Equilibrio y Máquinas simples

EQUILIBRIO DE LOS CUERPOS SUSPENDIDOS

Un cuerpo suspendido se  encuentra  en  equilibrio,  cuando  la  vertical correspondiente al punto de suspensión pasa por el centro de gravedad. En este caso la fuerza peso es anulada por la fuerza de reacción del punto de suspensión, de igual modulo y dirección pero de sentido opuesto. 

De  acuerdo  a  la  posición  relativa  del  punto  de  suspensión  respecto  del centro de gravedad, los cuerpos suspendidos pueden presentar 3 tipos de equilibrios: 

Equilibrio Estable: si el punto de suspensión se encuentra por encima del centro  de  gravedad.  Cuando  el  cuerpo  se  separa  de  la  posición  de equilibrio, vuelve a su estado inicial.

  Equilibrio  Inestable:  si  el  punto de  suspensión  se encuentra por debajo del centro de gravedad. Al sacar al cuerpo de su posición no vuelve a ella.

 Equilibrio Indiferente: si el punto de suspensión coincide con el centro de gravedad. El cuerpo siempre está en equilibrio.

EQUILIBRIO DE LOS CUERPOS APOYADOS

Cuando la vertical que pasa por el centro de gravedad cae dentro de la base de sustentación de dicho cuerpo.

A medida que el cuerpo se inclina se forma una cupla (sistema de fuerzas paralelas de distinto sentido) entre la fuerza peso y la fuerza de reacción que actúan a través de la base de sustentación. Esta cupla hace girar al cuerpo hasta que recupera su estabilidad. De acuerdo a la posición relativa del centro de gravedad del cuerpo, con respecto a la horizontal del plano donde está apoyado, el equilibrio puede ser: 

Estable: si el centro de gravedad está más bajo que en cualquier otra posición. 

Inestable: si el centro de gravedad está más alto que en cualquier otra posición. 

Indiferente: si el centro de gravedad no puede tomar posiciones más bajas

MAQUINARIA SIMPLE

Una máquina simple es un artefacto mecánico que transforma un movimiento en otro diferente, valiéndose de la fuerza recibida para entregar otra de magnitud, dirección o longitud de desplazamiento distintos a la de la acción aplicada.1

En una máquina simple se cumple la ley de la conservación de la energía: (la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma). La fuerza aplicada, multiplicada por la distancia aplicada (trabajo aplicado), será igual a la fuerza resultante multiplicada por la distancia resultante (trabajo resultante). Una máquina simple, ni crea ni destruye trabajo mecánico, sólo transforma algunas de sus características.

Máquinas simples son: la palanca, las poleas, el plano inclinado, la cuña, etc.

No se debe confundir una máquina simple con elementos de máquinas, mecanismos o sistema de control o regulación de otra fuente de energía.

TIPOS DE MAQUINARIA SIMPLE

PALANCALa palanca es una máquina simple que tiene como función transmitir una fuerza y un desplazamiento. Está compuesta por una barra rígida que puede girar libremente alrededor de un punto de apoyo llamado fulcro.

Puede utilizarse para amplificar la fuerza mecánica que se aplica a un objeto, para incrementar su velocidad o la distancia recorrida, en respuesta a la aplicación de una fuerza.

POLEA

Según definición de Hatón de la Goupillière, «la polea es el punto de apoyo de una cuerda que moviéndose se arrolla sobre ella sin dar una vuelta completa» actuando en uno de sus extremos la resistencia y en otro la potencia.

Una polea, es una máquina simple, un

dispositivo mecánico de tracción, que sirve para

transmitir una fuerza. Se trata de una rueda, roldana o disco,

generalmente maciza y rallada en su borde, que con el concurso de una cuerda o

cable que se hace pasar por el canal ("garganta"), se usa

como elemento de transmisión para cambiar la dirección del movimiento en

máquinas y mecanismos. Además, formando conjuntos

—aparejos o polipastos— sirve para reducir la magnitud de la

fuerza necesaria para mover un peso.

Palanca de primera clase

• En la palanca de primera clase, el fulcro se encuentra situado entre la potencia y la resistencia. Se caracteriza en que la potencia puede ser menor que la resistencia, aunque a costa de disminuir la velocidad transmitida y la distancia recorrida por la resistencia. Para que esto suceda, el brazo de potencia Bp ha de ser mayor que el brazo de resistencia Br.

