1. CAP 1: Consideraciones Generales
1.1 Mecanismo 1.2 Maquina
1.2.1 Reseña histórica de las maquinas.
1.2.2 Máquinas: Definición y Referencias
1.2.3 Tendencia actual en la construcción de maquinas
1.2.4 Maquinas Térmicas
1.2.5 Maquinas de vapor
1.3 Cadenas cinemáticas
1.3.1 LAS GRÁFICAS CINEMÁTICAS
1.3.2 Clasificación de las cadenas.
1.3.3 Movimiento
CAP 1: Consideraciones Generales
1.1 Mecanismo
El concepto de mecanismo tiene su origen en el término latino mechanisma y se refiere al conjunto de las partes de una máquina en su disposición adecuada. También, agrega el diccionario de la Real Academia Española, la noción hace referencia a la estructura de un cuerpo natural o artificial y a la combinación de sus partes constitutivas.
Por otra parte, los mecanismos son los medios prácticos que se emplean en las artes y la sucesión de fases dentro de un proceso.En las maquinarias, se llama mecanismo al conjunto de elementos rígidos, móviles unos respecto de otros, unidos entre sí mediante diferentes tipos de uniones que se conocen como pares cinemáticos (pernos, uniones de contacto, etc.). El propósito de estos mecanismos es la transmisión de movimientos y fuerzas.
Para poner en marcha este tipo de mecanismos, se crean esqueletos vectoriales en base a los principios del álgebra lineal y física, y se forman sistemas de ecuaciones. Cabe destacar que un mecanismo no se considera como una masa puntual: dado que los elementos que lo conforman presentan combinaciones de movimientos relativos de rotación y traslación, deben tenerse en cuenta conceptos como el centro de gravedad, el momento de inercia y la velocidad angular.
Los mecanismos más sencillos pueden ser reducidos a un plano y analizados desde un enfoque bidimensional. En los casos más complejos, se requiere de un análisis espacial. Los pasos del análisis de un mecanismo deben comenzar con su posición, seguir con su velocidad, pasar a la aceleración, continuar con la dinámica y finalizar con los esfuerzos del mecanismo.
1.2 Maquina
1.2.1 Reseña histórica de las maquinas.
El Hombre desde sus inicios (entendiendo como Hombre a un ser con capacidad racional), ha tratado de dominar las fuerzas de la naturaleza. Para ello, ha debido aprender a construir y utilizar artefactos ajenos a el. Por citar algunos ejemplos: en la lucha entre pueblos prehistóricos, ya las armas rústicas eran comunes, según afirman investigaciones recientes; compuestas fundamentalmente por piedras y huesos. Luego los primeros esfuerzos de construcción de diques de tierra y zanjas de irrigación, usados para la agricultura, exigieron la utilización de herramientas, tales como los arados, y azadones. Hasta que la construcción de caminos no llegó a ser un arte de gran desarrollo, durante la era del imperio Romano no se reconoció verdaderamente el valor de la buena utilización de nuevas maquinas y técnicas. Los caminos de Roma, que todavía se usan fueron construidos con atención esmerada a las condiciones de subsuelo y con una base de grava y arcilla bien apisonada. Así, quien halla de trabajar diariamente con máquinas herramienta, habrá de plantearse cuestiones continuamente y de resolver problemas relativos a la herramienta, a la máquina o al trabajo. Las máquinas herramienta modernas, exigen para su racional utilización en la explotación un manejo seguro y profundos conocimientos técnicos. Una preparación por buena que sea no es suficiente. Expondremos en el siguiente informe, los principales conceptos para poder comprender las maquinas básicas y las leyes físicas que las rigen; partiendo desde definiciones, tipos y composiciones de ellas, pasando por subgéneros, estudiando otros dispositivos, y revisando aplicaciones fundamentales del tema.
