acumuladores y disipadores

Acumuladores y disipadores

Los elementos acumuladores almacenan energía en los momentos en que se les aplica un esfuerzo, para liberar posteriormente esta energía y obtener un movimiento sin demasiadas variaciones. Por tanto, es conveniente recordar someramente los esfuerzos simples que existen:  ESFUERZOS En el análisis de estructuras esfuerzo es la relación entre la fuerza a que se somete un objeto y la sección que resiste esa fuerza. Aunque existen infinidad de formas de aplicar esa fuerza, todas se pueden descomponer en sólo cinco tipos, a saber: Tracción y compresión Flexión   Torsión   Cortadura o cizalla En cursos anteriores se trabajó con estructuras capaces de resistir esfuerzo, y ahora vamos a ver los elementos que acumulan energía cuando se someten a alguno de los tipos básicos, así como los elementos destinados a eliminar esa energía. MUELLES o RESORTES Existen diferentes elementos que aprovechan sus propiedades para deformarse elásticamente ante cada uno de los tipos de esfuerzos y recuperar después su forma. Resortes de tracción y compresión Son los conocidos muelles helicoidales, formados por aros encadenados de alambre. La deformación elástica se produce porque el alambre realmente se retuerce, acortando o estirando el muelle. Resortes de flexión Para este tipo de esfuerzos se utilizan mayoritariamente las ballestas, un conjunto de láminas de acero ordenadas de mayor a menor longitud que se suelen unir a una estructura fija por los dos extremos y mantenen en el centro el elemento sujeto. Resortes de torsión Cuando se necesita un elemento elástico a torsión, se dispone de tres posibilidades. La barra de torsión es una simple barra que se retuerce. Es un método muy utilizado en la suspensión de automóviles de poco peso, por su simplicidad y poco precio. El resorte espiral es un fleje o lámina de acero que almacena energía al girar un eje. En realidad se almacena energía elástica porque la lámina se flexiona. Este elemento se utiliza en los objetos que se les da cuerda girando una palomilla, como en los antigüos juguetes y relojes. Por último, el resorte de torsión propiamente dicho, que es similar a un muelle helicoidal que en vez de estirarse, se retuerce: Para esfuerzos de cortadura Los elementos sometidos a cortadura suelen ser un problema, debido a que éste no es un esfuerzo que se solucione con piezas tan sencillas como los casos anteriores. Para evitar la deformación por cortadura se utilizan encastres, que son refuerzos de un material resistente. Los únicos elementos elásticos que pueden absorber en parte esa deformación son las juntas de dilatación, que no son más que añadidos de goma o de silicona aplicados en forma de adhesivo. AMORTIGUADORES Se tratra de elementos disipadores de energía inseparables de los muelles y resortes, pues evitan el rebote que se produce al liberarse la energía elástica acumulada por aquéllos. Estan formados por una cámara llena de aceite por cuyo interior se desplaza un émbolo con agujeros a través de los que fluye el aceite con cierta dificultad. Los sistemas de suspensión de los automóviles están formados siempre por un elemento elástico y un amortiguador:  Amortiguador VOLANTE DE INERCIA  Es un disco o una rueda que aporta masa adicional a un sistema que está girando, de modo que se puede aumentar la energía cinética almacenada por el conjunto. Cada vez que el volante de inercia recibe energía por una aceleración brusca del movimiento rotatorio, esta energía se almacena en forma de energía cinética, aumentándose ligeramente la velocidad de rotación. Por otra parte, cuando cesa el par motor que lo impulsa, el volante continúa su movimiento de giro por inercia. Esto se traduce en una reducción de las fluctuaciones de velocidad angular, consiguiendo un giro bastante uniforme. Por este motivo, en todas las máquinas con elementos giratorios están provistas de volantes de inercia; por ejemplo, en los motores de automóviles, se acopla al cigüeñal, y en su