• Cuando lo que se requiere es ampliar la velocidad transmitida a un objeto, o la distancia recorrida por éste, se ha de situar el fulcro más próximo a la potencia, de manera que Bp sea menor que Br.

• Ejemplos de este tipo de palanca son el balancín, las tijeras, las tenazas, los alicates o la catapulta (para ampliar la velocidad). En el cuerpo humano se encuentran varios ejemplos de palancas de primer género, como el conjunto tríceps braquial - codo - antebrazo.

Palanca de segunda clase

• En la palanca de segunda clase, la resistencia se encuentra entre la potencia y el fulcro. Se caracteriza en que la potencia es siempre menor que la resistencia, aunque a costa de disminuir la velocidad transmitida y la distancia recorrida por la resistencia. Ejemplos de este tipo de palanca son la carretilla, los remos y el cascanueces.

Palanca de tercera clase

• En la palanca de tercera clase, la potencia se encuentra entre la resistencia y el fulcro. Se caracteriza en que la fuerza aplicada es mayor que la resultante; y se utiliza cuando lo que se requiere es ampliar la velocidad transmitida a un objeto o la distancia recorrida por él.

• Ejemplos de este tipo de palanca son el quitagrapas y la pinza de cejas; y en el cuerpo humano, el conjunto codo - bíceps braquial - antebrazo, y la articulación temporomandibular.

TIPOS DE PALANCAS

PARTES DE LA POLEA

1.La llanta: Es la zona exterior de la polea y su constitución es esencial, ya que se adaptará a la forma de la correa que

alberga.

2.El cuerpo: Las poleas estarán formadas por una

pieza maciza cuando sean de pequeño tamaño. Cuando sus dimensiones aumentan, irán provista de nervios o brazos

que generen la polea, uniendo el cubo con la llanta.

3. El cubo: Es el agujero cónico y cilíndrico que sirve para

acoplar al eje. En la actualidad se emplean mucho los

acoplamientos cónicos en las poleas, ya que resulta muy cómodo su montaje y los

resultados de funcionamiento son excelentes.

Polipasto

Un aparejo, polipasto o polispasto es una máquina compuesta por dos o más poleas y una cuerda, cable o cadena que alternativamente va pasando por las diversas garruchas de cada una de aquellas. Se utiliza para levantar o mover una carga con una gran ventaja mecánica, porque se necesita aplicar una fuerza mucho menor que el peso que hay que mover.1 Esta máquina, mecánicamente llamada «funicular» es una de las de mayor potencia que se conocen.

USOSe utilizan en talleres o industrias para elevar y colocar elementos y materiales muy pesados en las diferentes máquinas-herramientas o cargarlas y descargarlas de los camiones que las transportan. Suelen estar sujetos a un brazo giratorio acoplado a una máquina, o pueden ser móviles guiados porrieles colocados en los techos de las naves industriales.Los polipastos tienen distintas capacidades de elevación dependiendo de la carga que pueden llegar a levantar. Es posible aumentar la capacidad de elevación aumentando el número de ramales de un polipasto. Por ejemplo, un polipasto de 500 Kg con un ramal puede tener una capacidad de sólo 500 Kg, pero si se configura con dos ramales y se utilizan los accesorios adecuados el mismo polipasto puede levantar 1000 Kg. Para poder alcanzar capacidades muy altas de elevación a veces es necesario el uso de un conjunto de varios polipastos con varios ramales junto a una pasteca especial.

TIPOS Según su número de ramales: Cuando una de las poleas no tiene más que una garrucha o es un montón, el polipasto se llama «aparejo sencillo». En los demás casos, es «aparejo doble». Según el número de vueltas que da la cuerda en las poleas se llaman de 

cuatro, de seis, etc. cordones o «guarnes», tomando también con relación al objeto y a la forma en que se aplica un sobrenombre o denominación particular como las de «aparejo de gancho», «aparejo de rabiza», «aparejo de burel y estrobo», etc.

