1. 1. TECNOLOGA 3 ESO. TEMA 4 MECANISMOS DE TRANSMISIN Y TRANSFORMACIN DEL MOVIMIENTO Realizado por Juan Antonio Pulido Alcn Profesor de Tecnologa y Plstica del I.E.S. Luis de Morales, Arroyo de la Luz. Cceres.
2. 2. CONTENIDOS 4.1. Manivelas. 4.2. Cigeales y bielas. 4.3. Excntricas y levas. 4.4. Poleas. 4.5. Otros sistemas de transmisin y transformacin de movimiento
3. 3. En este tema vamos a conocer cmo funcionan algunos artilugios mecnicos que transforman el movimiento, muy utilizados en cualquier mquina actual. Pero quiz sea mejor empezar definiendo qu es un mecanismo: Se le llama mecanismo a los dispositivos que reciben una energa de entrada y, a travs de un sistema de transmisin y transformacin de movimientos, realizan un trabajo. Un ejemplo muy claro es un reloj de cuerda. Le damos cuerda (energa) y el reloj funciona durante un par de das mediante una serie de ruedas dentadas y engranajes moviendo las manecillas y dndonos la hora (trabajo realizado).
4. 4. Reloj Morez de alrededor de 1850. Reloj mecnico que se le da cuerda mediante unas pesas y nos da la hora y las campanadas durante ocho das.
5. 5. Maquinaria de un reloj Morez, llena de engranajes, ruedas dentadas, manivelas, poleas, etc.
6. 6. Otro mecanismo muy conocido es el de los juguetes a cuerda. Le introducimos una energa dndole cuerda (comprimimos un resorte acumulando la energa) y despus el juguete se pone a funcionar realizando el movimiento (el resorte se descarga transformando la energa acumulada en trabajo, en movimiento).
7. 7. El mecanismo mas antiguo que se conoce es el de Anticitera. Es una calculadora mecnica antigua diseada para prever la posicin del Sol, la Luna, y algunos planetas, que permita predecir eclipses. Consiste en un conjunto de engranajes de ruedas dentadas de bronce con signos e inscripciones astronmicas 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 dise 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.
8. 8. Mecanismo de Anticitera. Calculadora astronmica. Siglo II a.C.
9. 9. Reconstruccin del mecanismo de Anticitera.
10. 10. Pincha en la imagen y vers un video sobre el mecanismo ms antiguo del mundo, el de Antikythera.
11. 11. Arqumedes de Siracusa ( Siracusa. Sicilia. 287 a. C. 212 a. C.) fue un fsico, ingeniero, inventor, astrnomo y matem- tico griego. Aunque se conocen pocos detalles de su vida, es considerado uno de los cientficos ms importantes de la antigedad clsica.
12. 12. El tornillo de Arqumedes.
13. 13. Leonardo da Vinci. 1452 1519. Leonardo da Vinci (Leonardo di ser Piero da Vinci) fue un polmata florentino del Renacimiento italiano. Fue a la vez pintor, anatomista, arquitecto, artista, botnico, cientfico, escritor, escultor, filsofo, ingeniero, inventor, msico, poeta y urbanista.
14. 14. Mecanismos de Leonardo para elevar agua de forma automtica.
15. 15. Ejercicio de bsqueda de informacin: Elije uno de estos tres famosos genios de la Mecnica y realiza un trabajo (mnimo dos pginas) sobre sus inventos ms conocidos. Ojo! Todos tendrn nota. Leonardo da Vinci. Arqumedes de Siracusa. Hern de Alejandra.
16. 16. Si quieres puedes ver estos interesantes y completos videos sobre estos tres genios de la Mecnica. Los inventos de Leonardo da Vinci (1:20:58) https://youtu.be/PV6T_kOWZbk La vida de Arqumedes (30:06) https://youtu.be/aJ135WSARIA Arqumedes. El genio de Siracusa (20:55) https://youtu.be/zCAzQmfd1Gc Inventos antiguos (30:58) https://youtu.be/drXTw2srI5Y
17. 17. 4.1. MANIVELAS.
18. 18. Qu es esto?
19. 19. Y esto otro?
20. 20. Y sta otra?
21. 21. El mundo est lleno de operadores mecnicos que utilizamos diariamente sin saber cmo se llaman, pero ah estn. Con ellos se facilita el trabajo a realizar. Son mecanismos que transmiten y transforman el movimientoy mueven el mundo. Como dijo Arqumedes: Dame un punto de apoyo y te mover el mundo.
22. 22. La manivela es uno de los operadores ms simples y antiguos utilizados por el ser humano. Es una barra acodada en forma de L con una empuadura, enganchada por el extremo superior a un eje. Facilita el movimiento de rotacin del eje, realizndolo con menos esfuerzo.
23. 23. Esto es una manivela. La cogemos por la empuadura y nos facilita darle vueltas al eje mediante el brazo de palanca. Cuanto mas grande sea este brazo haremos menos esfuerzo pero la vuelta ser mas grande.
