Maquinas Simples

Marco teórico sobre máquinas simples y complejas

Introducción

Las máquinas han sido herramientas fundamentales para el desarrollo de la humanidad desde la antigüedad. Permiten amplificar la fuerza, cambiar la dirección del movimiento o realizar tareas complejas con mayor facilidad. Se clasifican en dos categorías principales: máquinas simples y máquinas complejas.

Máquinas simples

Las máquinas simples son dispositivos que realizan una única transformación de energía mecánica, como amplificar una fuerza, cambiar la dirección del movimiento o modificar la velocidad.

Algunos ejemplos de máquinas simples son:

• Polea
  Una rueda con un surco por el que pasa una cuerda o cable. La polea permite cambiar la dirección de la fuerza aplicada y, en algunos casos, amplificar la fuerza.

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  Las poleas se utilizan para levantar objetos pesados, cambiar la dirección de una fuerza o aumentar la ventaja mecánica de un sistema. Se encuentran en una amplia variedad de aplicaciones, desde grúas y sistemas de poleas hasta elevadores y aparejos para barcos.

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  Tipos de poleas

  Existen dos tipos principales de poleas:

  • Poleas fijas:Estas poleas tienen un eje que está fijo en su lugar. Se utilizan para cambiar la dirección de una fuerza o para levantar un objeto pesado con una fuerza menor.
  • Poleas móviles:Estas poleas tienen un eje que no está fijo en su lugar. Se utilizan para aumentar la ventaja mecánica de un sistema.
    
    
    

•  Rueda
  Una rueda que gira sobre un eje. La rueda permite transportar objetos pesados ​​con mayor facilidad y reducir la fricción
  
  

• Para qué sirve una rueda?

• Las ruedas tienen como función principal facilitar el movimiento de objetos pesados. Lo hacen al reducir la fricción entre el objeto y la superficie sobre la que se desplaza.
  ¿Cómo funciona una rueda?
  Imagina una rueda con un objeto pesado colocado sobre ella. Al girar la rueda, el peso del objeto se distribuye uniformemente sobre toda la superficie de la rueda, lo que reduce la cantidad de fuerza necesaria para moverlo.
  ¿Qué tipos de ruedas existen?
  Existen diversos tipos de ruedas, cada una con sus propias características y aplicaciones:
  

  Según su material: madera, metal, plástico, caucho, etc

  Según su tamaño: desde pequeñas ruedas en patines hasta grandes ruedas en excavadoras.  

  Según su diseño: Ruedas macizas, Ruedas con neumático, Ruedas dentadas

  
  

   

• Plano inclinado

  Una superficie plana que forma un ángulo con la horizontal.El plano inclinado permite elevar objetos pesados ​​a una altura mayor con menos esfuerzo
                                                                                 Función:
  La función principal de un plano inclinado es facilitar el levantamiento de objetos pesados al reducir la fuerza requerida para elevarlos verticalmente. Esto se logra al distribuir el peso del objeto sobre una superficie más grande y al aprovechar la fuerza de la gravedad.

  Fórmula:

  La ventaja mecánica (VM) de un plano inclinado se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

  VM = longitud del plano inclinado / altura vertical
  

  Cuanto mayor sea la longitud del plano inclinado en relación con la altura vertical, mayor será la ventaja mecánica y menor la fuerza requerida para elevar el objeto.

  Tipos de planos inclinados:

  Existen dos tipos principales de planos inclinados:

  1. Plano inclinado sin fricción:

  En este caso ideal, no hay fricción entre el objeto y el plano inclinado. La fuerza requerida para elevar el objeto es igual a su peso multiplicado por el seno del ángulo del plano inclinado.

  2. Plano inclinado con fricción:

  En la realidad, siempre hay cierta fricción entre el objeto y el plano inclinado. La fuerza requerida para elevar el objeto en este caso es mayor que en el caso sin fricción y se puede calcular utilizando la siguiente fórmula

  Los planos inclinados se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como:

  • Rampas para sillas de ruedas y carritos de bebé: Facilitan el acceso a edificios y otros lugares para personas con movilidad reducida.
  • Caminos y carreteras: Permiten que los vehículos suban y bajen pendientes.
  • Toboganes: Proporcionan una forma divertida de deslizarse hacia abajo.
  • Máquinas herramienta: Se utilizan para inclinar las piezas de trabajo en diferentes ángulos para su mecanizado.
  • Elevadores de granos: Se utilizan para elevar los granos a silos de almacenamiento.