Según la forma en que multiplican la fuerza, los aparejos más comunes son: Aparejo factorial, la fuerza desarrollada es proporcional a la cantidad de poleas móviles. Aparejo potencial, corresponde a 2 elevado al número de poleas. Aparejo diferencial, depende de la diferencia de radios entre las dos poleas que lo forman. Según el material de los ramales, los polipastos pueden ser de cuerda, de cable o de cadena. Y según lo que aplique la potencia a la máquina pueden ser: manuales, de palanca o eléctricos.

FORMULA MATEMÁTICA

Aparejo factorial  En su fórmula interviene la «fuerza» que debe realizar el objeto o persona

para levantar la «resistencia» y el número de poleas móviles que intervienen en el levantamiento de la resistencia:

Su fórmula es: 

Ejemplo: 

Para levantar un peso de 980 N se ha realizado una fuerza de 245 N.

Torno

Se denomina torno (del latín tornus, y este del griego τόρνος, giro, vuelta)1 a un

conjunto de máquinas y herramientas que permiten mecanizar piezas de forma

geométrica de revolución. Estas máquinas-herramienta operan haciendo girar la pieza a mecanizar (sujeta en el cabezal o fijada entre los puntos de centraje) mientras una

o varias herramientas de corte son empujadas en un movimiento regulado de 

avance contra la superficie de la pieza, cortando la viruta de acuerdo con las

condiciones tecnológicas de mecanizado adecuadas. Desde el inicio de la 

Revolución industrial, el torno se ha convertido en una máquina básica en el

proceso industrial de mecanizado.

Torno paraleloEl torno paralelo o mecánico es el tipo de torno que evolucionó partiendo de los tornos antiguos cuando se le fueron incorporando nuevos equipamientos que lograron convertirlo en una de las máquinas herramientas más importante que han existido. Sin embargo, en la actualidad este tipo de torno está quedando relegado a realizar tareas poco importantes, a utilizarse en los talleres de aprendices y en los talleres de mantenimiento para realizar trabajos puntuales o especiales. Torno copiadorSe llama torno copiador a un tipo de torno que operando con un dispositivo hidráulico y electrónico permite el torneado de piezas de acuerdo a las características de la misma siguiendo el perfil de una plantilla que reproduce una replica igual a la guía.Este tipo de tornos se utiliza para el torneado de aquellas piezas que tienen diferentes escalones de diámetros, que han sido previamente forjadas o fundidas y que tienen poco material excedente. También son muy utilizados estos tornos en el trabajo de la madera y del mármol artístico para dar forma a las columnas embellecedoras. La preparación para el mecanizado en un torno copiador es muy sencilla y rápida y por eso estas máquinas son muy útiles para mecanizar lotes o series de piezas que no sean muy grandes. Torno revólverEl torno revólver es una variedad de torno diseñado para mecanizar piezas sobre las que sea posible el trabajo simultáneo de varias herramientas con el fin de disminuir el tiempo total de mecanizado. Las piezas que presentan esa condición son aquellas que, partiendo de barras, tienen una forma final decasquillo o similar. Una vez que la barra queda bien sujeta mediante pinzas o con un plato de garras, se va taladrando, mandrinando, roscando o escariando la parte interior mecanizada y a la vez se puede ir cilindrando, refrentando, ranurando, roscando y cortando con herramientas de torneado exterior.  Torno verticalEl torno vertical es una variedad de torno, de eje vertical, diseñado para mecanizar piezas de gran tamaño, que van sujetas al plato de garras u otros operadores y que por sus dimensiones o peso harían difícil su fijación en un torno horizontal.Los tornos verticales no tienen contrapunto sino que el único punto de sujeción de las piezas es el plato horizontal sobre el cual van apoyadas. La manipulación de las piezas para fijarlas en el plato se hace mediante grúas de puente o polipastos.

TIPOS

ESTRUCTURA DEL TORNO

El torno tiene cinco componentes principales:

Bancada: sirve de soporte para las otras unidades del torno. En su parte superior lleva unas guías por las que se desplaza el cabezal móvil o contrapunto y el carro principal.

Cabezal fijo: contiene los engranajes o poleas que impulsan la pieza de trabajo y las unidades de avance. Incluye el motor, el husillo, el selector de velocidad, el selector de unidad de avance y el selector de sentido de avance. Además sirve para soporte y rotación de la pieza de trabajo que se apoya en el husillo.

