Conceptes Fonamentals de Màquines, Treball i Mecanismes

Màquines i Treball: Conceptes Bàsics

Una màquina és un conjunt de peces, acoblades entre si, capaces de transformar energia en treball útil. Una eina és un estri manual que s'utilitza per treballar materials.

Components Principals d'una Màquina

• Estructura: És la part de la màquina on van fixades totes les altres parts.
• Mecanismes: Són les peces que reben el moviment i el transmeten cap a altres parts de la màquina. Ex: engranatges.
• Motor: És la part de la màquina que produeix la conversió de l'energia en moviment.

Treball, Força i Potència

Una força és una acció capaç de produir o modificar l'estat de repòs o de moviment d'un cos o de produir deformacions. La unitat de força en el Sistema Internacional de Mesura és el newton (N).

S'anomena treball a l'acció d'aplicar una o més forces sobre un cos i provocar o modificar el seu moviment.

Fórmules de Treball i Potència

Treball (W): $W = F \cdot e$ (on F és la força en newtons i e és l'espai en metres)

S'anomena potència a la rapidesa amb què es duu a terme el treball.

Potència (P): $P = W / t$ (on t és el temps en segons)

Equivalències: 1 kW = 1000 W // 1 CV = 736 W

Principi de Conservació de l'Energia i Rendiment

No hi ha cap màquina que pugui transformar íntegrament tota l'energia que rep en treball útil.

El rendiment és la relació que hi ha entre l'energia consumida i el treball produït.

Fórmula del Rendiment:

Rendiment $(\eta) = (W_u / W_c) \cdot 100$

Nota: En tots els casos, l'energia no desapareix, sinó que es transforma i es manifesta de diferents maneres (calor, etc.).

Màquines Simples

Les màquines simples són dispositius, generalment formats per un sol element, que ens permeten multiplicar forces.

L'avantatge mecànic (i) relaciona la força o resistència (R) que pot contrarrestar una màquina simple amb la força (F) que cal aplicar-hi:

Avantatge Mecànic: $i = R / F$

Nota: L'avantatge mecànic no té unitats.

La Palanca

Consisteix en una barra rígida recolzada en un punt de suport o fulcre al voltant del qual pot girar.

Llei de la Palanca: $F \cdot d_1 = R \cdot d_2$

Tipus de Palanques

• Primer gènere: El punt de suport està entre la força i la resistència (Ex: tisores).
• Segon gènere: El punt de suport està en un extrem, la força a l'altre extrem i la resistència al mig (Ex: carretilla).
• Tercer gènere: El punt de suport és en un extrem de la barra, la força al mig i la resistència a l'altre extrem (Ex: pinces).

Pla Inclinat

Superfície plana amb un extrem elevat a una certa alçada.

Fórmula: $F = (R \cdot h) / l$

La Roda

A més de transportar mercaderies, la roda ha tingut des de l'antiguitat altres aplicacions: la politja, la roda hidràulica, el torn...

La Politja Simple

Una corriola o politja és una màquina simple usada per pujar o baixar pesos. Consta d'una roda generalment acanalada a la seva perifèria que pot girar sobre el seu eix, el qual es fixa en un suport. Sobre la roda s'hi ajusta una corda que queda penjada dels seus extrems.

Politja Mòbil o Polispast

La combinació de politges és un polispast. Està format per una o més politges fixes i una o més de mòbils, enllaçades per una corda.

Un extrem de la corda es fixa, generalment al suport de la politja, mentre que a l'altre extrem s'hi aplica la força. La resistència s'aplica a l'eix de la politja mòbil mitjançant un ganxo.

Fórmula del Polispast: $F = (R + Q) / (2 \cdot n)$

• Q = Pes de les politges mòbils
• n = Nombre de politges mòbils

Mecanismes de Transmissió de Moviment

D'entre els més importants destaquen els que transmeten moviments circulars o de rotació i els de translació.

Transmissió de Moviment Circular o Rotació

El moviment es transmet des d'un eix o arbre a través de rodes (engranatges) o politges.

• Un arbre és una barra, generalment cilíndrica, que gira i transmet un moviment de rotació.
• Un eix és un suport fix sobre el qual gira una roda, una politja...

Els paràmetres importants dels mecanismes de moviment són la freqüència de rotació i la relació de transmissió.

La freqüència de rotació és la velocitat a la qual gira una roda o un eix i es mesura pel nombre de voltes que fa per unitat de temps.

La relació de transmissió indica la relació entre la freqüència de rotació entre la roda conduïda ($n_2$) i la conductora o motriu ($n_1$).

