El cigüeñal

El cigüeñal es un árbol de transmisión que junto con las bielas transforma el movimiento alternativo en circular, o viceversa. En realidad consiste en un conjunto de manivelas. Cada manivela consta de una parte llamada muñequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del cigüeñal. Cada muñequilla se une una biela, la cual a su vez está unida por el otro extremo a un pistón. Observa la imagen y lo entenderás inmediatamente…

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Los cigüeñales se utilizan extensamente en los motores de combustión de los automóviles, donde el movimiento lineal de los pistones dentro de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del cigüeñal que, a su vez, se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia. El cigüeñal es un elemento estructural del motor.

En la siguiente imagen puedes apreciar un cigüeñal real unido a sus respectivas bielas

Al observar esta imagen, nos viene a la cabeza la imagen del mecanismo de biela-manivela… y es que, al fin y al cabo, este conjunto de pistones, bielas y cigüeñal se puede considerar como una serie de mecanismos biela-manivela que funcionan de forma simultánea y sincronizada.

Y por último, os muestro un corto vídeo donde se aprecia el movimiento del conjunto pistón, biela y cigüeñal.

Mecanismo tornillo-tuerca

El mecanismo tornillo-tuerca, conocido también como husillo-tuerca es un mecanismo de transformación de circular a lineal compuesto por una tuerca alojada en un eje roscado (tornillo).

Si el tornillo gira y se mantiene fija lo orientación de la tuerca, el tornillo avanza con movimiento rectilíneo dentro de ella.

Por otra parte, si se hace girar la tuerca, manteniendo fija la orientación del tornillo, aquella avanzará por fuera de ésta. Este mecanismo es muy común en nuestro entorno, pues lo podemos encontrar en infinidad de máquinas y artilugios.

Evidentemente, este mecanismo es irreversible, es decir, no se puede convertir el movimiento lineal de ninguno de los elementos en circular.

El avance depende depende de dos factores:

  • La velocidad de giro del elemento motriz.

  • El paso de la rosca del tornillo, es decir, la distancia que existe entre dos crestas de la rosca del tornillo. Cuando mayor sea el paso, mayor será la velocidad de avance.

Veamos algunos instrumentos que incorporan este mecanismo:

El sargento: Esta herramienta de sujeción de piezas que se van a mecanizar, muy común en cualquier aula de tecnología, tiene este mecanismo como elemento esencial. En este caso, el elemento motriz es el tornillo que, al girarlo manualmente, avanza dentro de la tuerca que posee el brazo de la corredera.

La bigotera: Este instrumento, muy común en las clases de plástica, regula la abertura de sus brazos gracias al giro de un tornillo que mantiene su posición y que actúa como elemento motriz. Las tuercas se encuentran en los brazos del compás, las cuales avanzan dentro del tornillo.

El gato mecánico: En este caso, al girar la manivela, gira la tuerca, que actúa como elemento motriz y, a la vez, avanza por el tornillo linealmente de forma que se cierran las barras articuladas que levantan el automóvil.

El grifo de rosca: El elemento es el mando giratorio del grifo, acoplado a un tornillo (elemento motriz) que avanza linealmente y gira dentro de una tuerca. En el extremo del tornillo hay una zapata de caucho que termina cerrando el paso al agua.

El tornillo sinfín y la rueda dentada

El tornillo sinfin es un mecanismo de transmisión circular compuesto por dos elementos: el tornillo (sinfín), que actúa como elemento de entrada (o motriz) y la rueda dentada, que actúa como elemento de salida (o conducido) y que algunos autores llaman corona. La rosca del tornillo engrana con los dientes de la rueda de modo que los ejes de transmisión de ambos son perpendiculares entre sí.

El funcionamiento es muy simple: por cada vuelta del tornillo, el engranaje gira un solo diente o lo que es lo mismo, para que la rueda dé una vuelta completa, es necesario que el tornillo gire tantas veces como dientes tiene el engranaje. Se puede deducir de todo ello que el sistema posee una relación de transmisión muy baja, o lo que es lo mismo, es un excelente reductor de velocidad y, por lo tanto, posee elevada ganancia mecánica. Además de esto, posee otra gran ventaja, y es el reducido espacio que ocupa.

El tornillo es considerado una rueda dentada con un solo diente que ha sido tallado helicoidalmente (en forma de hélice). A partir de esta idea, se puede deducir la expresión que calcula la relación de transmisión:

donde Z representa el número de dientes del engranaje.

