Fundamentos de Tecnología Industrial: Máquinas Simples, Transmisión de Movimiento y Motores Térmicos

Máquinas Simples y Multiplicadores de Fuerza

Ley de la Palanca

Ley fundamental de la física que relaciona las fuerzas aplicadas en una palanca. La condición de equilibrio se expresa como:

F × B_F = R × B_R

Tipos de Palanca

• Palanca de primer grado: El fulcro se encuentra entre la Resistencia (R) y la Fuerza (F).
• Palanca de segundo grado: La Resistencia (R) se encuentra entre el fulcro y la Fuerza (F).
• Palanca de tercer grado: La Fuerza (F) se encuentra entre el fulcro y la Resistencia (R).

Sistemas de Elevación

• Polea: Rueda con una hendidura en la llanta que aloja una cuerda o cable, utilizada para elevar cargas con mayor comodidad.
• Polipasto: Grupo de poleas fijas y móviles que permiten elevar una gran carga con un esfuerzo reducido. La fórmula para la fuerza aplicada (F) es:

  F = R / 2n (donde n es el número de poleas móviles).

• Cilindro (Torno): Mecanismo que utiliza una manivela para hacer girar un cilindro, permitiendo levantar cargas con menor esfuerzo.

Planos Inclinados y Derivados

• Plano Inclinado: Rampa que permite elevar cargas aplicando menos esfuerzo que si se levantaran verticalmente. La relación de fuerzas es:

  R × a / b (donde a es la altura y b es la longitud de la rampa).

• Cuña: Plano inclinado doble donde la fuerza aplicada es perpendicular a la base, y esta fuerza se ve multiplicada en sus caras laterales.
• Tornillo: Esencialmente un plano inclinado enrollado en un cilindro. Multiplica la fuerza aplicada en cada filete de la rosca, facilitando la acción de cuña con menos esfuerzo.

Mecanismos de Transmisión y Transformación del Movimiento

Transmisión de Movimiento Circular

La transmisión de movimiento entre ejes se rige por la conservación del producto del número de dientes (Z) o diámetro (D) por la velocidad angular (ω).

• Transmisión por Engranajes: Mecanismo que transfiere el movimiento del motor a otros componentes (ej. las ruedas de un coche). La relación es:

  Z₁ × ω₁ = Z₂ × ω₂

• Transmisión por Cadena: Mecanismo compuesto por una cadena y ruedas dentadas (piñones). La relación es similar a la de engranajes:

  Z₁ × ω₁ = Z₂ × ω₂

• Transmisión por Correa: Mecanismo que transfiere el movimiento de una polea a otra mediante una correa. Se utiliza el diámetro (D):

  D₁ × ω₁ = D₂ × ω₂

• Tornillo sin Fin y Rueda: Sistema utilizado para transmitir movimientos entre ejes que son perpendiculares entre sí, ofreciendo grandes reducciones de velocidad.

Relación de Transmisión y Trenes de Mecanismos

Relación de Transmisión (i)

Es el cociente de velocidades de los elementos que se mueven, y se representa por i (o r):

i = ω_conducida / ω_motriz

Trenes de Mecanismos

Grupo de mecanismos simples acoplados en serie para lograr una relación de transmisión específica.

• Sistema de Transmisión Reductor: Se logra cuando la velocidad de salida es menor que la de entrada. A menudo implica el uso de ejes solidarios, donde la polea o engranaje que gira a la misma velocidad en el mismo eje une dos sistemas de engranajes.
• Tren de Poleas: Poleas unidas con correa que, al pasar de un diámetro menor a uno mayor, reducen la velocidad del motor.
• Tren de Engranajes: Engranajes unidos que, al pasar de un tamaño mayor a uno menor, aumentan la velocidad del mecanismo.

Mecanismos de Transformación

• Biela-Manivela: Mecanismo de barras articuladas donde el giro de la manivela provoca el desplazamiento alternativo de la biela.
• Cigüeñal: Sistema compuesto por múltiples manivelas acopladas a sus respectivas bielas, esencial en motores de combustión interna.
• Leva y Seguidor:
  • Leva: Dispositivo que gira, accionando un elemento no unido (el seguidor) y moviéndolo de forma alternativa.
  • Seguidor: Dispositivo que recibe el movimiento lineal del saliente de la leva cuando entra en contacto con él.

d: diámetro | ω: velocidad angular (rpm)

Máquinas Térmicas y Propulsión

Clasificación de Máquinas Térmicas

Las máquinas térmicas son dispositivos que transforman la energía térmica en energía mecánica.

• Combustión Externa: Máquina que quema el combustible fuera del motor (ej. Máquina de Vapor).
• Combustión Interna: Máquina que quema el combustible dentro del motor (ej. Motor de 4 Tiempos).

La Máquina de Vapor

Máquina desarrollada por Watt, fundamental en la Revolución Industrial. Fue crucial para el transporte, ya que ahorraba trabajo manual, impulsó la clase obrera y generó nuevas oportunidades laborales.

Motor de Cuatro Tiempos

Motor de combustión interna utilizado comúnmente en vehículos. Requiere oxígeno y combustible, y opera en cuatro fases:

1. Admisión: La primera válvula se abre, permitiendo la entrada de aire con combustible hacia el cilindro. El pistón desciende para crear vacío y facilitar la entrada de la mezcla.
2. Compresión: El pistón sube, comprimiendo la mezcla. Las válvulas permanecen cerradas. El movimiento ascendente es impulsado por el giro del cigüeñal.
3. Explosión (Expansión): Una chispa enciende la mezcla comprimida. Los gases resultantes se expanden violentamente, forzando al pistón a descender y generando trabajo.
4. Escape: La segunda válvula se abre, y el pistón sube para expulsar los gases de la explosión a través del tubo de escape hacia el exterior. El ciclo se repite sucesivamente.

Propulsión a Reacción

Tercera Ley de Newton (Principio de Acción y Reacción)

Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro cuerpo (acción), este último experimenta una fuerza de igual intensidad y sentido contrario (reacción).

Motores de Reacción

• Turborreactor:

  El aire entra por el compresor. El oxígeno comprimido reacciona con el combustible en la cámara de combustión. Los gases combustionados salen a gran velocidad por la parte posterior, impulsando el avión hacia adelante. Al salir, los gases hacen girar una turbina que, a su vez, acciona el compresor para mantener el flujo de aire.

• Turbofan:

  Motor más silencioso, común en aviones comerciales. Un gran ventilador frontal refrigera el turborreactor y genera un mayor flujo de aire. Los gases salen por la tobera final, y el empuje combinado del ventilador y los gases propulsa el avión.

• Turbopropulsor:

  Su turbina, ubicada en la parte posterior, mueve tanto el compresor como las hélices. Las hélices empujan el avión, asistidas por los gases que salen por la parte posterior, logrando una alta eficiencia a velocidades subsónicas.