1.2.2 Máquinas: Definición y Referencias
Una máquina es cualquier artefacto capaz de aprovechar, dirigir o regular una forma de energía para aumentar la velocidad de producción de trabajo o para transformarla en otra forma energética. Las máquinas son dispositivos usados para cambiar la magnitud y dirección de aplicación de una fuerza. La utilidad de una máquina simple (palanca, cable, plano inclinado, rueda) es que permite desplegar una fuerza mayor que la que una persona podría aplicar solamente con sus músculos, o aplicarla de forma más eficaz. La relación entre la fuerza aplicada y la resistencia ofrecida por la carga contra la que actúa la fuerza se denomina ventaja teórica de la máquina.
Debido a que todas las máquinas deben superar algún tipo de rozamiento cuando realizan su trabajo, la ventaja real de la máquina siempre es menor que la ventaja teórica. Combinando máquinas simples se construyen máquinas complejas. Con estas máquinas complejas, a su vez, se construye todo tipo de máquinas utilizadas en la ingeniería, arquitectura y construcción, y todo ámbito de nuestras vidas. Las máqui¬nas también han posibilitado al hombre, el control de las fuerzas del viento, de los combustibles y del agua. Sin máquinas, el hombre viviría aún en estado primitivo y no habría podido alcanzar ninguna for¬ma de progreso. Hay que tener en cuenta que una máquina nunca puede desarrollar más trabajo que la energía que recibe y que, a igualdad de potencia, a velocidades mayores corresponden fuerzas menores, y viceversa. Una máquina simple no tiene fuen¬te productora de energía en si, por lo tanto no puede trabajar a menos que se le provea de ella.
1.2.3 Tendencia actual en la construcción de maquinas
Pues bien, la intención del momento es clara (y para mucha gente también peligrosa): crear maquinas que ya no nos importunen con ningún tipo de atención; maquinas que sepan, ellas mismas, en todo momento, qué hacer y cómo hacerlo. Esto no significa (como muchos piensan), que la ciencia quiera crear una maquina que se equipare al ser humano; lo que en realidad se quiere concebir es una maquina que realice algunas de las acciones que cualquier ser humano puede llevar sencillamente a cabo. Queremos llegar a casa y que un robot nos haya cocinado lo que nosotros le pedimos por teléfono, queremos viajar sin tener que preocuparnos por el tráfico, queremos que nuestro hogar se mantenga siempre perfectamente ambientado.
No se trata de de construir un nuevo tipo de especie (que, como en varias películas termine, termine por rebelarse a la humanidad y transformándola en su esclava), se trata, tan solo, de construir mejores maquinas. No hay nada que temer, siempre será el ser humano el que controle a la maquina; ¿por qué?, muy sencillo; porque el ser humano nunca será capaz de enseñarle a una maquina lo que, en el fondo, nos hace los dueños y señores de la existencia: la capacidad de crear y hacerse conciente de dicha creación.
Pareciera que desde antaño la humanidad está tratando de desligarse todo lo posible de la necesidad de trabajar para subsistir. Acaso quiera poder dedicarse, pura y exclusivamente, a la expansión de su conciencia mediante el desarrollo de trabajos creativos. Dejemos que las maquinas produzcan y sirvan a fuerza de repetir; nosotros solo trabajaremos en aquello que nuestro intelecto demande. Las maquinas de hoy nos sirven verdaderamente bien, las de mañana, no cabe ninguna duda, podrán servirnos aún mejor.
1.2.4 Maquinas Térmicas
Una maquina térmica es aquella que utiliza el resultante de un determinado proceso de alteración de la temperatura (como ser, por ejemplo, la combustión) para aumentar la cantidad energética de un fluido. Será, luego, precisamente, el aumento en la energía de dicho fluido, lo que dé, a modo de resultado, una determinada cantidad de energía mecánica.Brindamos esta definición dado que, al momento de hablar de maquinas térmicas, ocurre que la mayoría de la gente ignora lo que realmente es. La gente suele pensar que se trata de un motor cuya característica más esencial es la de generar fuerza mecánica; al momento de pensar en maquinas térmicas se imaginan, por ejemplo, en el funcionamiento de la locomotora de un antiquísimo tren ingles, o una turbina de aire caliente.
1.2.5 Maquinas de vapor
locomotoras a vapor, 1915
La maquina de vapor ha sido, sin ningún lugar a dudas, una de las invenciones más importantes que la ciencia ha dado a la humanidad. Su aplicación a nivel del proceso productivo y los medios de transporte (como, por ejemplo, los trenes) constituyó el puntapié inicial para la llamada revolución industrial. No existe punto del globo, por más alejado y remoto que sea, que no se haya visto afectado, desde hace mucho tiempo, por estas importantísimas maquinas.
La cuestión fue que se pudo, alrededor del año 1750 (es una aproximación convencional), llegar a transformar la combustión en energía mecánica y cinética. Así nació en una gran medida la industria moderna, y así nació, también, la capacidad de transportarse rápidamente por el mundo. Hasta antes de la invención de la maquina de vapor, la única fuerza que asistía a la humanidad en el proceso productivo era, primero, la de sus propios músculos y, segundo, la de la musculatura de algunos otros animales (como ser caballos o bueyes). Así, el proceso de producción de cualquier cosa venía a ser, en gran medida, una cuestión de artesanos. La más de las veces, una única persona (un artesano) era capaz de realizar, ella sola, la totalidad del proceso de fabricación. La abrupta aparición de las aplicaciones industriales de la maquinas de vapor vinieron a significar la finalización de aquella forma de producir bienes materiales. El hombre dejó de ser artesano para transformarse, las más de las veces, en el simple operario de una maquina de vapor. Ya no era el hombre quien se vinculaba con la producción de tal o cual mercancía, era la maquina, una maquina operada por seres humanos.
1.3 Cadenas cinemáticas
1.3.1 LAS GRÁFICAS CINEMÁTICASLa representación gráfica de un movimiento y de sus características permite extraer una información valiosa sobre dicho movimiento.
La trayectoria es una primera descripción gráfica del movimiento; en ella no se recoge (explícitamente) la variable tiempo, sino que se representa únicamente las posiciones del punto móvil, o lo que es lo mismo, la relación entre sus coordenadas a lo largo del movimiento. Es, por tanto, una gráfica espacial.
Las gráficas en las que se refleja la variación de diferentes magnitudes con respecto al tiempo son gráficas temporales y por sí mismas proporcionan una buena descripción de las características del movimiento considerado. En todas ellas el tiempo t se representa en el eje horizontal o de abscisas y la magnitud cinemática elegida -como el espacio s, la velocidad v o la aceleración a- se representa en el eje vertical o de ordenadas. La variación con respecto al tiempo de cada una de estas magnitudes da lugar a la correspondiente gráfica o diagrama cinemático.
Diagrama esquemático de Acceso de una aeronave
Diagrama Esquemático de un Motor de Combustión interna con mecanismo de corredera-biela-manivela.
La clasificación de las cadenas es basada en dos aspectos fundamentales:
1. De acuerdo al tipo de cadena que se emplee:
• De rodillos
• De casquillos
• Dentadas
• Abiertas o Vaucanson
2. De acuerdo al trabajo que realizan:
• Cadenas de tracción que sirven para mover cargas en las máquinas transportadoras.
• Cadenas impulsoras que sirven para transmitir la energía mecánica de un árbol a otro.
Las cadenas de tracción trabajan con velocidades medias(hasta 2-4 m/s). Se componen de bridas de forma sencilla y ejes con casquillos o sin éstos, también se emplean cadenas abiertas. En estas cadenas son típicos los pasos grandes, pues casi siempre tienen una gran longitud e interaccionan con ruedas de cadena de grandes proporciones.
Las cadenas impulsoras trabajan con altas velocidades, se ejecutan con pasos menores para reducir las cargas dinámicas, y con pasadores resistentes al desgaste para asegurar la duración necesaria.
1.3.2.1 Características generales de las cadenas impulsoras.
La cadena constituye el elemento principal de la transmisión y define la seguridad y duración del trabajo de la misma, se construyen de eslabones unidos articuladamente. Las características geométricas principales son el paso y el ancho, y por éstas magnitudes se realiza la selección de la cadena. Como característica mecánica de la resistencia de la cadena se emplea la carga límite de rotura, la cual se determina prácticamente en la fábrica constructora de cadenas.
Cadenas de rodillos. Las cadenas de rodillos están formadas por una serie de piezas de revolución que actúan como cojinetes, estando situado cada conjunto a una distancia precisa del otro mediante piezas planas llamadas placas o bridas. El conjunto cojinete está formado por un pasador y un casquillo sobre el que gira el rodillo de la cadena. El pasador y el casquillo se recomienda que se cementen para permitir el trabajo de la articulación bajo presiones elevadas, y para soportar la carga y la acción de engrane impartida a través de los rodillos de cadena. Los rodillos sustituyen el rozamiento de rodadura y permiten reducir el desgaste de los dientes de la rueda y los pasadores de los eslabones. Los pasadores (ejes) de las cadenas se someten al remachado, por lo que sus eslabones no son desmontables. Los extremos de las cadenas se unen por eslabones de unión. En ocasiones es necesario emplear cadenas con un número impar de eslabones, en este caso se utilizan eslabones especiales de transición, que son menos resistentes que los principales, por lo que se recomienda el uso de cadenas con número par de eslabones. En caso de grandes cargas y velocidades, para evitar pasos grandes, desfavorables en cuanto a las cargas dinámicas, se emplean cadenas de múltiple hileras de rodillos. Estas cadenas se componen de los mismos elementos que las ordinarias, sólo que sus ejes tienen la longitud aumentada.
Las potencias a transmitir y la carga de rotura de las cadenas múltiples son casi proporcionales al número de ramales.
Cadenas de rodillos con bridas curvas o de eslabones acodados. Se arman de eslabones iguales, semejantes al eslabón de transición. Debido a que las bridas trabajan a flexión, por tanto poseen una alta flexibilidad, se emplean para cargas dinámicas y baja velocidad, es decir para choques, y trabajo con inversiones frecuentes. Este tipo de transmisión suele emplearse en accionamientos que trabajan a la intemperie, con carga de trabajo elevada como tambores rotatorios, equipos de excavadoras, etc.
Cadenas de rodillos de paso largo. Utilizan pasadores, casquillos y rodillos de cadenas de paso corto, pero tienen bridas de paso doble. Estas cadenas se reservan para aplicaciones menos exigentes que las demandas en las cadenas equivalentes de paso corto, son particularmente útiles en aplicaciones de baja velocidad en transmisiones con grandes distancias entre centros de ruedas, donde debe minimizarse el costo y el peso de la máquina. Se aplican en equipos agrícolas y maquinaria de embalaje.
Cadenas de casquillos. Estructuralmente coinciden con las cadenas de rodillos, pero no tienen este último elemento, lo que abarata la cadena y reduce su masa. Estas cadenas se hacen de pasos pequeños y se emplean mucho en accionamientos de equipos de transporte como automóviles, motos, etc.
1.3.3 Movimiento
El fenómeno físico más obvio y fundamental es el movimiento. La mecánica es la ciencia del movimiento. En un principio, la física pretendía dar imágenes mecánicas de todos los fenómenos físicos y, en tiempos de Galileo, ya se reconocía el papel hegemónico de la mecánica, estando condensada esta idea en la proposición ignorato motu, ignoratur natura. Hoy en día se ha renunciado a ese propósito pero, no obstante, los principios de la mecánica encuentran aplicación en todos los campos de la física.
La mecánica es la rama de la física que estudia los movimientos y las fuerzas que los producen. Atendiendo a la naturaleza de su contenido, la mecánica puede dividirse en dos partes:
La Cinemática describe el movimiento sin analizar sus causas.
La Dinámica estudia las causas del movimiento y de sus cambios.
1.3.3.1 Tipos De Movimiento
Rotación pura: El cuerpo posee un punto (centro de rotación) que no tiene movimiento con respecto al marco de referencia estacionario. Todos los demás puntos del cuerpo describen arcos respecto a ese centro. Una línea de referencia marcada en el cuerpo a través de su centro cambia únicamente en orientación angular.
Traslación pura: Todos los puntos en el cuerpo describen trayectorias paralelas (curvas o rectas). Una línea de referencia trazada en el cuerpo cambia su posición lineal pero no su orientación o posición angular.
Movimiento complejo: Es una combinación simultánea de rotación y traslación.