24. 24. Aqu podis ver una aplicacin de la manivela, para sacar agua de un pozo realizando menos esfuerzo.
25. 25. Tambin algunos aviones se arrancan a manivela.
26. 26. En una manivela se cumple la ecuacin 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
27. 27. 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.
28. 28. 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, cuntos 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.
29. 29. 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, cuntos 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. Cunto os da?
30. 30. 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, cuntos 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 qu? 108 kg? Vale pues entonces est bien.
31. 31. 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 comn ver en catlogos o en revistas de coches el momento de un motor en kgm. Al gusto de cada uno, pero que el resultado est bien. Un kg de peso equivale a 9,81 Newtons.
32. 32. Forma curiosa esta de arrancar los aviones, a manivela. A principios de la Aviacin se haca a mano, tirando de la hlice.
33. 33. Carrete con manivela para recoger una manguera o un cable.
34. 34. Cuando no exista motor elctrico de arranque los coches arrancaban a manivela, y el retroceso te poda romper la pierna.
35. 35. Aunque desde los aos 20 ya los coches llevaban motor de arranque, a muchos les dejaban la opcin de arrancarlo a manivela, por si a caso.
36. 36. 4.2. CIGEALES Y BIELAS.
37. 37. Esta es una antigua mquina de coser, una SINGER 66. Veamos el mecanismo que acciona la mquina, el pedal, la biela y la polea.
38. 38. Pedal Biela Cigeal Polea Mquina Correa
39. 39. Cuando accionamos el pedal la biela (barra negra de hierro) se mueve arriba y abajo. El otro extremo est enganchado en un cigeal que es el eje de una polea por donde pasa la correa que mueve la mquina. Cigeal Biela Pedal
40. 40. El cigeal es algo parecido a dos manivelas unidas por el mango. Es como una manivela cuya empuadura se ha prolongado y modificado ligeramente. La empuadura se le llama codo o muequilla. Igual que ocurra con la manivela la fuerza con que movemos el cigeal multiplicada por el brazo (distancia al eje de giro) se denomina momento de giro o simplemente momento. F r M = F x r
41. 41. Cigeal de un motor de explosin de cuatro cilindros.
42. 42. Movimiento de un motor monocilndrico de explosin. Cigeal (movimiento circular) Biela Pistn (movimiento lineal)
43. 43. Normalmente un cigeal viene asociado siempre a un Operador mecnico llamado biela. La biela es una barra o varilla perforada en los extremos que se engancha a la muequilla del cigeal y transforma el movimiento circular de ste a movimiento rectilneo alternativo de ida y vuelta o viceversa.
44. 44. Mecanismo biela manivela.
45. 45. Funcionamiento de un cigeal para cuatro bielas y pistones. Cigeal Movimiento circular Bielas Pistones Movimiento lineal alternativo
46. 46. 4.3.EXCNTRICAS Y LEVAS.
47. 47. El conjunto mecnico de excntrica y leva permite, al igual que el cigeal, transformar el movimiento circular en movimiento Lineal alternativo. Una excntrica es un disco circular enganchado a un eje pero no por el centro del disco, ambos ejes no coinciden.
48. 48. Una leva es un caso especial de excntrica. Es un elemento mecnico que est sujeto a un eje por un punto que no es su centro geomtrico, sino un alzado de centro. En la mayora 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.
49. 49. Qu sucede cuando la leva gira? Qu es R r?
50. 50. La leva tiene movimiento circular La varilla o empujador tiene movimiento lineal alternativo Alzada de la leva (R - r)
51. 51. Dos levas empujando vlvulas para admisin y escape de un motor de explosin.
52. 52. 1. Admisin 2. Compresin 3. Expansin 4. Escape Levas Empujadores o varillas Bielas Cigeal
53. 53. Cuando varias levas estn alineadas en un mismo eje, se le llama rbol de levas. Es una pieza componente de los motores de explosin y abre y cierra las vlvulas de admisin y escape.
54. 54. 4.4.POLEAS.
55. 55. Una polea es una mquina simple, un dispositivo mecnico de traccin, que sirve para transmitir una fuerza. Adems, formando conjuntosaparejos 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 permetro por donde pasa una cuerda o una correa. Existen muchas clases de poleas y combinaciones posibles. Vamos a estudiar las poleas fijas, las poleas mviles y los aparejos o polipastos.
56. 56. La nica nota histrica sobre su uso se debe a Plutarco, quien en su obra Vidas paralelas (c. 100 a. C.) relata que Arqumedes, en carta al rey Hiern de Siracusa, a quien lo una gran amistad, afirm que con una fuerza dada poda mover cualquier peso e incluso se jact de que si existiera otra Tierra, yendo a ella podra mover sta. Hiern, asombrado, solicit a Arqumedes que realizara una demostracin.