periferia se tallan unos dientes en los que engranará el motor eléctrico de arranque: La energía de rotación de un sólido depende de varios factores: En primer lugar, evidentemente, de la velocidad con que esté girando. También depende de la masa que tenga. Además, depende de la distancia a la que esté la masa respecto al eje de giro. La expresión que rige la energía cinética de rotación es la siguiente: donde I recibe el nombre de momento de inercia, y su valor depende de la configuración del elemento rotatorio. Su unidad es kg·m² y pulsando aquíaparecerán algunos momentos de inercia básicos. El término ω es la velocidad de rotación, expresada en la unidad del Sistema Internacional, rad/s. FRENOS Un freno es un dispositivo utilizado para detener o disminuir el movimiento de algún cuerpo, generalmente un árbol. Transforman la energía cinética de un cuerpo en calor o trabajo y en este sentido pueden visualizarse como “extractores“ de energía. Existen frenos eléctricos que son en realidad generadores que transforman la energía cinética en corriente eléctrica que se hace pasar por una resistencia que disipa la energía eléctrica. Sin embargo, los más extendidos son los frenos de fricción, que actúan mediante piezas fijas de amianto que aplican una fuerza de rozamiento sobre el elemento giratorio, transformando en calor la energía cinética. Por su sencillez y fiabilidad son los más utilizados en los vehículos, y existen varios tipos: Frenos de cinta o de banda Utilizan una banda flexible sobre la que están montadas unas zapatas que se abrazan sobre un cilindro giratorio con el eje que se pretenda frenar (pulsa sobre la imagen para ver la animación). Freno de tambor Están formados por un tambor o campana que está unido a la rueda o árbol, y contra él se pueden comprimir unas zapatas dispuestas en su interior (pulsa sobre la imagen para ver la animación). Freno de disco En este caso, es un disco de acero unido a la rueda o al árbol, y unas zapatas se comprimen contra las caras del disco para realizar el frenado. Es el freno más efectivo de todos y, por su capacidad de eliminar el calor que se puede aumentar mediante taladros radiales, éste es el método más usado en la actualidad (pulsa sobre la imagen para ver la animación). Ahora bien, debido a que el vehículo carga más sobre el eje delantero durante el frenado, se hace necesario colocar en las ruedas traseras frenos que eviten que las ruedas se bloqueen por falta de peso. Si ésto ocurriera, y alguna rueda derrapa, se pierde el control del vehículo. Por ello, se instalan frenos de tambor que tienen menor rendimiento que los de disco, o sistemas ABS que liberan la presión hidráulica en la rueda que se detenga. En todos los casos, la fuerza aplicada a las zapatas de freno se transmite desde el pedal que maneja el conductor por medio de un fluido hidráulico, que es un aceite ligero que tiene la propiedad de no evaporarse ni formar burbujas (pulsa sobre la imagen para ver la animación): CÁLCULO DE LA DISTANCIA DE FRENADO DE UN VEHÍCULO Un sistema de frenos debe disipar toda la energía cinética del vehículo. Los frenos actúan por rozamiento, así que esa energía cinética será igual al trabajo que realice la fuerza de rozamiento. Ésta se puede calcular como producto de ésta por la distancia que está actuando: E = FR · d El rozamiento es un valor que viene dado por el producto del coeficiente de rozamiento multiplicado por la fuerza normal aplicada a la zapata (producida por la presión del sistema de frenos): FR = μ · N Así se puede calcular la distancia que está actuando la fuerza de rozamiento. Esta distancia es igual al número de vueltas que da la rueda por la distancia que se recorre en una vuelta: d = nºvueltas · 2 π r  (r = radio de la circunferencia en que actúa FR) Calculado el número de vueltas que da la rueda, si se conoce el desarrollo de la misma (distancia que recorre en una vuelta = 2 π R , siendo R el radio de la rueda), se puede calcular la distancia de frenado del vehículo.