  Ejemplos de planos inclinados:

  • La Gran Pirámide de Giza: Se cree que los antiguos egipcios utilizaron planos inclinados para construir las pirámides.
  • La Muralla China: Se utilizaron planos inclinados para transportar materiales de construcción a la cima de la muralla.
  • El Canal de Panamá: Se utilizan esclusas, que son esencialmente planos inclinados con agua, para elevar y bajar los barcos a diferentes niveles del canal.
    
    
    
    

• Engranaje o piñón
  Una rueda dentada que engrana con otra. Los engranajes permiten transmitir el movimiento giratorio de un eje a otro, con diferentes velocidades y torques.                                                                   Engranaje:

• • Un engranaje es una rueda dentada que se acopla con otra rueda dentada para transmitir potencia de rotación.
  • Los engranajes se utilizan en pares o en grupos para crear sistemas de transmisión que pueden cambiar la velocidad, el par y la dirección del giro.
  • Los engranajes se encuentran en una amplia variedad de máquinas, desde relojes y automóviles hasta molinos de viento y excavadoras.

  Tipos de engranajes:

  Existen muchos tipos diferentes de engranajes, pero algunos de los más comunes son:

  • Engranajes cilíndricos:Estos son los engranajes más comunes y se utilizan para transmitir potencia entre ejes paralelos.
  • Engranajes cónicos:Estos engranajes se utilizan para transmitir potencia entre ejes que se cruzan.
  • Engranajes helicoidales:Estos engranajes se utilizan para transmitir potencia entre ejes paralelos de manera más suave y silenciosa que los engranajes cilíndricos.
  • Engranajes de corona:Estos engranajes se utilizan para transmitir potencia entre ejes perpendiculares.
  • Engranajes de tornillo sinfín:Estos engranajes se utilizan para transmitir potencia entre ejes perpendiculares de manera lenta y constante.
    
    

  Piñón:

  • Un piñón es una rueda dentada pequeña que engrana con una rueda dentada más grande, llamada corona.
  • Los piñones se utilizan a menudo en pares para transmitir potencia entre dos ejes.
  • Los piñones se encuentran en una amplia variedad de máquinas, desde bicicletas y motocicletas hasta impresoras y robots.

  Diferencia entre engranaje y piñón:

  La principal diferencia entre un engranaje y un piñón es que un engranaje puede ser de cualquier tamaño, mientras que un piñón siempre es la rueda dentada más pequeña de un par. En otras palabras, todos los piñones son engranajes, pero no todos los engranajes son piñones.
  
  

  
  

• Cremallera

  Una barra dentada que engrana con un piñón. La cremallera permite convertir un movimiento giratorio en uno lineal, o viceversa.
   
  Una cremallera dentada, también conocida como cremallera de engranaje, es una barra larga y recta con dientes triangulares o trapezoidales a lo largo de toda su longitud. Estos dientes están diseñados para engranarse con los dientes de un piñón, una rueda dentada con forma similar. Al girar el piñón, la cremallera se mueve linealmente en una dirección o en la otra, dependiendo del sentido de giro.

• ¿Para qué sirve una cremallera dentada?

  Las cremalleras dentadas se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones para convertir el movimiento rotatorio en movimiento lineal o viceversa. Algunas de las aplicaciones más comunes incluyen:

  • Elevadores:Las cremalleras dentadas se utilizan en los elevadores para mover la cabina del ascensor hacia arriba y hacia abajo.
  • Máquinas herramienta:Las cremalleras dentadas se utilizan en las máquinas herramienta para mover las mesas de trabajo y los cabezales de corte con precisión.
  • Ferrocarriles:Las cremalleras dentadas se utilizan en algunos ferrocarriles para subir pendientes pronunciadas.
  • Puertas correderas:Las cremalleras dentadas se utilizan en algunas puertas correderas para proporcionar un movimiento suave y silencioso.
  • Juguetes:Las cremalleras dentadas se utilizan en algunos juguetes para crear movimientos mecánicos complejos.

  Tipos de cremalleras dentadas

  Existen diferentes tipos de cremalleras dentadas, que se clasifican según la forma y el tamaño de sus dientes, el material de fabricación y la aplicación prevista. Algunos de los tipos más comunes incluyen:

  • Cremalleras dentadas rectas: Este es el tipo más común de cremallera dentada. Los dientes tienen una forma rectangular y son de tamaño uniforme a lo largo de toda la longitud de la cremallera.
  • Cremalleras dentadas helicoidales: Los dientes de este tipo de cremallera tienen una forma helicoidal, lo que permite un movimiento más suave y silencioso.
  • Cremalleras dentadas de módulo: Los dientes de este tipo de cremallera tienen un tamaño estandarizado, lo que facilita su interconexión con piñones de diferentes tamaños.
  • Cremalleras dentadas de plástico: Las cremalleras dentadas de plástico son ligeras y económicas, pero no son tan resistentes como las cremalleras dentadas de metal.
  • Cremalleras dentadas de acero: Las cremalleras dentadas de acero son fuertes y duraderas, y son ideales para aplicaciones de alta carga.

