La palanca

 

La palanca es un sistema de transmisión lineal que consiste en una barra rígida que gira en torno a un punto de apoyo o articulación. en un punto de la barra se aplica una fuerza F (también llamada potencia) con el fin de vencer una resistencia R.

Podemos encontrar palancas allá donde miremos y siempre han estado entre nosotros desde que el ser humano tiene conciencia. Así, un simple palillo de dientes se puede considerar una palanca, al igual que una cuchara. En principio, el objetivo de la palanca es el de reducir el esfuerzo que una persona o máquina debe hacer para cumplir con un objetivo, aunque no todas las palancas nos ayudan a reducir tal esfuerzo.

Basándonos en la definición de palanca, podemos distinguir los siguientes elementos en la misma:

  • Potencia (F): o fuerza que aplicamos en un punto de la palanca para obtener un resultado. La fuerza la podemos aplicar manualmente con nuestra propia fuerza, o través de un motor o cualquier otro mecanismo.
  • Resistencia (R): fuerza que tenemos que vencer; es la que hace la palanca como consecuencia de haber aplicado nosotros la potencia.
  • Brazo de potencia (BP), distancia entre el punto en el que aplicamos la potencia y el punto de apoyo.
  • Brazo de resistenciaBr: distancia entre la fuerza de resistencia y el punto de apoyo.

carretilla

En el siguiente ejemplo, podemos observar una carretilla que, en realidad es una palanca. Allá donde actúa la persona que lleva la carretilla se aplica la fuerza o potencia (F), la carga que lleve la carretilla será la resistencia (R). Teniendo en cuenta que el punto de apoyo (O) se sitúa en el centro de la rueda, podemos concluir que el brazo de la potencia (BP) es la distancia de F a O, esto es, 1.6 m mientras que el brazo de la resistencia (BR) es la distancia de R a O, esto es, 0.4 m

Según la posición que ocupe la fuerza, la resistencia y el punto de apoyo en la palanca, existen tres tipos de palanca.

  • Palanca de primer grado: Es aquella en la que el punto de apoyo se encuentra entre la potencia y la resistencia. Si el punto de apoyo se encuentra más cerca de la resistencia que del punto donde se aplica la fuerza, podemos vencer grandes resistencias aplicando pequeños esfuerzos. Es nuestra idea intuitiva de palanca, algo que nos ayuda a mover una carga pesada. Como ejemplos clásicos podemos citar la pata de cabra, el balancín, los alicates o la balanza romana.
Esquema de una palanca de primer grado

Esquema de la palanca de primer grado

Ejemplos de palancas de primer grado

Ejemplos de palancas de primer grado

  • Palanca de segundo grado: Se obtiene cuando colocamos la resistencia entre la potencia y el punto de apoyo. Según esto el brazo de resistencia siempre será menor que el de potencia, por lo que el esfuerzo (potencia) será menor que la carga (resistencia) a vencer. Como ejemplos se puede citar el cascanueces, la carretilla o la perforadora de hojas de papel.
Esquema de la palanca de segundo grado

Esquema de la palanca de segundo grado

El cascanueces es un ejemplo de palanca de segundo grado, al igual que la carretilla de primera imagen

El cascanueces es un ejemplo de palanca de segundo grado, al igual que la carretilla de primera imagen

  • Palanca de tercer grado: Se obtiene cuando ejercemos la potencia entre el punto de apoyo y la resistencia. Esto trae consigo que el brazo de resistencia siempre sea mayor que el de potencia, por lo que el esfuerzo siempre será mayor que la carga (caso contrario al caso de la palanca de segundo grado). Ejemplos típicos de este tipo de palanca son las pinzas de depilar y la caña de pescar. Este tipo de palanca es ideal para situaciones de precisión, donde la fuerza aplicada es mayor que la resistencia a vencer. .
Esquema de la palanca de tercer grado

Esquema de la palanca de tercer grado

Una pinzas para depilar son un buen ejemplo de palanca de tercer grado

Una pinzas para depilar son un buen ejemplo de palanca de tercer grado

La ley de la palanca dice: Una palanca está en equilibrio cuando el producto de la fuerza F, por su distancia BP, al punto de apoyo es igual al producto de la resistencia R por su distancia BR, al punto de apoyo.

F·BP = R·BR

Esta fórmula nos dice una gran verdad: cuanto mayor sea la distancia de la fuerza aplicada al punto de apoyo (brazo de potencia), menor será el esfuerzo a realizar para vencer una determinada resistencia”. (BPF)

Resolvamos un ejemplo de ejercicio de palanca con la carretilla anterior. Supongamos que queremos cargar 80 kg de arena con la carretilla. Teniendo en cuenta que el valor del brazo de potencia es de 1,6 metros y el del brazo de la resistencia es 0,4 metros, podemos considerar:

  • BP = 1,6 m
  • BR= 0,4 m
  • R= 80 kgf,   kgf significa kilogramo-fuerza. Un kilogramo-fuerza es la fuerza necesaria para sostener un objeto de masa un kilogramo.