57. 57. Arqumedes
58. 58. Acordaron que el objeto a mover fuera un barco de la armada del rey, ya que Hiern crea que ste no podra sacarse de la drsena y llevarse a dique seco sin el empleo de un gran esfuerzo y numerosos hombres. Segn relata Plutarco, tras cargar el barco con muchos pasajeros y con las bodegas repletas, Arqumedes se sent a cierta distancia y tirando de la cuerda alz sin gran esfuerzo el barco, sacndolo del agua tan derecho y estable como si an permaneciera en el mar.
59. 59. 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 ngulo en el que se aplique esa fuerza y transmitirla hacia el otro lado de la cuerda. Nos es ms fcil tirar de la cuerda hacia abajo que tirar hacia arriba. La polea fija se puede considerar como una palanca de primer gnero, o sea, que la fuerza aplicada es igual al peso a levantar. P = F
60. 60. 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 cmodo.
61. 61. P F Polea fija.
62. 62. La polea mvil es una polea que adems de moverse en rotacin, giro, cuando pasa la cuerda, tambin se mueve en traslacin, hacia arriba o hacia abajo. De esta manera conseguimos disminuir el esfuerzo a realizar en la cuerda a la mitad. F = R/2
63. 63. Qu fuerza F se est realizando con las manos para elevar la carga de 120 N (newtons)?Cuntos kilos de peso son?
64. 64. Ejercicio: Sabiendo que P son 1000 N, calcula el resto de los valores.
65. 65. Los aparejos o polipastos son operadores formados por poleas fijas y mviles con la finalidad de elevar cargas pesadas realizando esfuerzos pequeos. 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.
66. 66. Polipasto utilizado en los barcos de vela.
67. 67. Comparacin entre polea fija, polea mvil y aparejo. La ms sencilla es la fija. Con la que se puede levantar mayores pesos es el aparejo o polipasto. Cul es cada una?
68. 68. Aparejo formado por tres poleas fijas y tres mviles. Qu fuerza hay que hacer tirando de la cuerda para levantar un peso de 450 kg?
69. 69. Polipasto formado por tres poleas mviles y una fija. Con qu fuerza hay que tirar de la cuerda para levantar un peso de 200 kg? El peso de 200 kg que est 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 tensin de 25 kg, que es la fuerza que tenemos que hacer.
70. 70. P=200kg 100kg 100kg 50kg 50kg 25kg 25kg 25kg F = R/8 = 200/8 = 25kg
71. 71. Como la fuerza a realizar en la cuerda es de 25N, la cuarta parte del peso a levantar, la longitud de cuerda movida ser cuatro veces ms que el espacio levantado del peso total. FL x h = Fz x s
72. 72. Con qu fuerza hay que tirar de la cuerda para levantar una carga de 2000kg?
73. 73. 200 kg
74. 74. Si engancho al gancho de esta gra una carga de 35.000 kg qu esfuerzo tendr que hacer el motor para levantarlo? A qu tensin est sometido el cable de la gra? Cuntas poleas tiene el gancho? Son fijas o mviles?
75. 75. Gra accionada por fuerza humana. poca de los romanos. Tiene poleas fijas y mviles Dnde estn?
76. 76. Gra diseada por Leonardo da Vinci. Finales del siglo XV.
77. 77. Gra gigante montando una plataforma petrolfera.
78. 78. 4.5. OTROS SISTEMAS DE TRANSMISIN Y TRANSFORMACIN DEL MOVIMIENTO.
79. 79. SISTEMA PIN CREMALLERA. Este operador mecnico consta de un pin, una rueda dentada, y una cremallera, o barra longitudinal dentada. Transforma el movimiento circular del pin en rectilneo de la cremallera y viceversa. Un ejemplo tpico de este operador es el sistema utilizado por los automviles en la direccin 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 vas de los trenes de montaa.
80. 80. Sistema de pin-cremallera para mover de direccin las ruedas de un coche.
81. 81. Tren de cremallera, para subir cuestas muy inclinadas. Se utiliza mucho en las montaas de Suiza.
82. 82. Pincha en la imagen.
83. 83. SISTEMA TORNILLO TUERCA. El sistema tornillo tuerca est formado por un eje roscado, el tornillo, generalmente bastante largo, y una tuerca roscada a l. Por cada vuelta que le demos al tornillo la tuerca sube o baja la anchura del hilo del tornillo. Transforma el movimiento circular en rectilneo y adems la desmultiplicacin del movimiento es tan grande que multiplica el esfuerzo realizado por el sistema. Se utiliza en mquinas que deben realizar grandes esfuerzos, como por ejemplo los gatos elevadores de los automviles.
84. 84. Gato elevador para coche.
85. 85. Otro tipo de gato elevador para coche. Vase el tornillo y los extremos que hacen de tuercas. TornilloTuercas
86. 86. Esquema de funcionamiento de un gato elevador de coche. Engranajes cnicos Manivela tornillo Tuerca
87. 87. Y para terminar os pongo dos videos de mecanismos complicados de relojes, realizados con manivelas, engranajes, poleas, levas y un sinfn de operadores diversos. Espero que os gusten.