  Selección de una cremallera dentada

  La elección de la cremallera dentada adecuada para una aplicación específica depende de varios factores, como la carga que debe soportar, la velocidad del movimiento, la precisión requerida y el entorno en el que se utilizará. Es importante consultar con un ingeniero o especialista en mecánica para seleccionar la cremallera dentada adecuada para su aplicación.
  
  

  
  

  • Leva
    

  Una barra rígida que gira sobre un punto de apoyo llamado fulcro. La leva permite amplificar la fuerza aplicada y cambiar la dirección del movimiento.
                                                                                               ¿Para qué sirve una leva?

  Las levas sirven para transformar un tipo de movimiento en otro. Las más comunes transforman un movimiento rotatorio en uno lineal, pero también existen levas que transforman un movimiento lineal en rotatorio, o incluso un movimiento rotatorio en otro rotatorio de diferente forma.

  ¿Qué tipos de levas existen?

  Existen diferentes tipos de levas, que se clasifican en función de su forma, movimiento y aplicación. Algunos de los tipos de levas más comunes son:

  • Levas radiales:Estas levas tienen un perfil curvo que se encuentra en un plano perpendicular al eje de rotación. El movimiento del seguidor es lineal a lo largo de un radio de la leva.
  • Levas cilíndricas:Estas levas tienen un perfil curvo que se encuentra en un cilindro. El movimiento del seguidor es lineal a lo largo de la superficie del cilindro.
  • Levas de tambor:Estas levas tienen un perfil curvo que se encuentra en la superficie de un tambor. El movimiento del seguidor es lineal a lo largo de la circunferencia del tambor.
  • Levas planas:Estas levas tienen un perfil curvo que se encuentra en un plano. El movimiento del seguidor es lineal a lo largo de una trayectoria plana.
  • Levas irregulares:Estas levas tienen un perfil de forma irregular. El movimiento del seguidor es complejo y depende de la forma específica de la leva.

  Ejemplos de aplicaciones de las levas:

  • Motores de combustión interna:Las levas se utilizan en los motores de combustión interna para abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape.
  • Máquinas herramienta:Las levas se utilizan en las máquinas herramienta para controlar el movimiento de las herramientas de corte.
  • Electrodomésticos:Las levas se utilizan en electrodomésticos como lavadoras y lavavajillas para controlar el movimiento de diferentes componentes.
  • Juguetes:Las levas se utilizan en juguetes como cajas de música y sonajeros para crear movimiento y sonido.
    
    
    
    

• Biela 
  

  Una barra rígida que se conecta a un cigüeñal por un extremo y a un pistón o punto móvil por el otro. La biela permite convertir un movimiento lineal en uno giratorio, o viceversa. 

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  ¿Qué es una biela?
  

  La biela es una pieza crucial en un motor de combustión interna, ya sea de gasolina o diésel. Se trata de una barra rígida, generalmente con forma de I o H, que conecta el pistón al cigüeñal. Su función principal es transformar el movimiento rectilíneo alternativo del pistón en movimiento rotatorio del cigüeñal.

  ¿Cómo funciona la biela?

  1. Movimiento del pistón: Cuando la mezcla de aire y combustible se enciende en el interior del cilindro, empuja el pistón hacia abajo con una fuerza considerable.
  2. Transmisión de fuerza: La biela, unida al pistón por su extremo superior (cabeza de biela), recibe esta fuerza y la transmite hacia el cigüeñal a través de su extremo inferior (pie de biela).
  3. Movimiento rotatorio: El cigüeñal, con la biela ejerciendo fuerza sobre él, realiza un movimiento de rotación que impulsa al resto del motor.

  Partes de la biela:

  • Cabeza de biela: El extremo superior de la biela, que se conecta al pistón mediante un pasador o bulón.
  • Cuerpo o fuste: La parte principal de la biela, que suele ser tubular o maciza y tiene forma de I o H.
  • Pie de biela: El extremo inferior de la biela, que se conecta al cigüeñal mediante un cojinete.