materiales de los mecansmos

Cadenas cinemáticas

Los trenes de poleas y de engranajes que hemos visto son un caso particular de asociación de distintos mecanismos. El elemento de salida de uno es el de entrada del siguiente. La cadena cinemática más extendida e importante en la actualidad es, sin duda, el motor y el sistema de transmisión de un automóvil, donde se transforma la energía del combustible en el giro de las ruedas, y por tanto, en velocidad del vehículo. En esta página se hace un análisis del sistema completo:  MOTOR En la gran mayoría de los automóviles modernos, se trata de una máquina térmica de combustión interna, ésto significa que se aprovecha la energía de un combustible para transformarla en un giro. Aunque existen otros tipos, el modelo universal es el motor de cuatro tiempos, en el que un émbolo se desplaza arriba y abajo por el interior de un cilindro para mover una biela que al final hace girar el cigüeñal (pulsa sobre la imagen para ver la animación): Las válvulas de admisión (dan entrada a los gases frescos) y de escape (permiten salir a los gases quemados hacia el tubo de escape) se accionan mediante un árbol de levas. En motores más avanzados se disponen un árbol de levas para las válvulas de admisión y otro para las de escape. Como sólo se genera energía en uno de los cuatro movimientos, se disponen más cilindros para que haya alguno en el tiempo de explosión-expansión, y éste pueda impulsar al resto. Por eso los motores de cuatro cilindros son los más utilizados en automoción. También se pueden disponer más cilindros para obtener un funcionamiento más suave, o colocarlos en V para que ocupen menos: Motor de 4 cilindros en línea Motor de 6 cilindros en V Además de la propia potencia del motor (que se suele expresar en caballos de vapor), de un motor se expresa la velocidad de giro a la que se produce y el par, aunque éste se puede calcular mediante la expresión: P = C · ω con la potencia P en Vatios, el par C en Newton·metro y la velocidad de rotación ω en radianes partido por segundo. EMBRAGUE En los automóviles se trata casi siempre de embragues de fricción de disco, como los que se trataron en los acoplamientos. La potencia máxima que se puede transmitir sin que el embrague patine depende de la superficie de fricción, del coeficiente de rozamiento y de la fuerza con que se comprima el disco de embrague.  CAJA DE CAMBIOS El motor de un vehículo puede girar entre un margen de velocidades limitado (entre 1000 y 7000 rpm en motores de gasolina y de 1000 a 5000 rpm para motores Diesel), pero los vehículos necesitan una variación de velocidad en las ruedas mucho mayor. Por ello se disponen unos engranajes con distinta relación de transmisión de tal forma que la misma velocidad de giro del cigüeñal puede convertirse en distintas velocidades de giro en las ruedas. Para ello se disponen un árbol primario con ruedas dentadas unidas a él y que recibe el giro del embrague. Estos piñones primarios engranan constantemente con las ruedas dentadas del eje secundario, que pueden girar libremente sobre él. Mediante unas piezas desplazables por manguito estriado sobre el eje secundario se puede trabar el piñón deseado: Piezas básicas de la caja de cambios El desplazable traba la rueda conducida al árbol secundario En la siguiente animación puedes comprobar el funcionamiento de una caja de cuatro marchas hacia adelante y una marcha atrás (pulsa sobre la imagen para ver la animación).  En los gráficos de la animación anterior se puede comprobar tres detalles: Cuando no hay ninguna marcha engranada (posición neutra o de punto muerto), no se transmite giro hacia las ruedas. El desplazable tiene una pieza con forma cónica. Ésto sirve para intentar igualar las velocidades de giro del piñón y el propio desplazable antes de trabar las piezas. La marcha atrás se consigue introduciendo un piñón loco entre los piñones motriz y conducido. GRUPO CÓNICO Y DIFERENCIAL  Tras la caja de cambios se produce una nueva reducción mediante dos piñones cónicos que cambian la dirección de giro para transmitirla a las ruedas.  En el grupo cónico se inserta un mecanismo a base de otros cuatro piñones cónicos pequeños, dos de ellos unidos a los palieres y los otros dos (llamados satélites) solidarios a la corona. Se trata del diferencial. Con este ingenio, cuando una de las ruedas presenta más resistencia, los satélites ruedan sobre el piñón de esa rueda y aplican más giro a la rueda opuesta. De esta forma, el vehículo puede tomar curvas ajustando la distancia que recorre cada rueda(pulsa sobre la imagen para ver la animación). Con toda esta cadena cinemática, obtener el par y la velocidad de giro en las ruedas para cada velocidad de giro del motor no es complicado. A continuación se puede calcular de forma igualmente sencilla la velocidad del vehículo con el único dato del desarrollo de la rueda, es decir, lo que avanza ésta en una vuelta.

