Mecanismos de transformación del movimiento
Transmitir no siempre basta: a veces hace falta convertir un giro en un avance recto, o un vaivén en un giro. El gato del carro, el limpiaparabrisas o el trinquete de la rueda libre de una bicicleta funcionan así. ¿Cómo logra un gato pequeño levantar un carro entero? Lo resolvemos al final.
Transmisión o transformación
Un mecanismo de transmisión pasa el movimiento de un lado a otro sin cambiar su tipo: la cadena de la bici lleva un giro (pedales) a otro giro (rueda).
Un mecanismo de transformación cambia el tipo de movimiento: entra un giro y sale un avance recto, o entra un vaivén y sale un giro.
Explica la diferencia entre un mecanismo de transmisión y uno de transformación del movimiento, con un ejemplo de cada: la cadena de la bicicleta frente al…
Explica la diferencia entre un mecanismo de transmisión y uno de transformación del movimiento, con un ejemplo de cada: la cadena de la bicicleta frente al tornillo-tuerca de la llave del agua. ¿Qué entra y qué sale en cada uno (giro o desplazamiento)?
Tornillo-tuerca y piñón-cremallera
Otros ejemplos de tornillo-tuerca: la prensa en C del taller (aprieta la pieza al avanzar el tornillo) y el tapón de rosca de un frasco.
Avance por vuelta
Para saber cuánto avanza una pieza basta una idea: avance por vuelta.
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En un tornillo, el avance por vuelta es el paso de la rosca: la distancia entre dos crestas seguidas. Una vuelta completa avanza un paso.
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En un piñón-cremallera, por cada diente del piñón que pasa, la cremallera avanza la distancia de un diente. En una vuelta pasan tantos dientes como tenga el piñón.
Y para el avance total: avance total = avance por vuelta × número de vueltas.
Como cada vuelta avanza una distancia exacta y fija, estos mecanismos mueven las piezas con mucha precisión, por eso se usan en impresoras 3D. Ya lo ves en un piñón de 12 dientes con 5 mm por diente: una vuelta son $12 \cdot 5 = 60\ \text{mm}$, y para recorrer 30 cm (300 mm) hacen falta 5 vueltas.
Fuerza a cambio de recorrido
Fíjate en la manivela de una prensa o de un gato: tu mano recorre un círculo grande en cada vuelta, pero la pieza avanza apenas un paso. Lo que tu mano recorre de más lo ganas en fuerza. Por eso, un avance chico por vuelta y una manivela larga dan mucha fuerza. El perímetro del círculo de la mano es $L = 2 \cdot \pi \cdot r$ (con $\pi \approx 3{,}14$).
Así, el gato de tornillo de un carro hace que un giro de manivela se convierta en un avance recto muy pequeño pero muy fuerte.
Al girar una tuerca sobre un tornillo, la tuerca avanza a lo largo de la rosca. Explica qué transformación ocurre (giro en avance recto) y nombra dos objetos cotidianos…
Al girar una tuerca sobre un tornillo, la tuerca avanza a lo largo de la rosca. Explica qué transformación ocurre (giro en avance recto) y nombra dos objetos cotidianos que usen el mecanismo tornillo-tuerca, indicando qué se consigue con ese avance en cada uno.
El piñón-cremallera es una rueda dentada que engrana con una barra también dentada. Explica qué transformación realiza y emparéjalo con su uso: (a) la dirección del…
El piñón-cremallera es una rueda dentada que engrana con una barra también dentada. Explica qué transformación realiza y emparéjalo con su uso: (a) la dirección del carro, que convierte el giro del volante en el giro lateral de las llantas, y (b) el destapador de cremallera, que convierte el giro de la manivela en la subida del corcho.
La figura muestra un piñón de $12$ dientes engranado con una cremallera: por cada diente que pasa, la cremallera avanza $5\ \text{mm}$. Calcula cuántos milímetros avanza…
La figura muestra un piñón de $12$ dientes engranado con una cremallera: por cada diente que pasa, la cremallera avanza $5\ \text{mm}$.