Veamos un ejemplo: supongamos que la rueda tiene 60 dientes. En este caso, el tornillo debe dar 60 vueltas para el engranaje complete una sola vuelta y, por lo tanto, la relación de transmisión del mecanismo es

Este mecanismo no es reversible, es decir, la rueda no puede mover el tornillo porque se bloquea.

Aplicaciones:

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El tornillo sinfín en las clavijas de una guitarra

En nuestra vida cotidiana lo podemos ver claramente en las clavijas de una guitarra. En este caso, la cuerda es recogida con presición por eje de transmisión de una pequeña rueda dentada que es conducida por un tornillo que gira gracias a la acción de la clavija.

No podemos olvidar el limpiaparabrisas, que se acciona gracias a este mecanismo.

En los siguiente vídeos veréis el mecanismo en acción. En ambos observa lo lento que gira la rueda dentada y fíjate cómo en el primer vídeo se intenta girar el tornillo accionando el engranaje. Es imposible.

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Mecanismo de piñón-cremallera

Este mecanismo convierte el movimiento circular de un piñón en uno lineal continuo por parte de la cremallera, que no es más que una barra rígida dentada . Este mecanismo es reversible, es decir, el movimiento rectilíneo de la cremallera se puede convertir en un movimiento circular por parte del piñón. En el primer caso, el piñón al girar y estar engranado a la cremallera, empuja a ésta, provocando su desplazamiento lineal.

Mecanismo de piñón cremallera

Mecanismo de piñón cremallera

Aunque el sistema es perfectamente reversible, su utilidad práctica suele centrarse solamente en la conversión de circular en lineal continuo, siendo muy apreciado para conseguir movimientos lineales de precisión (caso de microscopios u otros instrumentos ópticos como retroproyectores), desplazamiento del cabezal de los taladros sensitivos, movimiento de puertas automáticas de garaje, sacacorchos, regulación de altura de los trípodes, movimiento de estanterías móviles empleadas en archivos, farmacias o bibliotecas, cerraduras..

Cómo se puede observar en el anterior vídeo, podemos resumir que…

  • Tipo de mecanismo: Transformación circular a lineal
  • Elemento motriz: Piñón, que describe un movimiento circular.
  • Elemento conducido: Cremallera, que describe un movimiento lineal.
Dirección asistida

Dirección asistida – Haz clic en el dibujo para ver detalles

Detalle del piñón-cremallera de la dirección asistida

Detalle del piñón-cremallera de la dirección asistida

En el siguiente vídeo podrás observar una de sus más extendidas aplicaciones: La dirección asistida. El conjunto de mecanismos que componen el sistema de la dirección tienen la misión de orientar las ruedas delanteras para que el vehículo tome la trayectoria deseada por el conductor. Cuando giras el volante de un automóvil, giras al mismo tiempo un piñón situado en el otro extremo del eje del volante. Este, a su vez, engrana a una cremallera que, al desplazarse, permite el giro de las ruedas que te permiten cambiar la dirección del coche…pero mejor es que observes el vídeo y así comprobarás su funcionamiento.

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También podemos encontrar este mecanismo en las vías de los ferrocarriles en lugares en los que existe una gran pendiente en subida. En este caso, se corre el riesgo de que el ferrocarril patine y es por eso que entre las vías se sitúa una cremallera que engrana con una rueda dentada motriz adosada al tren. Evidentemente, al girar, facilita la subida de la fuerte pendiente sin riesgo de deslizamiento.

En este caso, las vías se encuentran en los alpes suizos, donde los ferrocarriles deben superar la cordillera de Los Alpes, con fuertes pendientes.

Otra aplicación muy común de este mecanismo la encontramos en las puertas correderas, especialmente de aquellas con acceso a una aparcamiento que se activan con un mando a distancia.

El mando a distancia activa un motor eléctrico cuyo eje lleva acoplado un piñón, mientras que la cremallera está adosada a la puerta. Es obvio que, al girar el piñón, obligamos a la puerta a desplazarse gracias a la cremallera.

Motor de una puerta corredera

En la imagen de la derecha apreciamos un motor para una puerta corredera de hasta 400 kg. Se puede apreciar como la cremallera (que estaría adosada a la puerta) se sitúa por encima del piñón. De este modo garantizamos el acoplamiento.