otras clases de mecanismos de transformacion

HUSILLO Y TUERCA Ya vimos el tornillo como máquina simple. En la técnica mecánica, el término husillo significa tornillo cilíndrico con capacidad de girar, y ésta es la utilización más corriente, acoplándole una tuerca a la que se impide girar pero se le permite desplazarse.

Cada vuelta del tornillo provoca que la tuerca avance un diente,es decir, la distancia del paso de la rosca. Por lo tanto, la relación entre la velocidad de giro y la de avance se obtiene con una sencilla regla de tres.

BIELA-MANIVELA Con este mecanismo se transforma un giro en un movimiento lineal de vaivén. Consta de una pieza giratoria en forma de U llamada cigüeñal, una segunda llamada pistón que se desplaza linealmente por un camino fijo, y uniendo ambas una tercera pieza llamada biela, que adapta el giro del cigüeñal con el movimiento rectilíneo del pistón.

Biela-Manivela

En este caso, la relación de velocidades de giro y de desplazamiento es complicada, debido a la geometría del mecanismo.

La altura del émbolo respecto al eje de giro del cigüeñal viene dado por: h = b · cos β + r · sen α las distancias b y r dependen de las biela y el cigüeñal, respectivamente, y la relación del ángulo β en relación al ángulo α se obtiene por geometría x = b · sen β x = r · sen α sen β = r/b · sen α

Es decir, la distancia h depende únicamente del ángulo α, razón por la que siempre se habla de ángulo de giro del cigüeñal en lugar de altura del émbolo. Desde estas expresiones se obtiene la relación de velocidades, pero se escapa de los objetivos de este curso.

El de émbolo-biela-manivela es otro mecanismo reversible, y el movimiento motriz puede ser tanto el giratorio (por ejemplo, en los compresores de aire) como el de vaivén (como en las locomotoras de vapor). Cuando la velocidad de giro debe ser muy rápida, el cigüeñal tiene unos contrapesos que equilibran las fuerzas centrífugas que aparecen.

LEVA Y SEGUIDOR

Una leva es un disco giratorio con un contorno definido sobre el cual se apoya un elemento llamado seguidor que se mueve siguiendo la forma de la leva. Los sistemas leva-seguidor se clasifican dependiendo del movimiento del seguidor, y tenemos seguidores de traslación y de oscilación.

Existen otros tipos de levas, círculos excéntricos respecto al eje de giro, levas con forma de campana, etc. y en todas, el diseño y análisis de su forma se realiza mediante gráficos para determinar en cada ángulo el alzado de la leva

Mecanismos de transformación del movimiento

Los mecanismos que hemos considerado hasta ahora no modifican el tipo de

movimiento; es decir, “transforman” movimientos rectilíneos en movimientos

rectilíneos, o movimientos de rotación en otros movimientos de rotación.

Sin embargo, en los mecanismos que vamos a describir en este apartado el

movimiento de entrada es diferente al movimiento de salida.

 Mecanismos que transforman movimientos de rotación en movimientos rectilíneos.

Piñón-cremallera

Este sistema transforma el movimiento circular en rectilíneo

por medio de dos elementos dentados: Un piñón que gira

sobre su propio eje y una barra dentada denominada

cremallera. Los dientes pueden s

er rectos o helicoidales.

Tiene diferentes aplicaciones:

• Taladradora de columna: El conjunto piñón-cremallera lo

componen la manivela de mando, que lleva en un extremo

un piñón, y el eje portabrocas, que lleva tallada la

cremallera. Al girar la manivela, el eje portabrocas avanza

en sentido rectilíneo.