Contrapunto: el contrapunto es el elemento que se utiliza para servir de apoyo y poder colocar las piezas que son torneadas entre puntos, así como otros elementos tales como portabrocas o brocas para hacer taladros en el centro de los ejes. Este contrapunto puede moverse y fijarse en diversas posiciones a lo largo de la bancada.

Carro portátil: consta del carro principal, que produce los movimientos de la herramienta en dirección axial; y del carro transversal, que se desliza transversalmente sobre el carro principal en dirección radial. En los tornos paralelos hay además un carro superior orientable, formado a su vez por tres piezas: la base, el charriot y la torreta portaherramientas. Su base está apoyada sobre una plataforma giratoria para orientarlo en cualquier dirección.

Cabezal giratorio o chuck: su función consiste en sujetar la pieza a mecanizar. Hay varios tipos, como el chuck independiente de cuatro mordazas o el universal, mayoritariamente empleado en el taller mecánico, al igual que hay chucks magnéticos y de seis mordazas.

PRENSA HIDRÁULICA Una prensa hidráulica es un mecanismo conformado por 

vasos comunicantes impulsados por pistones de diferente área que, mediante pequeñas fuerzas, permite obtener otras mayores. Los pistones son llamados pistones de agua, ya que son hidráulicos. Estos hacen funcionar conjuntamente a las prensas hidráulicas por medio de motores.

En el siglo XVII, en Francia, el matemático y filósofo Blaise Pascal comenzó una investigación referente al principio mediante el cual la presión aplicada a un líquido contenido en un recipiente se transmite con la misma intensidad en todas direcciones.[cita requerida

] Gracias a este principio se pueden obtener fuerzas muy grandes utilizando otras relativamente pequeñas. Uno de los aparatos más comunes para alcanzar lo anteriormente mencionado es la prensa hidráulica, la cual está basada en el principio de Pascal.

El rendimiento de la prensa hidráulica guarda similitudes con el de la palanca, pues se obtienen fuerzas mayores que las ejercidas pero se aminora la velocidad y la longitud de desplazamiento, en similar proporción

PLANO INCLINADO

El plano inclinado es una máquina simple que consiste en una superficie plana que forma un ángulo agudo con el suelo y se utiliza para elevar cuerpos a cierta altura.

Tiene la ventaja de necesitarse una fuerza menor que la que se emplea si levantamos dicho cuerpo verticalmente, aunque a costa de aumentar la distancia recorrida y vencer la fuerza de rozamiento.

Las leyes que rigen el comportamiento de los cuerpos en un plano inclinado fueron enunciadas por primera vez por el matemático Simon Stevin, en la segunda mitad del siglo XVI.

Para analizar las fuerzas existentes sobre un cuerpo situado sobre un plano inclinado, hay que tener en cuenta la existencia de varios orígenes en las mismas.

En primer lugar se debe considerar la existencia de una fuerza de gravedad, también conocida como peso, que es consecuencia de la masa(M) que posee el cuerpo apoyado en el plano inclinado y tiene una magnitud de M.g con una dirección vertical y representada en la figura por la letra G.

Existe además una fuerza normal (N), también conocida como la fuerza de reacción ejercida sobre el cuerpo por el plano como consecuencia de la tercera ley de Newton, se encuentra en una dirección perpendicular al plano y tiene una magnitud igual a la fuerza ejercida por el plano sobre el cuerpo. En la figura aparece representada por N y tiene la misma magnitud que F2= M.g.cosα y sentido opuesto a la misma.

Existe finalmente una fuerza de rozamiento, también conocida como fuerza de fricción (FR), que siempre se opone al sentido del movimiento del cuerpo respecto a la superficie, su magnitud depende tanto del peso como de las características superficiales del plano inclinado y la superficie en contacto del cuerpo que proporcionan un coeficiente de rozamiento. Esta fuerza debe tener un valor igual a F1=M.g.senα para que el cuerpo se mantenga en equilibrio. En el caso en que F1 fuese mayor que la fuerza de rozamiento el cuerpo se deslizaría hacia abajo por el plano inclinado. Por tanto para subir el cuerpo se debe realizar una fuerza con una magnitud que iguale o supere la suma de F1 + FR.