En el siguiente esquema apreciamos el conjunto del motor eléctrico (1), la cremallera (2) y el sistema electrónico que permite el control remoto: antena (3), tarjeta sintonizadora (4) y mando a distancia (5).

Puerta corredera
Puerta corredera

También se puede encontrar este mecanismo en los elevalunas manuales de un automóvil. Cuando queremos subir la ventanilla de nuestro coche, de forma manual, lo que hacemos en realidad es girar, además de la manivela, un piñón acoplado a una cremallera curva que tiene en un extremo una palanca articulada. Una vez más, un movimiento circular se trasnforma en otro lineal que esta vez pertenece a la luna.

Este mecanismo lo podemos encontrar también en objetos simples y cotidianos como el sacacorchos de la imagen. Este sacacorchos consta de dos palancas que llevan en su extremo un piñón que engrana con una cremallera. Al bajar las palancas, en realidad, obligamos a girar a los piñones los cuales, a su vez, desplazan la cremallera que arrastra el tapón de la botella.


Sistema simple de poleas con correa

El sistema de poleas con correa más simple consiste en dos poleas situadas a cierta distancia, que giran a la vez por efecto del rozamiento de  una correa con ambas poleas. Las correas suelen ser cintas de cuero flexibles y resistentes. Es este un sistema de transmisión circular puesto que ambas poleas poseen movimiento circular.

En base a esta definición distinguimos claramente los siguientes elementos:

Sistema de poleas con correa

Sistema de poleas con correa

1. La polea motriz: también llamada polea conductora: Es la polea ajustada al eje que tiene movimiento propio, causado por un motor, manivela,

… En definitiva, este eje conductor posee el movimiento que deseamos transmitir.

2. Polea conducida: Es la polea ajustada al eje que tenemos que mover. Así, por ejemplo: en una lavadora este eje será aquel ajustado al tambor que contiene la ropa.

3. La correa de transmisión: Es una cinta o tira cerrada de cuero, caucho u otro material flexible que permite la transmisión del movimiento entre ambas poleas. La correa debe mantenerse lo suficientemente tensa pues, de otro modo, no cumpliría su cometido satisfactoriamente.

Según el tamaño de las poleas tenemos dos tipos:
1. Sistema reductor de velocidad: En este caso, la velocidad de la polea conducida ( o de salida) es menor que la velocidad de la polea motriz (o de salida). Esto se debe a que la polea conducida es mayor que la polea motriz.

En el siguiente vídeo se puede apreciar un mecanismo reductor de poleas con correa. Observa como la polea motriz es menor que la polea conducida la cual gira a mayor velocidad.

Con la correa cruzada se puede lograr que el sentido de giro de la polea conducida sea contrario al de la polea motriz.

2. Sistema multiplicador de velocidad: En este caso, la velocidad de la polea conducida es mayor que la velocidad de la polea motriz. Esto se debe a que la polea conducida es menor que la polea motriz.

La velocidad de las ruedas se mide normalmente en revoluciones por minuto (rpm) o vueltas por minuto.

Los sistemas de poleas con correa presentan una serie de ventajas que hacen que hoy en día sean de uso habitual. Veamos algunas de ellas:

  • Posibilidad de transmitir un movimiento circular entre dos ejes situados a grandes distancias entre sí.
  • Funcionamiento suave y silencioso.
  • Diseño sencillo y costo de fabricación bajo.
  • Si el mecanismo se atasca la correa puede desprenderse y, de este modo, se para. Este efecto contribuye a la seguridad probada de muchas máquinas que emplean este mecanismo como pueden ser taladros industriales.

Sin embargo, también este sistema presenta algunos inconvenientes:

  • La primera de las ventajas puede ser una desventaja, es decir, este mecanismo ocupa demasiado espacio.
  • La correa puede patinar si la velocidad es muy alta con lo cual no se garantiza una transmisión efectiva.
  • La potencia que se puede transmitir es limitada.

Correa de distribuciónAplicaciones: Este mecanismo es esencial en los motores de los automóviles, pues la transmisión circular entre diferentes ejes de los mismos se hacen con correas. Hemos oído hablar multitud de veces de la correa de transmisión (o de distribución) del coche. Pues bien, es esencial para el funcionamiento del ventilador de refrigeración, el alternador,…

Definición: Definimos la relación de transmisión (i) como la relación que existe entre la velocidad de la polea salida (n2) y la velocidad de la polea de entrada (n1).

