Fundamentos de Estructuras y Mecanismos: Resistencia, Movimiento y Transformación

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Fundamentos de Estructuras y Mecanismos

Estructura: Conjunto de elementos de un cuerpo destinados a soportar las fuerzas que actúan sobre él e impedir que se rompa o se deforme en exceso.

Propiedades de las Estructuras

  • Estabilidad: Para evitar que una estructura vuelque fácilmente, su centro de gravedad debe estar centrado sobre su base.
  • Resistencia: Las estructuras tienen que soportar las tensiones a las que están sometidas sin romperse.
  • Rigidez: Aunque todos los objetos se deforman, levemente, al aplicarles una fuerza, esta deformación nunca debe ser tan grande como para impedir que el objeto cumpla con su función.

Tipos de Esfuerzos

Esfuerzo: La tensión interna que experimentan los cuerpos sometidos a la acción de una o varias fuerzas.

  • Tracción: Las fuerzas tratan de estirar el cuerpo sobre el que se aplican.
  • Compresión: Las fuerzas tratan de aplastar un cuerpo.
  • Flexión: Las fuerzas intentan doblar el elemento sobre el que están aplicadas.
  • Torsión: Las fuerzas tratan de retorcer el elemento sobre el que actúan.
  • Cortante: Las fuerzas actúan como los dos filos de una tijera: muy juntas, una hacia arriba y otra abajo, intentando separar dos secciones del objeto.
  • Pandeo: Esfuerzo combinado de compresión y flexión. Se produce cuando la carga compresora no está centrada sobre el objeto.

Tipos de Estructuras

  • Masivas: Gran cantidad de material y apenas tienen huecos.
  • Abovedadas: Permiten cubrir espacios mayores y aumentar los huecos en la estructura.
  • Entramadas: Se emplean en nuestros edificios de bloques de viviendas.
  • Trianguladas: Estructuras de barras metálicas o de madera, muy útiles en cubiertas de grandes luces, en estructuras verticales y que necesitan ligereza.
  • Colgantes: Utilizan cables (tirantes).
  • Neumáticas: Desmontables y ligeras. En su interior hay aire que sujeta los nervios y la propia estructura.
  • Laminares: Láminas finas que tienen una gran resistencia debido a su curvatura.
  • Geodésicas: Trianguladas tridimensionales que combinan las propiedades de las bóvedas y de las estructuras de barras.

Mecanismos de Transmisión y Transformación del Movimiento

Mecanismos de Transmisión de Movimiento

  • Transmisión Lineal: Palanca, polea móvil, polipasto, polea fija.
  • Transmisión Circular: Sistema de poleas con correa, engranajes, ruedas de fricción, tornillo sin fin, sistema de engranajes con cadena.

Mecanismos de Transformación de Movimiento

  • De movimiento circular en rectilíneo: Piñón-cremallera, manivela-torno, tornillo-tuerca.
  • De movimiento circular en rectilíneo alternativo: Biela-manivela, leva, cigüeñal, excéntrica.

Análisis de Mecanismos Específicos

Palanca

Una barra rígida que gira en torno a un punto de apoyo o articulación. En un punto de la barra se aplica una fuerza, con el fin de vencer una resistencia, que actúa en otro punto de la barra. Se encuentra en equilibrio cuando el producto de la fuerza por su distancia al punto de apoyo es igual al producto de la resistencia por su distancia al punto de apoyo (F * d = R * r). Primer, segundo y tercer grado.

Polea Fija

Una rueda ranurada que gira alrededor de un eje. Se halla sujeta a una superficie fija. Por la ranura de la polea se hace pasar una cuerda, que permite vencer una resistencia, aplicando una fuerza. Se encuentra en equilibrio cuando la fuerza aplicada es igual a la resistencia que presenta la carga (F = R).

Polea Móvil

Conjunto de dos poleas, una fija mientras que la otra se desplaza linealmente. Se encuentra en equilibrio cuando F = R / 2.

Polipasto

Montaje de poleas fijas y móviles. Se encuentra en equilibrio cuando F = R / 2n (n = número de poleas móviles).

Ruedas de Fricción

Sistema de dos o más ruedas que se encuentran en contacto. Una de las ruedas se denomina motriz (de entrada) que al moverse provoca el movimiento de la rueda de salida. El sentido en que gira la rueda arrastrada es contrario al de la rueda motriz. (N * D = n * d => D / d = n / N). N = velocidad de las ruedas (rpm), D = diámetro de las ruedas (milímetros).

Sistema de Poleas con Correa

Dos ruedas situadas a distancia, cuyos ejes suelen ser paralelos, que giran simultáneamente por efecto de una correa. Las dos giran en el mismo sentido. (La fórmula es la misma que la anterior).

Engranajes o Ruedas Dentadas

Juegos de ruedas que poseen salientes denominados dientes, que encajan entre sí, de modo que unas ruedas arrastran a las otras. (N * Z = n * z => Z / z = n / N). z = número de dientes que tiene la rueda.

Tren de Poleas con Correa

(N4 / N1 = D1 * D3 / D2 * D4)

Sistema Piñón-Cremallera

(L = P * Z * N). L = velocidad del avance de la cremallera, P = distancia entre dos dientes consecutivos (mm), Z = número de dientes del piñón, N = número de vueltas por minuto que realiza el piñón.

Sistema Tornillo-Tuerca

Un tornillo y una tuerca cuyo diámetro interior coincide con el diámetro del tornillo. Si el tornillo gira y se mantiene fija la orientación de la tuerca, esta avanza con movimiento rectilíneo por el eje roscado, y viceversa.

Conjunto Manivela-Torno

Una manivela es una barra que está unida a un eje al que hace girar. El mecanismo que se basa en este dispositivo es el torno, un tambor que gira alrededor de su eje a fin de arrastrar un objeto. F * d = R * r. F = fuerza aplicada (newtons), R = resistencia, d = brazo de la manivela, r = radio del torno.

Biela-Manivela

Está formado por una manivela y una barra denominada biela. Esta se encuentra articulada por un extremo con dicha manivela y por el otro con un elemento que describe un movimiento alternativo. Al girar la rueda, la manivela transmite el movimiento circular a la biela, que experimenta un movimiento de vaivén.

Cigüeñal

Si se coloca una serie de bielas en un mismo eje acodado, cada uno de los codos del eje hace las veces de manivela. Este transforma el movimiento de rotación de un eje en los movimientos alternativos desacompasados de las diferentes bielas, o igual puede convertir el movimiento de vaivén de las bielas en un movimiento de rotación del eje.

Leva

Una rueda con un saliente que empuja un seguidor a su paso. Se pueden añadir más salientes e introducir perfiles más o menos abruptos para conseguir movimientos más complejos. La leva transforma el movimiento de rotación de la rueda en un movimiento lineal alternativo del seguidor o varilla, que recorre el perfil de la leva cuando esta gira.

Excéntrica

Una rueda cuyo eje de giro no coincide con el centro de la circunferencia. Transforma el movimiento de rotación de la rueda en un movimiento lineal alternativo de la varilla.

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