El ser humano necesita realizar tareas que sobrepasan su capacidad física o intelectual: mover rocas enormes, elevar coches para repararlos, transportar objetos o personas a grandes distancias, cortar árboles, resolver gran número de operaciones matemáticas en poco tiempo, etc.

Para solucionar este problema se inventaron las MÁQUINAS. La función de las máquinas es reducir el esfuerzo necesario para realizar un trabajo.

NOTA: Prácticamente cualquier objeto puede llegar a convertirse en una máquina, si se le da la utilidad adecuada.

Por ejemplo, una cuesta natural no es, en principio, una máquina, pero se convierte en ella cuando el ser humano la usa para elevar objetos con un menor esfuerzo (ya que es más fácil subir objetos por una cuesta que elevarlos a pulso). Lo mismo sucede con un simple palo tirado en el suelo: si se usa para mover algún objeto a modo de palanca, ya se ha convertido en una máquina.

 En función del número de mecanismos que conformen la máquina se distinguen dos tipos de máquinas: simples y compuestas.

Otras clasificaciones de las máquinas pueden ser:

1. Según la transformación que se produzca: energía o información

2. Según el lugar de aplicación: hogar, agricultura, industria, transporte, etc.

3. Según tengan movimiento o no: estáticas (panel solar) o dinámicas (aerogenerador).

Simplificando, se puede decir que una máquina está formada por 5 elementos principales:

1. Elemento motriz: dispositivo que introduce la fuerza o el movimiento en la máquina (un motor, esfuerzo muscular, etc.).

2. Mecanismo: dispositivo que traslada el movimiento del elemento motriz al elemento receptor.

3. Elemento receptor: recibe el movimiento o la fuerza para realizar la función de la máquina (un ejemplo de elementos receptores son las ruedas).

4. Estructura: es el esqueleto de la máquina donde se soportan y apoyan todos los elementos de la máquina, además de proporcionar protección al conjunto de la máquina. En un vehículo sería el chasis y la carrocería.

5. Elementos de control: Son los encargados de regular el funcionamiento de la máquina, mediante circuitos eléctricos o electrónicos, que permiten poner en marcha o parar la máquina, regular la velocidad, activar medidas de seguridad y protección para el operario, etc.

Toda máquina contiene uno o varios mecanismos que le sirven para controlar o transformar el movimiento producido por el elemento motriz.

Todo mecanismo de cualquier máquina estará compuesto internamente por uno o varios dispositivos denominadas “operadores” (palancas, engranajes, ruedas, tornillos, etc.). Por ejemplo, el mecanismo de una bicicleta está formado por varios operadores, como son la cadena y los engranajes que conecta (platos y piñones).

Ejemplos de mecanismos

En apartados anteriores se ha estudiado que las máquinas emplean mecanismos, cuya misión es recibir el movimiento del elemento motriz, para adaptarlo y transmitirlo al elemento receptor. En las máquinas se pueden diferenciar los siguientes tipos de movimientos:

Dependiendo del tipo de movimiento que produce el elemento motriz, y del tipo de movimiento que necesita recibir el elemento receptor, los mecanismos deberán realizar una u otra función.

Ejemplos:

• Si el elemento motriz produce un movimiento circular, y el elemento receptor necesita recibir un movimiento circular, el mecanismo sólo tendrá que transmitir el movimiento del elemento motriz al elemento receptor. Esto ocurre, por ejemplo, en la bicicleta.

• Si el elemento motriz produce un movimiento lineal, y el elemento receptor necesita recibir un movimiento circular, el mecanismo deberá transformar el movimiento de lineal a circular, y transmitir después dicho movimiento al receptor. Esto ocurre, por ejemplo, en la locomotora.

Dependiendo del tipo de movimiento de entrada y salida de una máquina, y por tanto, de la función que el mecanismo realiza en la máquina, se pueden distinguir dos tipos de mecanismos:

1. Mecanismos de transmisión del movimiento.

2. Mecanismos de transformación del movimiento.

Los mecanismos de transmisión del movimiento únicamente transmiten el movimiento a otro punto, sin transformarlo. Por tanto, si el movimiento es lineal a la entrada, seguirá siendo lineal a la salida; si el movimiento es circular a la entrada, seguirá siendo circular a la salida.