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La relación de transmisión, como su nombre indica, es una relación de dos cifras, no una división.
Ejemplo 1 : Supongamos un sistema reductor de modo que:
n1 = velocidad de la polea motriz (entrada) es de 400 rpm.
n2 = velocidad de la polea conducida (entrada) es de 100 rpm.
En este caso, la relación de transmisión es:

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(tras simplificar)

Una relación de transmisión 1:4 significa que la velocidad de la rueda de salida es cuatro veces menor que la de entrada.

Ejemplo 2 : Supongamos un sistema multiplicador de modo que:

n1 = velocidad de la polea motriz (entrada) es de 100 rpm.
n2 = velocidad de la polea conducida (salida) es de 500 rpm.

En este caso, la relación de transmisión es:

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(tras simplificar)

Una relación de transmisión 5:1 significa que la velocidad de la rueda de salida es cinco veces mayor que la de entrada. Nota que la relación es 5/1 y no 5, pues ambos número nunca debendividirse entre sí (todo lo más simplificarse).

La relación de transmisión también se puede calcular teniendo en cuenta el tamaño o diámetrode las poleas.

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donde

d1 = diámetro de la polea motriz (entrada).
d2 = diámetro de la polea conducida (salida).

Se puede calcular las velocidad de las poleas a partir de los tamaños de las mismas

n1·d1 = n2·d2

expresión que también se puede colocar como…

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Ejemplo:

Tengo un sistema de poleas de modo que:
La polea de salida tiene 40 cm de diámetro y la de entrada 2 cm de diámetro. Si la polea de entrada gira a 200 rpm
a) Halla la relación de transmisión
b) Halla la velocidad de la polea de salida
c) ¿Es un reductor o un multiplicador?

Datos:

n1 = velocidad de la polea entrada es de 200 rpm.
n2 = velocidad de la polea salida es la incógnita
d1 = diámetro de la polea entrada es 2 cm
d2 = diámetro de la polea salida es 40 cm

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b) n1·d1 = n2·d2 = 200 rpm·2 cm = n2·40 cm

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c) Es un reductor porque la velocidad de la polea de salida es menor que la velocidad de la polea de entrada (n2 < n1).

En la siguiente animación observarás un mecanismo de poleas con correa reductor, suponiendo que la polea de la izquierda sea la motriz. Al ser el diámetro de la polea conducida d2 = 40 mm y el de la polea motriz d1 = 20 mm, la relación de transmisión de este sistema es

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de este modo se puede concluir que dos giros de la polea motriz equivalen a un solo giro de la polea conducida.

En la siguiente animación podrás observar un mecanismo de poleas con correa multiplicador. El diámetro de la polea motriz es de  d1=40 mm , mientras que la polea conducida tiene un diámetro de d2= 20 mm. Así pues la relación de transmisión de este sistema es

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de este modo se puede concluir que un giro de la polea motriz equivale a dos giros de la polea conducida.

Fuente: Mecaneso

Sistemas de poleas

Una polea es una rueda que tiene un ranura o acanaladura en su periferia, que gira alrededor de un eje que pasa por su centro. Esta ranura sirve para que, a través de ella, pase una cuerda que permite vencer una carga o resistencia R, atada a uno de sus extremos, ejerciendo una potencia o fuerza F, en el otro extremo. De este modo podemos elevar pesos de forma cómoda e, incluso, con menor esfuerzo, hasta cierta altura. Es un sistema de transmisión lineal puesto que resistencia y potencia poseen tal movimiento.

Podemos distinguir tres tipos básicos de poleas:

a) 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

Polea móvil

b) 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

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.

c) 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

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.

Otro modelo de polipasto es aquel que emplea dos ramales distintos paralelos  y a distinta altura en los que se alojan las poleas. En el ramal superior se sitúan las poleas fijas y en el de abajo las poleas móviles, conjuntamente con la carga.

Por último, es importante señalar que en este tipo de sistema, al igual que la polea móvil, debemos hacer un mayor recorrido con la cuerda; mayor recorrido cuanto mayor es el número de poleas.

Fijas en la siguiente animación. En ella podréis observar como en una polea fija el esfuerzo es idéntico a la resistencia o carga que se desea vencer, mientras que en el caso de una polea móvil tenemos ventaja mecánica, pues el esfuerzo representa la mitad de la resistencia.

Veamos por último un corto vídeo que nos ilustra algunos de los aspectos ya explicados.

[youtube http://www.youtube.com/watch?v=H11bJh7GBlo]