Calcula cuántos milímetros avanza la cremallera cuando el piñón da una vuelta completa y cuántas vueltas hacen falta para que avance $30\ \text{cm}$. Explica por qué este mecanismo convierte el giro en un desplazamiento tan preciso que se usa en las impresoras 3D.
El gato del carro levanta una tonelada girando una manivela pequeña: es un tornillo-tuerca. Explica por qué puede levantar tanto peso (cada vuelta avanza muy poco: mucha…
El gato del carro levanta una tonelada girando una manivela pequeña: es un tornillo-tuerca. Explica por qué puede levantar tanto peso (cada vuelta avanza muy poco: mucha fuerza a cambio de mucho recorrido de giro) y qué ventaja práctica tiene que la tuerca no se «desenrosque» sola con el peso del carro.
Biela-manivela
Velocidad contra fuerza: por qué hay que reducir
Un motor eléctrico pequeño gira muy rápido (por ejemplo, 3.000 vueltas por minuto, o 50 por segundo) pero con poca fuerza de giro, a la que se llama par. Un limpiaparabrisas necesita lo contrario: barrer más o menos una vez por segundo y vencer el rozamiento de las plumas sobre el vidrio.
Si conectas el motor directo a la manivela pasan dos cosas: el vaivén sería 50 veces por segundo, demasiado rápido para barrer, y el par es insuficiente para mover las plumas contra el rozamiento, así que el motor se traba y se calienta.
La solución es poner antes un mecanismo de transmisión que reduzca la velocidad (engranajes, tornillo sinfín o poleas): lo que se pierde en velocidad se gana en par. Es la misma idea de la bici: la velocidad y la fuerza se intercambian, no se crean.
La figura muestra un mecanismo biela-manivela: una rueda que gira (manivela), una barra articulada (biela) y una pieza que solo puede deslizarse entre dos guías…
La figura muestra un mecanismo biela-manivela: una rueda que gira (manivela), una barra articulada (biela) y una pieza que solo puede deslizarse entre dos guías (corredera).
Explica qué movimiento entra en el mecanismo y qué movimiento sale (qué hace la corredera mientras la manivela da vueltas completas) y nombra una máquina real donde ocurra esta transformación.
El cigüeñal es un eje con codos, como varias manivelas seguidas, que convierte el ir y venir de los pistones en el giro del eje del motor. Explica en qué se parece a la…
El cigüeñal es un eje con codos, como varias manivelas seguidas, que convierte el ir y venir de los pistones en el giro del eje del motor. Explica en qué se parece a la biela-manivela y dónde lo encontramos en un carro: ¿qué movimiento entra por los pistones y qué movimiento sale hacia las ruedas?
Identifica el mecanismo de transformación que hay en cada aparato y explica la transformación que hace: (a) el limpiaparabrisas del carro (un motor gira y las plumillas…
Identifica el mecanismo de transformación que hay en cada aparato y explica la transformación que hace: (a) el limpiaparabrisas del carro (un motor gira y las plumillas barren de lado a lado), (b) el taladro de columna antiguo (al girar una manivela, la broca baja en línea recta para taladrar) y (c) el péndulo de un reloj antiguo que mueve las manecillas. Dibuja el esquema de uno de ellos.
Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.
En la bomba de pie para inflar llantas, tú empujas el émbolo hacia abajo y... nada gira. Pero en el motor de combustión son los pistones los que empujan y el eje el que…
En la bomba de pie para inflar llantas, tú empujas el émbolo hacia abajo y... nada gira. Pero en el motor de combustión son los pistones los que empujan y el eje el que sale girando. Explica que la biela-manivela sirve en los dos sentidos (de giro a vaivén y de vaivén a giro) poniendo un ejemplo de cada dirección de uso.