 Caja de dirección de un

automóvil: El piñón está

solidario a la barra de

dirección y al volante, y los

extremos de la cremallera se

encargan de orientar las

ruedas.

La cremallera puede

considerarse como una rueda dentada de radio

infinito, cuyo módulo debe coincidir con el del

piñón.

Tornillo y tuerca

Este sistema sirve como elemento de unión entre dos o más piezas. Pero, además

posee unas características que le permiten que se pueda utilizar para transmitir el

movimiento. Se compone de una

varilla roscada y una pieza con un

agujero roscado. Al girar la varilla,

permaneciendo fija la tuerca, hace

que esta última se desplace ensentido longitudinal del eje, con lo que se consigue transformar un movimiento 

circular uniforme en otro lineal

mecanismos de transmision

2.MECANISMOS DE TRANSMISIÓN

Un mecanismo es un dispositivo que transforma el movimiento producido por un elemento motriz en un movimiento deseado en la salida. La trasformación de la fuerza y el movimiento producido, generalmente por un motor, se suele realizar mediante cadenas cinemáticas, que son sistemas de elementos mecánicos convenientemenete conectados entre sí para transmitir potencia mecánica del elemento motriz a la carga propiamente dicha.

Estos elementos mecánicos, a su vez, suelen ir montados sobre los llamados ejes de transmisión, que son piezas cilindricas sobre las cuales se colocan los mecanismos de transimisión correspondientes y que serán los encargados de transmitir el movimiento de una parte a otra del sistema.

Entre los mecanismos de transimisión más importantes empleados en la transmisión de potencia mecánica a través de cadenas cinemáticas, podemos destacar: sistemas de poleas y correas, sistemas de ruedas de fricción, sistemas de engranajes, sitemas de ruedas dentadas y cadenas, sistemas de tornillo sinfín y rueda helicoidal, sistemas de rueda dentada y cremallera, etc.



mecanismos de transmision

En que se aplican

Mecanismos de transformación del movimiento

En estos mecanismos, el tipo de movimiento que tiene el elemento de entrada del mecanismo es diferente del tipo de movimiento que tenga el elemento de salida, es decir, el tipo de movimiento se transforma en otro distinto, de ahí el nombre de mecanismo de transformación.

Los mecanismos de transformación puede ser, a su vez, agrupados en dos grandes grupos:

1. Mecanismos de transformación circular-lineal: En este caso, el elemento de entrada tiene movimiento circular, mientras que el elemento de salida tiene movimiento lineal. Ejemplo: El mecanismo piñón-cremallera.
2. Mecanismos de transformación circular-alternativo: En este caso, el elemento de entrada tiene movimiento circular, mientras que el elemento de salida tiene movimiento alternativo. Ejemplo: El mecanismo de biela-manivela.

Veamos algunos de ellos, de uno en uno,…

La leva

En mecánica, una leva es un elemento mecánico hecho de algún material(madera,metal, plástico, etc.) que va sujeto a un eje y tiene un contorno con forma especial. De este modo, el giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva toque, mueva, empuje o conecte una pieza conocida como seguidor.

Permite obtener un movimiento alternativo, a partir de uno circular; pero no nos permite obtener el circular a partir de uno alternativo (o de uno oscilante). Es un mecanismo no reversible, es decir, el movimiento alternativo del seguidor no puede ser transformado en un movimiento circular para la leva. Si haces clic sobre el dibujo de la derecha, verás a la leva en acción.

En resumen:

• Tipo de mecanismo: Transformación circular a alternativo.
• Elemento motriz: Leva, que describe un movimiento circular.
• Elemento conducido: Seguidor, que describe un movimiento alternativo.

Este mecanismo se emplea en: motores de automóviles (para la apertura y cierre de las válvulas), programadores de lavadoras (para la apertura y cierre de los circuitos que gobiernan su funcionamiento), carretes de pesca (mecanismo de avance-retroceso del carrete), cortapelos, depiladoras,

Un automóvil posee múltiples cilindros (normalmente cuatro) con sus respectivas válvulas. Éstas deben abrirse y cerrarse siguiendo una secuencia periódica muy precisa y perfectamente sincronizada con el resto de los elementos del motor.