Relació de Transmissió: $i_{1 \to 2} = n_2 / n_1$

Transmissió per Politges

En aquests mecanismes es transmet el moviment de gir d'un eix a un altre a partir de dues rodes que s'enllacen entre si a través d'una corretja o qualsevol altre element flexible.

La roda o politja que s'acobla a l'eix de l'element s'anomena politja conductora o motriu i la que es fixa a l'eix de sortida, politja conduïda.

La reducció o ampliació de la velocitat de gir dependrà dels diàmetres de les rodes o politges. Existeix una proporcionalitat entre els diàmetres de les rodes i les seves velocitats.

Propietats de la Transmissió per Politges

• És un sistema de transmissió senzill i fàcil de transmetre el moviment a distàncies relativament grans.
• La politja conductora o motriu i la politja conduïda giren al mateix sentit.
• La corretja pot patir lliscament amb les rodes, sobretot si tenen diàmetres molt diferents i la distància entre eixos és petita.

Transmissió per Engranatges

Els engranatges són mecanismes de transmissió de moviment circular. Estan constituïts per rodes dentades, de manera que les dents d'una s'intercalen dins les de l'altra.

En girar l'engranatge conductor a través de les dents, obliga l'engranatge conduït a girar en sentit contrari.

Per determinar la freqüència de rotació o el nombre de dents dels engranatges es parteix de l'expressió:

$n_1 \cdot Z_1 = n_2 \cdot Z_2$

Relació de Transmissió: $i_{1 \to 2} = n_2 / n_1 = Z_1 / Z_2$

Fonts d'Energia per a les Màquines

Les formes d'energia més utilitzades són:

• Elèctrica: Es pot obtenir a través de la xarxa elèctrica, per mitjà de bateries (piles) o amb cèl·lules fotovoltaiques. Poden produir diferents efectes: calor, moviment, llum, so...
• Termoquímica: En cremar els combustibles desprenen energia que s'utilitza en calderes, cuines, motors de vehicles...
• Fluids a pressió: L'aire comprimit o els líquids a pressió, proporcionats per compressors o bombes, serveixen per impulsar premses, perforadores, grues, plataformes...
• Mecàniques: La força que fan els músculs són utilitzats per accionar màquines, eines... L'energia mecànica de les molles s'utilitza en joguines i rellotges de corda.

Accionament i Control de Màquines

Quan engeguem una màquina o un aparell s'activen tots els seus sistemes. A vegades cal definir un temps o un mode de treball, i fins i tot dirigir-ne una part del funcionament. Moltes màquines, a més, permeten el control automàtic d'algunes de les seves opcions de funcionament.

Accionaments Externs (Control Manual)

Moltes funcions de control es porten a terme per mitjà de dispositius externs d'engegada, selecció o maniobra, que han de ser accionats pels usuaris. Els més comuns són:

• Interruptors d'engegada: Acostumen a ser de palanca o de botó amb dues posicions: engegada i aturada. A vegades consisteixen en un polsador que cal mantenir accionat.
• Comandaments a distància: Permeten engegar o parar la màquina per mitjà d'un senyal, generalment una ona d'infrarojos que s'envia a un receptor situat a la mateixa màquina.
• Temporitzadors: Serveixen per seleccionar el temps de funcionament per mitjà d'un comandament de rellotge. També s'utilitzen temporitzadors d'engegada.
• Dispositius de maniobra: Són utilitzats pels usuaris per modificar i dirigir algunes accions.
• Selectors de funcionament: S'utilitzen quan hi ha diferents possibilitats de funcionament o programes, com les rentadores o els rentaplats.

Control Automàtic

Permet controlar des de l'alarma d'un despertador fins al llançament d'una nau espacial. Està constituït per:

• Dispositiu d'entrada (Sensors): Tenen com a funció detectar els canvis que es produeixen a l'exterior i a l'interior de la màquina. N'hi ha de proximitat, lluminositat, temperatura... Les dades que perceben es converteixen en senyals, normalment elèctrics, que alguns cops s'envien a la unitat de control del sistema perquè siguin processats i altres cops permeten actuar directament, com a interruptors automàtics.
• Unitat de control (Processador): Constitueix el "cervell" de les màquines i els sistemes automàtics, ja que pot ordenar certes tasques segons les dades que rep seguint el seu programa de funcionament. El dispositiu més important és el processador.
• Unitat de sortida (Actuadors): Actuen com a interruptors o comandaments interns accionats per senyals enviats des de la unitat de control perquè engeguin, aturin o modifiquin el funcionament de motors, llums, resistències... Els òrgans de comandament més comuns són els relés, vàlvules pneumàtiques i commutadors electrònics.