Fundamentos de la Ingeniería Mecánica: Máquinas Simples, Mecanismos y Cinemática del Movimiento

Clasificación y Principios de las Máquinas

Máquinas Simples

Las Máquinas Simples solo poseen un punto de apoyo. Son dispositivos fundamentales que transforman la fuerza muscular en una tarea útil, proporcionando una ventaja en fuerza o en velocidad.

Ejemplos de Máquinas Simples:

• La palanca
• La polea
• El torno
• El plano inclinado
• La cuña

En estas máquinas, en ausencia de rozamientos, el trabajo motor es igual al trabajo resistente. Esto se expresa mediante la siguiente relación:

Ley del Trabajo: W_motor = W_resistente

Máquinas Compuestas

Las Máquinas Compuestas consisten en la asociación de dos o más máquinas simples. En ellas existe rozamiento en los elementos que las integran, lo que provoca una pérdida de energía mecánica.

Ejemplos de Máquinas Compuestas:

• Una motocicleta
• Una grúa
• El motor de explosión de un vehículo

La relación de trabajo en máquinas compuestas, considerando las pérdidas (W_pérdida), es:

Trabajo con Rozamiento: W_motor = W_resistente + W_pérdida

Mecanismos

Los Mecanismos son los dispositivos básicos de las máquinas que permiten transmitir o transformar las fuerzas y los movimientos desde un elemento de entrada o motor hasta un elemento de salida o actuador, donde se halla la carga que se desea mover.

Máquinas Simples Fundamentales y sus Leyes

La Palanca

Es una barra rígida que puede girar alrededor de un punto fijo llamado fulcro.

Ley de la Palanca: F · b_F = R · b_R

La Polea

Es una rueda que gira alrededor de un eje, movida por una cuerda en cuyos extremos se sitúan la carga a elevar (R) y la fuerza que hay que aplicar (F).

Ley de la Polea: F · b_F = R · b_R

El Plano Inclinado

Es una superficie plana dotada de una cierta inclinación respecto del plano horizontal. Se utiliza para subir cargas a una altura determinada mediante deslizamiento o rodadura, reduciendo así el esfuerzo que hay que realizar.

Ley del Plano Inclinado: F · d = R · h

Tipos de Movimientos en Sistemas Mecánicos

En una máquina, todos los movimientos se desarrollan en un espacio reducido. Algunos son giratorios, otros alternativos o de vaivén, y otros producen desplazamientos lineales.

Movimiento Lineal

Desplazamiento de un cuerpo en línea recta o en una dirección determinada. Ejemplos: Bicicleta, tren, coche, monopatín, ascensor, escalera mecánica, etc.

Movimiento Giratorio

Desplazamiento de un cuerpo siguiendo una trayectoria circular. Ejemplos: Las cuchillas de una batidora, máquina de taladrar, noria, aerogenerador, etc.

Movimiento Alternativo u Oscilante

Desplazamiento de vaivén a lo largo de una línea o bien describiendo un arco alrededor de una posición de equilibrio.

Magnitudes Cinemáticas

Magnitudes que Describen estos Movimientos

• Espacio recorrido, e, expresado en metros (m).
• Tiempo empleado en recorrerlo, t, expresado en segundos (s).
• Velocidad lineal, v, del móvil expresada en m/s.
• Ángulo girado, φ, expresado en radianes (rad).
• Velocidad angular, ω, expresada en rad/s.
• Velocidad de giro, n, expresada en vueltas por minuto (rpm).

Relaciones Cinemáticas Clave

Sistema Biela-Manivela

En el sistema biela-manivela, se definen las siguientes magnitudes:

• Longitud de la manivela, R, expresada en milímetros (mm).
• Carrera del émbolo, L, expresada en milímetros (mm).

Relación: L = 2R

Velocidad Lineal y Angular en una Rueda

La relación entre la velocidad lineal (v) y la velocidad angular (ω) en una rueda es:

v = ω · r

Siendo r el radio de la rueda. Por tanto, la velocidad lineal se puede expresar en función del diámetro de la rueda (D) y de la velocidad de giro (n).