Sustituyendo

F · BP = R · BR

F · 1,6 = 80 · 0,4

F · 1,6 = 32  —-> F = 20 kgf

Conclusión: Para cargar con la carretilla 80 kg de arena, la persona tan solo debe ejercer una fuerza de 20 kgf.

 

 

Cuadro de mecanismos

Para los alumnos de 2º ESO. En clase se ha propuesto como ejercicio completar un cuadro donde se representan los diferentes mecanismos que había que identificar y describir su funcionamiento. Aquí os dejo el cuadro resuelto.

¡Baja el archivo e imprímelo!

pdf-iconthumbnail3Cuadro resuelto de mecanismos

Mecanismos: Presentaciones en PowerPoint

Para los chicos de tecnología industrial , ya podéis bajar las presentaciones en PowerPoint que hemos visto en clase. Son unos archivos pesados, así que tenéis que tomaros un tiempo para bajaros. Recordad que deben serviros como esquema, pero los apuntes de este tema ya los tenéis en Internet.

1. Mecanismos

2. Embragues, frenos y elementos de fricción

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…

ciguenal3

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.

Máquinas y mecanismos: Apuntes de Tecnología Industrial

Para los alumnos de Bachillerato. Tenéis a vuestra disposición los apuntes con los contenidos sobre elementos de máquinas y sistemas. En concreto, nos centraremos en los mecanismos como elementos básicos de cualquier máquina. Espero que les saquéis partido.

¡Baja los archivos e imprímelos!

pdf-iconthumbnail301-Palancas y sistemas de poleas

pdf-iconthumbnail302-Ejes y árboles de transmisión. Ruedas de fricción

pdf-iconthumbnail303-Sistemas de poleas con correa

pdf-iconthumbnail304-Transmisión circular por engranajes

pdf-iconthumbnail305-Tipos de engranajes

pdf-iconthumbnail306-Mecanismos de transformación del movimiento

pdf-iconthumbnail307-Embragues, frenos y elementos de fricción

Proyecto:el ascensor-montacargas

Para los alumnos de 2º ESO. Aquí os dejo la presentación que vimos en clase sobre el proyecto de este trimestre. El ascensor-montacargas. Os invito a que investiguéis en Internet y a través de otros recursos métodos, formas y maneras para que empecéis a planificar la práctica. Empezad a poneros en contacto unos con otros para organizar cómo haréis la prácticas y con qué.

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:

cuerdas-guitarra

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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Apuntes de segundo ESO: Mecanismos de transformación

Tenéis a vuestra disposición los apuntes de mecanismos de transformación del movimiento que trabajaremos pronto. Podeís bajar los apuntes y tenerlos dispuestos para el día que tengamos clase.

¡Baja el archivo e imprímelo!

pdf-iconthumbnail3Mecanismos de transformación del movimiento

Mecanismos: Apuntes para clase

Para los alumnos de segundo ESO, tenéis a vuestra disposición los apuntes del próximo tema que trabajaremos en clase: los mecanismos. Este tema os introducirá en el mundo de la mecánica y os ayudará a entender cómo funcionan diversas máquinas que utilizamos cada día, desde un reloj hasta el motor de un automóvil.

¡Baja los archivos e imprímelos!

pdf-iconthumbnail3Mecanismos de transmisión del movimiento

pdf-iconthumbnail3Mecanismos de transformación del movimiento

También podéis acceder a diferentes contenidos sobre el tema visitando la siguiente página:

Máquinas y mecanismos


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.


Mecanismo de biela y manivela

Este mecanismo transforma el movimiento circular de la manivela en un movimiento alternativo del

Conjunto cigüeñal, biela y pistón

Conjunto cigüeñal, biela y pistón

pie de una biela, que es una barra rígida,  cuyo extremo está articulado y unido a la manivela.  Este sistema también funciona a la inversa, es decir, transforma el movimiento alternativo de la biela en un movimiento de rotación de la manivela. Este mecanismo es esencial, pues se utiliza en motores de combustión interna, máquinas de vapor, máquinas de coser, herramientas mecánicas, etc. En el caso de los motores de los coches, la manivela es sustituida por el cigüeñal, que arrastra los pistones del motor a través de las bielas.

En la siguiente imágen se puede observar el mecanismo en acción en el que se aprecia la biela (de color gris) unida a la manivela (circular) por un extremo. El otro extremo de la biela tiene el movimiento alternativo ya citado en el que podría fijarse, por ejemplo, un pistón. Véase también Motores de combustión.

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