  Tipos de biela:

  Las bielas se clasifican principalmente en dos categorías según su forma:

  1. Biela en I:La forma más común, con un cuerpo recto y robusto. Se utiliza en motores de combustión interna de baja y media potencia.
  2. Biela en H:Tiene un cuerpo más ancho en la parte central, lo que le proporciona mayor rigidez y resistencia. Se utiliza en motores de alta potencia, como los de competición.

  Materiales de la biela:

  Las bielas se fabrican con materiales de alta resistencia y durabilidad, como:

  • Acero forjado: El material más común, utilizado por su resistencia a la tracción y la compresión.
  • Aleaciones de aluminio: Más ligeras que el acero, pero con menor resistencia. Se utilizan en motores donde el peso es un factor crucial.
  • Titanio: El material más ligero y resistente, pero también el más costoso. Se utiliza en motores de competición de alto rendimiento.
    
    
    
    

Manivela:

 Una barra rígida curvada que se conecta a un eje por un extremo y se utiliza para aplicar una fuerza giratoria. La manivela permite convertir un movimiento lineal en uno giratorio, o viceversa.

                                                                                      

¿Qué es una manivela?

Una manivela es un elemento mecánico que convierte un movimiento giratorio en uno lineal, o viceversa. Se compone de tres partes principales:

• Eje: Es la barra que gira alrededor de un punto fijo.
• Brazo: Es la barra que se une al eje y a la biela.
• Biela: Es la barra que conecta el brazo al elemento que se desea mover.

La manivela funciona aprovechando el principio de la palanca. Cuando se aplica una fuerza al brazo de la manivela, esta se transmite a la biela, que gira sobre el eje y provoca el movimiento lineal del elemento conectado a ella.

¿Para qué se utiliza una manivela?

Las manivelas se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como por ejemplo:

• Motores de combustión interna:En los motores de combustión interna, la manivela convierte el movimiento alternativo del pistón en movimiento rotatorio del cigüeñal.
  Manivela en motor de combustión interna
• Bicicletas:En las bicicletas, la manivela permite al ciclista transmitir su fuerza a los pedales y así impulsar la rueda trasera.
  Manivela en bicicleta
• Máquinas de coser:En las máquinas de coser antiguas, la manivela se utilizaba para proporcionar la energía necesaria para mover la aguja y el hilo.
  Manivela en máquina de coser
• Abrelatas:En algunos abrelatas manuales, la manivela se utiliza para girar la rueda dentada que corta la lata.
• Grúas:En algunas grúas manuales, la manivela se utiliza para subir y bajar la carga.

Tipos de manivelas

Existen dos tipos principales de manivelas:

• Manivela simple:Este tipo de manivela tiene un solo brazo y se utiliza para convertir un movimiento giratorio en uno lineal.
  Manivela simple
• Manivela compuesta:Este tipo de manivela tiene dos o más brazos y se utiliza para aumentar la fuerza o la velocidad del movimiento.

Además de estos dos tipos principales, también existen otros tipos de manivelas más específicas, como por ejemplo:

• Manivela de cigüeñal: Este tipo de manivela se utiliza en los motores de combustión interna y está formada por un cigüeñal con varios codos que convierten el movimiento alternativo de los pistones en movimiento rotatorio.
• Manivela de estrella: Este tipo de manivela tiene un brazo en forma de estrella y se utiliza en algunas máquinas herramienta para convertir el movimiento rotatorio en uno lineal.
• Manivela de mariposa: Este tipo de manivela tiene un brazo en forma de mariposa y se utiliza en algunas válvulas para abrirlas y cerrarlas.

• Aportes de otros autores

A lo largo de la historia, han sido muchos los autores que han realizado aportes importantes al estudio de las máquinas simples y complejas. Algunos de los más destacados son:

• Arquímedes (287 a. C. - 212 a. C.): Un matemático, físico e ingeniero griego que formuló los principios básicos de las palancas, poleas y otros mecanismos simples.

• Leonardo da Vinci (1452-1519):Un pintor, escultor, arquitecto, inventor y científico italiano que realizó estudios detallados de máquinas simples y complejas.

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• René Descartes (1596-1650): Un filósofo, matemático y científico francés que formuló los principios de la mecánica clásica, que sentaron las bases para el estudio de las máquinas.

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• James Watt (1736-1819): Un inventor escocés que desarrolló la máquina de vapor, que revolucionó la industria y el transporte.

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Conclusión

Las máquinas simples y complejas han sido fundamentales para el desarrollo de la humanidad. Su estudio y comprensión nos permite diseñar y construir nuevas máquinas que mejoren nuestra calidad de vida.

• https://en.wikipedia.org/wiki/Simple_machine
• https://kids.britannica.com/students/article/machine/275588