Leva y excéntrica
Las levas se usan en la máquina de coser y en los motores de carro (el árbol de levas abre y cierra las válvulas en el momento justo). Una lijadora eléctrica vibra gracias a un contrapeso descentrado que gira, es decir, una excéntrica.
Un juguete que sube despacio y baja de golpe se logra con una leva de perfil en rampa suave y caída vertical.
Una leva es una pieza con forma de «pera» que, al girar, empuja a un seguidor haciéndolo subir y bajar. Explica qué transformación hace y por qué la forma de la leva…
Una leva es una pieza con forma de «pera» que, al girar, empuja a un seguidor haciéndolo subir y bajar. Explica qué transformación hace y por qué la forma de la leva decide el movimiento exacto del seguidor. Pon un ejemplo de máquina que use levas (máquina de coser, motor de carro).
Una excéntrica es una rueda cuyo eje no está en el centro: al girar, su borde empuja de forma parecida a una leva. Explica qué tiene de parecida y de distinta respecto a…
Una excéntrica es una rueda cuyo eje no está en el centro: al girar, su borde empuja de forma parecida a una leva. Explica qué tiene de parecida y de distinta respecto a la leva y por qué una lijadora eléctrica usa una excéntrica para vibrar (una masa descentrada que gira).
La figura muestra una leva girando con su seguidor apoyado encima; el movimiento del seguidor está por describir. Describe con precisión qué hace el seguidor durante una…
La figura muestra una leva girando con su seguidor apoyado encima; el movimiento del seguidor está por describir.
Describe con precisión qué hace el seguidor durante una vuelta completa de la leva (cuándo sube, cuándo baja, cuándo está más alto), explica de qué depende ese movimiento y razona cómo cambiaría si la leva fuera más «puntiaguda».
Para mover una válvula de un motor se puede usar una leva o una excéntrica. Compara ambas soluciones: cuál permite diseñar el movimiento exacto de la válvula (cuánto…
Para mover una válvula de un motor se puede usar una leva o una excéntrica. Compara ambas soluciones: cuál permite diseñar el movimiento exacto de la válvula (cuánto sube y en qué momento) y cuál es más sencilla de fabricar, y razona por qué en los motores de carro ganaron las levas.
Quieres que una muñeca de un juguete salude (brazo arriba y abajo) al dar cuerda, que es un giro. Propón dos mecanismos distintos capaces de convertir ese giro en el…
Quieres que una muñeca de un juguete salude (brazo arriba y abajo) al dar cuerda, que es un giro. Propón dos mecanismos distintos capaces de convertir ese giro en el vaivén del brazo (leva con seguidor y biela-manivela con excéntrica), dibuja ambos esquemas y valora cuál es más fácil de meter dentro del juguete.
Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.
Diseña un juguete mecánico: al girar una manivela, un pájaro de cartón sube y baja sobre el nido. Elige el mecanismo (leva, excéntrica o biela-manivela), dibuja el…
Diseña un juguete mecánico: al girar una manivela, un pájaro de cartón sube y baja sobre el nido. Elige el mecanismo (leva, excéntrica o biela-manivela), dibuja el esquema completo con la manivela y el pájaro, justifica tu elección frente a las otras opciones y explica cómo harías que el pájaro subiera despacio y bajara de golpe.
Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.
El trinquete: girar en un solo sentido
Funciona así: en un sentido, la uñeta resbala sobre la rampa de cada diente y salta al siguiente. En el otro, choca con la cara recta del diente y lo traba. Así funcionan la llave de trinquete y el freno de mano del carro.
El trinquete es una pieza con dientes inclinados y un pivote que deja girar un eje en un sentido y lo bloquea en el otro. Explica cómo funciona con el ejemplo del freno…
El trinquete es una pieza con dientes inclinados y un pivote que deja girar un eje en un sentido y lo bloquea en el otro. Explica cómo funciona con el ejemplo del freno de mano del carro o de una ratchet (llave de trinquete) de apriete, y razona qué pasaría al pedalear una bicicleta si el piñón trasero no llevara trinquete (la rueda libre).
