten unir o separar elementos. Ejemplos: embragues, juntas, platos.

Ejemplos Específicos de Mecanismos y Sistemas

• Mecanismo Biela-Manivela: El elemento de entrada (manivela) tiene movimiento circular, mientras que el elemento de salida (biela) tiene movimiento alternativo.
• Sistemas de Transmisión Lineal: En estos sistemas, los movimientos de entrada y salida son lineales.
• Elementos Comunes de Transmisión: Ruedas de fricción, polea y correa, ruedas dentadas (engranajes), ruedas dentadas y cadena.

Principios y Cálculos en Mecanismos

Palancas y Ventaja Mecánica

La Ventaja Mecánica (VM) es el cociente entre la resistencia vencida y la fuerza aplicada para vencerla (VM = Resistencia / Fuerza).

La Ley de la Palanca establece que: Potencia × Brazo de Potencia = Resistencia × Brazo de Resistencia (P × bp = R × br).

Existen tres Tipos de Palancas según la posición relativa de la Potencia (P), la Resistencia (R) y el Punto de Apoyo (PA):

• Primer Género: PA está entre P y R (P - PA - R).
• Segundo Género: R está entre P y PA (P - R - PA).
• Tercer Género: P está entre R y PA (R - P - PA).

Poleas y Polipastos

• Una polea fija no proporciona ventaja mecánica (VM = 1).
• Una polea móvil ideal proporciona una ventaja mecánica de 2 (VM = 2).
• En un polipasto (sistema de poleas fijas y móviles), la fuerza (F) necesaria para levantar una resistencia (R) depende del número (n) de segmentos de cuerda que soportan la carga (o, en sistemas simples, del número de poleas móviles): F = R / (2n).

El Torno

Un torno combina los efectos de la polea y la palanca. Se aplica la misma ley que en la palanca para calcular el equilibrio: Potencia × Brazo de la Manivela = Resistencia × Radio del Tambor.

Relación de Transmisión (i)

La Relación de Transmisión (i) es el cociente entre el valor de una magnitud de salida y el valor de la misma magnitud en la entrada del mecanismo. Se representa comúnmente con la letra 'i'.

El cálculo de la relación de transmisión varía según el mecanismo:

• Mediante Palancas: i = Fuerza de Salida (F2) / Fuerza de Entrada (F1).
• Mediante Poleas y Correa: i = Velocidad de Salida (n2) / Velocidad de Entrada (n1) = Diámetro de Entrada (d1) / Diámetro de Salida (d2). Se cumple que n1 × d1 = n2 × d2.
• Engranajes: i = Velocidad de Salida (n2) / Velocidad de Entrada (n1) = Número de Dientes de Entrada (z1) / Número de Dientes de Salida (z2).
• Engranajes con Cadena: La relación se establece entre las velocidades de las ruedas dentadas y el número de sus dientes, similar a los engranajes.
• Tornillo sin Fin y Corona: i = 1 / Número de Dientes de la Corona (z).