Conjunto de leva, taqué, balancín y válvula

Es por esto que todas las levas van montadas sobre un mismo elemento llamado árbol de levas. Por otra parte, cada una de las levas obliga a su correspondiente seguidor, llamado taqué, a un movimiento alternativo que se transmite hasta válvula a través de una palanca llamada balancín. Fíjate en la animación y comprenderás inmediatamente de qué hablo.

También se puede apreciar en la siguiente animación la válvula de un cilindro de un motor de combustión accionada por una leva.

   

clases de mecanismos de transmision

Polea fija: Como su nombre indica, consiste en una sola polea que está fija a algún lugar. Con ella no se gana en Fuerza, pero se emplea para cambiar el sentido de la fuerza haciendo más cómodo el levantamiento de cargas al tirar hacia abajo en vez de para arriba, entre otros motivos porque nos podemos ayudar de nuestro propio peso para efectuar el esfuerzo. La fuerza que tenemos que hacer es igual al peso que tenemos que levantar (no hay ventaja mecánica) F=R. Así, por ejemplo, si deseo elevar una carga de 40 kg de peso, debo ejercer una fuerza en el otro extremo de la cuerda de, igualmente, 40 kg

 Polea móvil: Es un conjunto de dos poleas, una de las cuales es fija, mientras que la otra es móvil. La polea móvil dispone de un sistema armadura-gancho que le permite arrastrar la carga consigo al tirar de la cuerda. La principal ventaja de este sistema de poleas es que el esfuerzo que se emplea para elevar la carga representa la mitad del que haría si emplease una polea fija. Así, por ejemplo, si quisiera elevar una carga de 40 kg de peso, basta con ejercer una fuerza de tan sólo 20 kg.

Polea móvil con una sóla polea

Esto supone que la cuerda que emplee para este mecanismo pueden ser la mitad de resistentes que en el caso anterior. Sin embargo, presenta una desventaja: El recorrido que debe hacer la cuerda para elevar la carga una altura determinada (h) debe ser el doble de la altura buscada (2h).

Aunque consta de dos poleas, en realidad se puede construir este mecanismo con una sola polea (observa la imagen de la derecha). Para ello se debe fijar un extremo de la cuerda, la carga a la polea y tirar de la cuerda de forma ascendente. Precisamente, este es la desventaja, mientras que en el caso de emplear dos poleas, este problema desaparece. Sistemas de poleas compuestas: Existen sistemas con múltiples de poleas que pretenden obtener una gran ventaja mecánica, es decir, elevar grandes pesos con un bajo esfuerzo. Estos sistemas de poleas son diversos, aunque tienen algo en común, en cualquier caso se agrupan en grupos de poleas fijas y móviles: destacan los polipastos:

Polipasto: Este mecanismo está formado por grupos de poleas fijas y móviles, cada uno de ellos formado a su vez por un conjunto de

Polipasto

poleas de diámetro decreciente y ejes paralelos entre sí que se montan sobre la misma armadura, de modo que existe el mismo número de poleas fijas que móviles.

El extremo de la cuerda se sujeta al gancho de la armadura fija y se pasa alternativamente por las ranuras de las poleas —de menor a mayor diámetro en el caso del polispasto— comenzando por la del grupo móvil y terminando en la polea fija mayor o extrema donde quedará libre el tramo de cuerda del que se tira. La expresión que nos indica el esfuerzo que se debe realizar para vencer una carga (o resistencia) es las siguiente:

siendo n el número de poleas fijas del polipasto. Así, por ejemplo, si disponemos de un polipasto de tres poleas móviles, el esfuerzo que debo realizar para elevar una carga es seis veces menor (2n = 2·3 =6). Suponiendo que la carga sea, por poner un ejemplo, de 60 kg… el esfuerzo que deberíamos efectuar en este caso es de 10 kg.