La rueda libre de la bicicleta lleva un trinquete: al pedalear hacia delante arrastra la rueda, pero si dejas de pedalear la rueda sigue girando sin ti. Explica cómo lo…
La rueda libre de la bicicleta lleva un trinquete: al pedalear hacia delante arrastra la rueda, pero si dejas de pedalear la rueda sigue girando sin ti. Explica cómo lo consigue el trinquete (qué bloquea y qué deja libre) y qué pasaría en una bici «de piñón fijo», donde pedales y rueda van solidarios, al bajar una pendiente.
Máquinas que combinan varios mecanismos
Casi ninguna máquina usa un solo mecanismo: los encadenan. Un sacacorchos de alas combina un tornillo-tuerca con dos palancas. En una máquina de coser, un solo eje mueve la aguja (vaivén vertical) y los dientes de arrastre; ambos deben estar sincronizados: la tela avanza solo cuando la aguja está fuera de ella, y se queda quieta mientras la aguja la atraviesa.
Polea y eje: la persiana
En una persiana enrollable, la cinta se enrolla en una polea que está pegada (es solidaria) al mismo eje donde se enrolla la persiana. Polea y eje dan siempre las mismas vueltas, pero como sus diámetros son distintos, enrollan distinta longitud.
Con una vuelta completa, un círculo de diámetro $D$ enrolla una longitud $\pi D$. Entonces:
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Cinta halada = vueltas $\times\ \pi \times D_{\text{polea}}$.
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Altura que sube la persiana = vueltas $\times\ \pi \times D_{\text{eje}}$.
Si la polea es más grande que el eje, halas más cinta de la que sube la persiana, y a cambio necesitas menos fuerza: es el mismo trueque de recorrido por fuerza de la manivela.
Un estudiante monta una maqueta de limpiaparabrisas conectando directamente el eje de un motor eléctrico de juguete (que gira a 3000 rpm con un par motor muy pequeño) a…
Un estudiante monta una maqueta de limpiaparabrisas conectando directamente el eje de un motor eléctrico de juguete (que gira a 3000 rpm con un par motor muy pequeño) a la manivela de las escobillas. Al colocar las escobillas sobre el parabrisas seco y encender el motor, las escobillas apenas se mueven un instante, vibran bruscamente y el motor queda bloqueado, calentándose rápidamente.
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Explica las dos razones mecánicas por las que falla este montaje directo (piensa en la velocidad de giro adecuada para barrer y en el par de fuerza necesario frente al rozamiento).
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Propón qué mecanismo intermedio debes intercalar obligatoriamente entre el motor y la manivela para solucionar ambos problemas a la vez y justifica tu elección.
En una máquina de coser industrial, un único motor hace girar un eje que acciona a la vez la aguja (movimiento de vaivén vertical) y los dientes de arrastre situados en…
En una máquina de coser industrial, un único motor hace girar un eje que acciona a la vez la aguja (movimiento de vaivén vertical) y los dientes de arrastre situados en la base (que empujan la tela hacia delante en pequeños pasos).
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Tras una avería, la aguja empieza a romperse continuamente porque los dientes empujan la tela hacia atrás justo cuando la aguja está clavada en ella. Describe detalladamente la sincronización correcta entre ambos movimientos durante un ciclo completo (una vuelta del eje motor): en qué momentos debe avanzar la tela y en qué momentos debe permanecer quieta.
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Justifica por qué para el movimiento de la aguja no se utiliza un mecanismo de piñón y cremallera accionado por un motor que cambie continuamente de sentido de giro, y por qué en su lugar se recurre a una biela-manivela o a una leva accionadas por un motor de giro continuo.
Vuelve al principio: el gato levanta un carro porque su tornillo avanza muy poco por vuelta, así que cambia mucho recorrido de giro por mucha fuerza.