Las máquinas simples son artilugios muy sencillos ideados en la antigüedad por el ser humano para ahorrar esfuerzos a la hora de realizar ciertas tareas. Estos dispositivos se denominan máquinas simples porque sólo se componen de un elemento: el mecanismo de transmisión lineal.

"Dadme una barra y un punto de apoyo, y moveré el mundo" (Arquímedes, S III A.C.)

Las palancas son máquinas simples. Están compuestas por una barra rígida y un punto de apoyo o fulcro. Se utilizan normalmente para aplicar una fuerza elevada a partir de una fuerza más pequeña, son una especie de multiplicador de la fuerza. Utilizando una palanca imaginaria lo suficientemente larga, con la fuerza ejercida por el peso de una hormiga se podría levantar un elefante. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la multiplicación de la fuerza realizada por una palanca no sale gratis, a cambio de ejercer más fuerza, la hormiga tendría que efectuar un gran desplazamiento, mucho mayor de lo que se levantaría el elefante.

Tanto la fuerza aplicada como la resistencia se deben indicar en newton (N). La longitud del brazo de la fuerza y de la resistencia se indican en metros (m).

Ejemplo

Calcula el valor de la fuerza (F) que será necesario aplicar para vencer la resistencia (R) en la palanca de debajo.

Tipos de Palancas

Existen 3 tipos de palancas según la posición relativa de la fuerza, la resistencia y el punto de apoyo. Son las siguientes:

Relación de transmisión

La utilidad más importante de los mecanismos de transmisión es, además de transmitir el movimiento circular desde el motor al receptor, aumentar o reducir la velocidad de giro entre el eje motriz y el eje conducido.

Se define la relación de transmisión (i) como el cociente entre la velocidad de giro del eje conducido (N2) y la velocidad de giro del eje motriz (N1). Se puede ver también como el cociente entre la velocidad de salida (vs) y la velocidad de entrada (ve) al mecanismo.

Para ello se utilizan materiales de alto coeficiente de rozamiento, con lo que se evita que deslicen o resbalen uno con respecto al otro. Este tipo de transmisión cada vez se utiliza menos, pero tiene la ventaja de que es muy fácil de fabricar, no necesita apenas mantenimiento y no produce ruidos. Tiene el inconveniente de que no puede transmitir grandes esfuerzos, que la capacidad está limitada a la fricción de las piezas y que son muy ruidosas a altas velocidades.

La relación de transmisión (RT) es igual a:

i = Diámetro de la rueda conductora / Diámetro de la rueda conducida.

Además tiene que cumplirse que:

Es necesario que las poleas estén firmemente unidas a los ejes, al eje del motor o al eje de la máquina que hacen girar. Para asegurar esta unión normalmente se hace una hendidura en el eje y en la polea y se introduce a presión una pieza de metal llamada chaveta.

La polea que transmite el movimiento se denomina polea motora o motriz y la polea que recibe el movimiento, polea conducida o de salida. Existen tres tipos de transmisión en función del diámetro de ambas poleas, fijate en los dibujos de debajo. Se ha representado la polea motora en naranja y la polea de salida en amarillo.

Se puede calcular matemáticamente la velocidad de rotación de la polea de salida utilizando la siguiente ecuación. Como unidad de medida se utilizan las "revoluciones por minuto", rpm de forma abreviada.

Los engranajes o ruedas dentadas son elementos mecánicos diseñados para transmitir movimientos giratorios. Los puedes ver en muchas máquinas, su forma es la de una rueda con dientes tallados en su contorno. Estos dientes engranan (encajan) en los de otra rueda similar, de tal forma que cuando una de ellas gira obliga a girar a la otra.

En los mecanismos de engranajes siempre hay uno que empuja, el llamado engranaje motor o motriz, y otro que recibe el movimiento, el engranaje conducido o de salida. La barra donde van montados los engranajes es el eje.

Utilizando engranajes podemos modificar fácilmente la velocidad de rotación de una máquina, para ello debemos utilizar dos engranajes con diferente número de dientes, como los de arriba. Si el engranaje de salida es más grande que el engranaje motor, girará más lentamente; si es más pequeño, girará más rápidamente.

