Mecanismos y Sistemas Mecánicos: Transformación de Movimiento y Energía

Mecanismos y Sistemas Mecánicos

Un mecanismo es un conjunto de elementos normalmente rígidos conectados entre sí por medio de articulaciones móviles, cuya misión es transformar una velocidad en otra velocidad, una fuerza en otra fuerza, una trayectoria en otra diferente o un tipo de energía en otro tipo. Un mecanismo debe cumplir una serie de condiciones: debe estar formado por elementos rígidos o semirrígidos y puede ser simple si tiene dos elementos de enlace con eslabones, o complejo si posee más de dos uniones con otros eslabones. Uno de los eslabones se llama bastidor y debe existir movimiento entre los eslabones.

Sistemas Mecánicos o Máquinas

Un sistema mecánico o máquina es una combinación de mecanismos que se transforman a velocidades, trayectorias, fuerzas o energías mediante una serie de transformaciones intermedias. Como ejemplo, podemos poner un automóvil compuesto por una biela-manivela que transforma los movimientos rectilíneos alternativos, árbol de levas o seguidor-balancín que se encarga de abrir y cerrar las válvulas, embrague, sistemas de frenado, de refrigeración, de lubricación, etc. Una máquina consta de:

• Sistema motriz: transforma la energía.
• Sistema transmisor: modifica la energía o el movimiento.
• Sistema receptor: realiza el trabajo con la salida que le proporciona el sistema transmisor.
• Sistema de sustentación: fija los elementos que componen la máquina.
• Otros sistemas: como pueden ser sistemas de lubricación.

Tipos y Clasificación de los Mecanismos

Los mecanismos se pueden clasificar de diversas maneras. Según el número de entradas, pueden ser:

• De ligazón forzada: la posición conocida de un eslabón determina los demás.
• De ligazón libre: aunque se conozca la posición de un eslabón, los demás no la tienen determinada.
• Bloqueados: no existe la posibilidad de movimiento.

Según la forma, se pueden clasificar en:

• Cerrados
• Abiertos

Según el tipo de movimiento de entrada y salida, se encuentran:

• Movimientos rectilíneos: poleas, palancas, etc.
• Movimientos de rotación: ruedas y conos.
• Movimientos de rotación en movimientos rectilíneos: leva-seguidor, etc.
• Movimientos rectilíneos en movimientos de rotación: biela-manivela.

Mecanismos que Transforman Movimientos

Los mecanismos transforman los movimientos rectilíneos en movimientos rectilíneos diferentes o movimientos de rotación en otros movimientos de rotación. Sin embargo, en los mecanismos que vamos a describir ahora, el movimiento de entrada, que es una rotación, se modifica y pasa a ser un movimiento rectilíneo. Este mecanismo tiene una gran aplicación práctica, pues en la mayoría de ocasiones se dispone de un eje que gira con una determinada velocidad.

Leva Seguidora Lineal

Como hemos indicado anteriormente, las levas transforman movimientos de rotación continua en movimientos de rotación alternativos o en movimientos lineales alternativos. En este caso, el eslabón seguidor realiza movimientos rectilíneos alternativos, moviéndose hacia arriba cuando es empujado por la leva y hacia abajo cuando el perfil de la leva desciende. Se denomina elevación al máximo de desplazamiento que se produce en el eslabón.

Piñón-Cremallera

El mecanismo piñón-cremallera se compone de una rueda denominada piñón y de una barra dentada que se conoce como cremallera, la cual se mueve linealmente al realizar el piñón un movimiento de rotación. El tipo de diente utilizado es el mismo que en los engranajes, pudiendo ser recto o helicoidal. Cuando el piñón gira, la cremallera avanza el paso de dientes tantas veces como dientes avance el piñón.

Torno

El mecanismo del torno consiste en un cilindro alrededor del cual se puede enrollar una cuerda. La cuerda se encuentra fijada por un extremo al cilindro y, cuando este gira respecto a su eje de rotación o a una fuerza en una manivela, se produce el movimiento.

Mecanismo de Tornillo-Tuerca

El mecanismo de tornillo-tuerca sirve, además de para convertir un movimiento de rotación en uno lineal, como transformador de fuerzas o como elemento de fijación. El tornillo es un cilindro provisto en su exterior de rosca y la tuerca es un cilindro hueco con rosca en su interior. Tanto la rosca como el tornillo de la tuerca están formados por una pieza denominada filete. El filete puede ser de diferentes formas: rectangulares, triangulares y trapezoidales. Las roscas cuadradas se usan en mecanismos de movimiento, mientras que las roscas trapezoidales se utilizan para mecanismos de fijación. La distancia entre dos puntos iguales de dos filetes consecutivos se llama paso y se denomina avance a la distancia lineal que recorre un elemento roscado cuando se le hace girar una vuelta.

Movimientos que Transforman los Movimientos Rectilíneos en Movimientos de Rotación

Los mecanismos englobados dentro de este grupo transforman el movimiento rectilíneo de entrada en un movimiento de rotación. Dentro de estos mecanismos se incluyen los descritos en el apartado anterior, sin más que intercambiar los eslabones de entrada y de salida. Esta operación de intercambiar la entrada y la salida de un mecanismo se denomina inversión cinemática de función. También tenemos mecanismos que transforman movimientos de rotación en el piñón-cremallera, donde la cremallera es el eslabón impulsor.

Mecanismo de Biela-Manivela

Este mecanismo deriva del cuadrilátero articulado. Si a partir de este cuadrilátero se va aumentando la longitud del eslabón, el punto entre los eslabones realiza movimientos de rotación con un radio de giro cada vez mayor. Si el centro de rotación del eslabón está en el infinito, el mecanismo de biela-manivela se utiliza, por ejemplo, en motores de combustión interna para convertir los movimientos rectilíneos alternativos del pistón, que actúa como eslabón impulsor. Los puntos en los que el pistón invierte su sentido del movimiento se llaman puntos muertos, y en ellos la velocidad del pistón es nula. La biela y la manivela se encuentran alineadas por el punto muerto inferior y el punto muerto superior, que se denomina así porque habitualmente el pistón se mueve verticalmente y la manivela se encuentra por debajo del pistón.