Los engranajes se utilizan en las máquinas para transmitir movimiento giratorio. A continuación estudiaremos algunos de los aspectos que hay que tener en cuenta al diseñar un mecanismo con engranajes

1. Dos engranajes invierten el sentido de giro.

Al transmitir el movimiento, una pareja de engranajes invierte el sentido de giro.

2. Engranaje Loco

Si se desea conseguir el mismo sentido de giro en el motor y en la salida, se puede intercalar un engranaje intermedio, llamado engranaje loco, que tiene como fin invertir el sentido de rotación.

A un mecanismo formado por más de dos engranajes, como el de arriba, se le llama tren de engranajes.

Si una pareja de engranajes tiene tamaños diferentes (distinto número de dientes), el movimiento de rotación además de transmitirse, se transforma. La velocidad y la fuerza que podrá transmitir cada engranaje será distinta. Existen dos posibilidades: que sea un mecanismo reductor o multiplicador de la velocidad.

2. Mecanismo multiplicador de la velocidad

En este tipo de mecanismo el engranaje motor es más grande que el engranaje de salida. El engranaje de salida girará más rápidamente, pero podrá realizar menos fuerza. Es un mecanismo interesante cuando queremos hacer funcionar una máquina muy rápidamente. Debajo puedes ver un ejemplo: un mecanismo para accionar manualmente un generador eléctrico, como los que puedes ver en los laboratorios de ciencias o en algunas linternas que funcionan sin pilas.

Existen otros mecanismos que pueden ser utilizados con similares resultados a los engranajes, como las poleas. Los engranajes tienen la ventaja de que transmiten el movimiento de forma exacta, ya que no pueden resbalar, como sucede a veces con las poleas, lo que puede ser muy útil en algunas máquinas. Sin embargo, en caso de arranques bruscos de motores los dientes de los engranajes se pueden romper, por lo que utilizar poleas puede ser una buena solución en máquinas sencillas.

La relación de transmisión (i) es un número que nos indica cómo transmite la velocidad de rotación un mecanismo. Si la relación de transmisión es 2, el mecanismo duplica la velocidad. Si es 1, mantiene la velocidad inicial. Si es 0,5, la divide a la mitad. Si vale 0,25, la reduce a la cuarta parte. Y así sucesivamente.

La relación de transmisión (i) se puede calcular de dos maneras: mediante el estudio de los tamaños de los engranajes (de su número de dientes) o a través del estudio de sus velocidades de giro. En ambos casos el resultado debe ser el mismo.

Anteriormenre hemos visto cómo se transmite el movimiento de rotación entre engranajes. La transmisión por cadena funciona de forma similar, con la ventaja de que los engranajes pueden estar distanciados entre sí, lo que es de gran utilidad en muchas máquinas. El esquema más sencillo de transmisión mediante cadena está formado por una rueda dentada motriz (la que empuja) y una rueda dentada conducida o de salida (la que recibe el movimiento), fíjate en el dibujo de la derecha. La fuerza de arrastre se transmite entre ambas ruedas gracias a una cadena, que está compuesta de multitud de pequeñas piezas articuladas llamadas eslabones (foto de la izquierda). Los dientes de las ruedas dentadas utilizadas en este tipo de transmisión tienen una forma diseñada para engranar (encajar) perfectamente con los eslabones de la cadena.

Un ejemplo de transmisión por cadena es la de la bicicleta, que normalmente tiene un cambio de marchas que permite ajustar la velocidad según la inclinación del terreno. En la transmisión de la bicicleta actúan dos tipos de ruedas dentadas: los platos y los piñones. Los platos están situados en el eje de los pedales y giran cuando pedaleamos. Los piñones están situados en el eje de la rueda trasera y son más pequeños que los platos. La combinación de los diferentes platos y piñones nos ofrece una gran variedad de marchas adecuadas para subir, llanear o descender. Cuanto menor sea la velocidad de la bicicleta, menor será la fuerza que tengamos que aplicar en los pedales, serán marchas adecuadas para las subidas. En llano o en bajada, preferiremos marchas que impulsen la bicicleta rápidamente

Para calcular la velocidad de la bicicleta necesitaremos saber el perímetro de su rueda trasera, la longitud total de su contorno. En la simulación se utiliza una rueda de 26 pulgadas, que tiene un radio de 33 cm. El perímetro será, por tanto: